Американские инженеры придумали, как избавиться от поддерживающих структур при печати микроканалов на 3D-принтере. Для этого они выбрали материал с низкой текучестью и рассчитали, какой для него необходим минимальный угол наклона стены. Получившиеся микроканалы выдерживают давление до 40 килопаскалей при толщине стенок 200 микрон, минимальная ширина сечения составила 100 микрон. Кроме того, по этой технологии сделали ряд микрофлюидных устройств: смеситель, датчик солености и вентиль.

Статья опубликована в журнале Science Advances.

Микроскопическим каналам для жидкости есть множество применений в разных отраслях. Например, их можно использовать для создания водяного контура охлаждения внутри чипа, что увеличит эффективность охлаждения в десятки раз, или создать лабораторию на чипе: систему трубок и сенсоров для автоматического анализа жидкостей — например, человеческого пота.

Проще всего создавать микроканалы с помощью 3D-печати. Однако, как правило, для постройки таких нависающих конструкций, как «крыша» канала, требуются вспомогательные поддерживающие конструкции. Любая наклоненная стенка сгибается под силой тяжести вниз, и потому будущую пустоту заполняют растворимым полимером, а поверх нее укладывают основной материал. После того как конструкция отвердеет, вспомогательные вещества приходится удалять, что усложняет производство. Кроме того, для печати двумя материалами требуется более дорогой принтер, а полости сложной формы трудно очистить, что накладывает ограничения на геометрию каналов.

Рюитао Су (Ruitao Su) из Университета Миннесоты и его коллеги изобрели способ 3D-печати микроканалов, который не требует поддерживающих структур. В качестве строительного материала инженеры выбрали смесь, близкую по составу к кислотным силиконовым герметикам. Она затвердевает от влаги воздуха, и не требует ни запекания, ни ультрафиолетового отверждения. Кроме того, силикон химически стоек, совместим с человеческими тканями и может растягиваться.

Силиконовые стенки каналов печатают слой за слоем снизу вверх, каждый следующий слой чуть смещается к центру, пока наконец две стены не замкнутся и не образуют свод. Чтобы наклонные стенки не сложились, ученые выбрали смесь с низкой текучестью, а также рассчитали максимальные углы наклона. Чем выше стенка, тем более крутой она должна быть, при высоте 700 микрон ее уклон не должен быть меньше 37 градусов к поверхности. Таким способом можно создавать каналы округлого или треугольного сечения, а также камеры различных размеров и форм, в том числе на не плоских поверхностях. Ширина самого узкого канала не превысила 100 микрон.

Сверху – схема производства микроканалов, снизу их внешний вид. Ширина 1 миллиметр. / Su et al. / Science Advances, 2020

Микроканалы, к тому же, оказались очень прочными: стенки толщиной 200 микрон выдерживают давление выше 40 килопаскалей, при том что обычно давление в микрофлюидных системах не превышает 10 килопаскалей. В качестве эксперимента инженеры напечатали несколько устройств разного типа. Во-первых, Т-образные смесители с внутренними стенками из полиэтилена, которые также напечатали на принтере. Во-вторых, заложив перед печатью на дно канала электроды, ученые получили датчики солености воды.

Наконец, авторы добавили в систему микроканалов мягкий вентиль размером несколько миллиметров. Для этого они напечатали два канала один поверх другого — основной и управляющий. По нижнему текла вода, а верхний, управляющий, в месте пересечения сверху и с боков забронировали твердым акриловым пластиком. Поэтому, когда в него подавали воздух под давлением, он выдувался вниз и перекрывал поток жидкости. Чтобы перекрыть поток с давлением 30 килопаскалей потребовалось управляющее давление 300 килопаскалей. В дальнейшем инженеры надеются научиться создавать по этой технологии более сложные устройства, например помпы.