3D-друк мікроканалів позбувся підтримуючих структур

Американські інженери придумали, як позбутися підтримуючих структур при друку мікроканалів на 3D-принтері. Для цього вони вибрали матеріал з низькою плинністю і розрахували, який для нього необхідний мінімальний кут нахилу стіни. Мікроканали витримують тиск до 40 кілопаскалів при товщині стінок 200 мікрон, мінімальна ширина перерізу склала 100 мікрон. Крім того, за цією технологією зробили ряд мікрофлюїдних пристроїв: змішувач, датчик солоності та вентиль. Стаття опублікована в журналі.

Мікроскопічним каналам для рідини є безліч застосувань у різних галузях. Наприклад, їх можна використовувати для створення водяного контуру охолодження всередині чіпа, що збільшить ефективність охолодження в десятки разів, або створити лабораторію на чіпі: систему трубок і сенсорів для автоматичного аналізу рідин - наприклад, людського поту.

Найпростіше створювати мікроканали за допомогою 3D-друку. Однак, як правило, для побудови таких нависаючих конструкцій, як «дах» каналу, потрібні допоміжні підтримуючі конструкції. Будь-яка похилена стінка згинається під силою тяжкості вниз, і тому майбутню порожнечу заповнюють розчинним полімером, а поверх неї укладають основний матеріал. Після того як конструкція затвердіє, допоміжні речовини доводиться видаляти, що ускладнює виробництво. Крім того, для друку двома матеріалами потрібен більш дорогий принтер, а порожнини складної форми важко очистити, що накладає обмеження на геометрію каналів.

Рюїтао Су (Ruitao Su) з Університету Міннесоти і його колеги винайшли спосіб 3D-друку мікроканалів, який не вимагає підтримуючих структур. Як будівельний матеріал інженери вибрали суміш, близьку за складом до кислотних силіконових герметиків. Вона затвердіває від вологи повітря, і не вимагає ні запікання, ні ультрафіолетового відвердження. Крім того, силікон хімічно стійок, сумісний з людськими тканинами і може розтягуватися.

Силіконові стінки каналів друкують шар за шаром внизу вгору, кожен наступний шар трохи зміщується до центру, поки нарешті дві стіни не замкнуться і не утворюють склепіння. Щоб похилі стінки не склалися, вчені вибрали суміш з низькою текучістю, а також розрахували максимальні кути нахилу. Чим вище стінка, тим більш крутою вона повинна бути, при висоті 700 мікрон її ухил не повинен бути менше 37 градусів до поверхні. Таким чином можна створювати канали округлого або трикутного перерізу, а також камери різних розмірів і форм, у тому числі на не плоских поверхнях. Ширина найвужчого каналу не перевищила 100 мікрон.

Мікроканали, до того ж, виявилися дуже міцними: стінки товщиною 200 мікрон витримують тиск вище 40 кілопаскалів, при тому що зазвичай тиск у мікрофлюїдних системах не перевищує 10 кілопаскалів. В якості експерименту інженери надрукували кілька пристроїв різного типу. По-перше, Т-подібні змішувачі з внутрішніми стінками з поліетилену, які також надрукували на принтері. По-друге, заклавши перед друком на дно каналу електроди, вчені отримали датчики солоності води.

Нарешті, автори додали в систему мікроканалів м'який вентиль розміром кілька міліметрів. Для цього вони надрукували два канали один поверх іншого - основний і керуючий. По нижньому текла вода, а верхній, керуючий, в місці перетину зверху і з боків забронювали твердим акриловим пластиком. Тому, коли в нього подавали повітря під тиском, він видувався вниз і перекривав потік рідини. Щоб перекрити потік з тиском 30 кілопаскалів знадобився керуючий тиск 300 кілопаскалів. Надалі інженери сподіваються навчитися створювати за цією технологією більш складні пристрої, наприклад помпи.

Розвиток мікроустроїв може серйозно допомогти медицині. Наприклад, вчені зробили ракету для переміщення по кровоносних судинах, а для роботи в ще дрібніших масштабах можна використовувати молекулярні мотори.