A 3D RPT (Rapid Prototyping Technology) alkalmazása mikrofluidikai eszközök fejlesztéséhez

Szerzők: Bonyár Attila, Dr. Sántha Hunor, Varga Máté, Ring Balázs, Dr. Harsányi Gábor

Budapesti Műszaki és Gazdaságtudományi Egyetem, Elektronikai Technológia Tanszék

Bevezetés
Az akár egyetlen csepp vérminta feldolgozására és kielemzésére is alkalmas bioérzékelők és a hozzájuk kapcsolódó fluidikai kezelő egységek alkalmazott kutatás-fejlesztése sok esetben gyorsabban és megbízhatóbban támogatható kísérleti eredményekkel, mint szimulációval. Ez a megközelítési mód az eredményesség érdekében gyorsan összeállítható és adaptálható mérési összeállításokat igényel. A 3D nyomtatás egy dinamikusan fejlődő eljárás, amelyet elterjedten használnak minden olyan területen, ahol prototípus szintű részegységekre vagy fizikai modellekre van szükség pl. légi és hadiipar vagy orvosi műszerek fejlesztése. A mai 3D nyomtatók már olyan finom felbontóképességgel rendelkeznek (pl. 16 µm rétegvastagság), amely lehetővé teszi azok mikrofluidikai fejlesztésekben történő alkalmazását is. Ennek ellenére még várat magára a 3D nyomtatásban rejlő lehetőségek teljes körű kiaknázása az alkalmazott kutatás-fejlesztés területén. A szakirodalom alapján ma a kutatók csak ritkán és speciális esetben alkalmaznak RPT-vel gyártott egységeket például fluidikai csatlakozások megvalósítására [1,2,3] vagy a szájsebészetben a diagnosztika támogatásához, a terápiás beavatkozás és a szükséges implantátum megtervezéséhez [4].

Mivel a Műegyetem Elektronikai Technológia Tanszékén az Érzékelők és Mikrofluidika Laborban immár közel 1 éve alkalmazzuk a 3D nyomtatás legjobb fizikai felbontással rendelkező fajtáját, a munkánkon alapuló alábbi példákkal szeretnénk demonstrálni, hogy az áttetsző anyagokból 3D RPT-vel készíthető struktúrák hatékony segédeszközök lehetnek a mikrofluidikai és prototípus szintű műszerplatformok felépítésében:

1) Egy új és gyors PDMS (Poli-DiMetil-Sziloxán) alapú mikrofluidika készítési eljárás, amely RTP-vel készült öntőformákat alkalmaz.

2) Egy új eljárás az akril alapú RPT-vel gyártott elemek közvetlenül mikrofluidikai prototípusként történő alkalmazására. (Opcionális felületi kezeléssel az RPT alapú részegység kompatibilissé tehető a fluidikai tartalommal és így az funkcionális prototípusként is használható.)

3) Egy eljárás RPT-vel gyártott elemek prototípus szintű kutató/mérőplatformokban történő széleskörű alkalmazására.

PDMS alapú mikrofluidika készítési eljárás
A 3D RPT-vel nyomtatott objektumok finom felbontása és gyors gyárthatósága lehetővé teszi azok költséghatékony PDMS öntőformaként történő alkalmazását. Az 1. ábrán egy PDMS alapú áramlási cellát láthatunk SPR Imaging berendezéshez gyártva (Surface Plasmon Resonance Imaging – felületi plazmon rezonanciás képalkotás), amelyet RPT-vel nyomtatott öntőformák segítségével öntöttünk ki. A csatorna magassága 300 µm szélessége 4 mm. A cella felülről egy eldobható, 50 nm aranyréteggel borított üveghordozóval van lezárva (20*20 mm), ami virális egyszálú DNS-sel van biofunkcionalizálva. A vizsgálandó vérminta a két be- és kiömlőnyíláson keresztül mozgatható a cellában. Ilyen és ehhez hasonló PDMS alapú eszközök előállítási ideje körülbelül 3-5 óra, beleértve az öntőforma nyomtatást és a PDMS öntést is.

1.ábra: PDMS alapú áramlási cella SPR Imaging berendezéshez

A 2. ábrán egy PDMS alapú mikrofluidikai sejt lízis cella és a hozzá tartozó öntőformák láthatóak. A cella két fele külön lett kiöntve, majd a két részt korona kisüléses felületaktiválás segítségével egyesítettük. A cellának három szilikon csővel (4 mm külső és 2 mm belső átmérő) kiegészített beömlőnyílása és egy Luer szabványú kiömlőnyílása van. A folyadékminta a cella bevezető részében keveredik össze a puffer folyadékkal, a kívánt puffer/biominta arány beállításához (5:1) a bemeneti nyílások átmérője eltérő. A mintában lévő sejtek lízise a cella belső, meander formájú csatornájában történik a cella 95 °C-ra történő felmelegítésével (teljes térfogat 1,2 ml). A folyadék mozgatását a be- és kiömlő nyílások között kívülről létrehozott negatív nyomás különbség végzi.

2.ábra: (a) PDMS alapú sejt lízis kamra az öntéséhez használt RPT öntőformákkal, (b) a kamra tervrajza

RPT-vel gyártott elemek alkalmazása direkt mikrofluidikai prototípusokként
Az akril-gyanta alapú RPT-vel gyártott elemek direkt mikrofluidikai prototípusként történő alkalmazásának demonstrálására bemutatunk egy olcsó és eldobható mikrofluidikai rendszert hüvelykenet minták tárolására és elő-feldolgozására, ami a gyakorlatban DNS és fehérje szeparációt jelent. A rendszerünkkel szemben támasztott legfőbb követelmény az volt, hogy a prototípus fluidikai rendszer legyen átlátszó vagy áttetsző, valamint egyik oldaláról nyitott és poliészter fóliához ragasztható. A 3. ábrán látható a platform folyadékkeverő és homogenizáló egysége (csatorna magasság: 1 mm, szélesség: 2 mm). A két tárolóból a mintákat ujjnyomással lehet kinyomni és összekeverni. A rendszer célja, hogy garantálja a frissen levett és elő-feldolgozott hüvelykenet minták minőségbiztosított szállíthatóságát a mintavétel helyétől a laboratóriumig. A prototípusaink tervezése, gyártása, tesztelése és szükség esetén újratervezése és gyártása potenciálisan akár egy nap alatt is elvégezhető, ami nagy előny más kísérleti tesztelő megoldásokkal szemben.

3.ábra: Folyadékkeverő és homogenizáló prototípus platform

Hosszabb elektrokémiai mérések esetén az elektrolit párolgása befolyásolhatja a mérési eredményeket. Ennek kiküszöbölésére a 4. és 5. ábrán egy hermetikusan zárható elektrokémiai mérőplatform konstrukciót mutatunk be. A mérőplatform lehetővé teszi standard háromelektródos mérések elvégzését, vagyis lényegében az ehhez szükséges makro referencia elektród (pl. Radelkis OP-0830P) befogadását, ellenelektródként pedig platina huzalt vezethetünk be a cellába a 0,6 mm átmérőjű furaton keresztül. A cella effektív térfogata 155 µl, ami a tipikus bioreagensek drágaságára tekintettel kellően kis mennyiségű reagens és elektrolit felhasználását teszi lehetővé. A cella feltöltése a két 1 mm-es furatba vezetett injekciós tűvel buborékmentesen kivitelezhető. A 25 mm *25 mm-es üveghordozón kialakított arany vékonyréteg munkaelektródokhoz történő szivárgásmentes rögzítést egy 13 mm-es belső átmérőjű O-gyűrű biztosítja. A cella kémiai kompatibilitásának növelése érdekében gyártás után a platform elektrolittal érintkező részeit szilikon alapú konformális bevonattal láttuk el (Tech Spray Fine-L-Kote SR).

4.ábra: Az elektrokémiai cella tervrajza és a legyártott cella

5.ábra: Az elektrokémiai cella összeszerelési látványterve

RPT-vel gyártott elemek alkalmazása kutató/mérőplatformokban
Az RPT nyomtatás legegyszerűbb és legelterjedtebb alkalmazási formája egyes kisebb igénybevételű mechanikai elemek / alkatrészek gyors legyártása. A 6. ábrán egy prizmatartó platform látható, amely az áramlási cellánál (1. ábra) már említett SPR Imaging berendezéshez készült. A biofunkcionalizált üveghordozót tartalmazó eldobható reakciótér cserélhetősége érdekében a folyadékcella a csúszó alkatrész segítségével be- és kitolható az optikai prizma alapsíkjához.

6.ábra: Prizmatartó platform SPR Imaging berendezéshez

Összefoglalás és köszönetnyilvánítás
Reméljük, a fenti gyakorlati példákkal sikerült demonstrálni a 3D RPT technológiában rejlő néhány nem magától értetődő irányt is, és gondolatébresztően tudtunk hatni az Olvasóra.

A munka szakmai tartalma kapcsolódik a "Minőségorientált, összehangolt oktatási és K+F+I stratégia, valamint működési modell kidolgozása a Műegyetemen" c. projekt szakmai célkitűzéseinek megvalósításához. A projekt megvalósítását az ÚMFT TÁMOP-4.2.1/B-09/1/KMR-2010-0002 programja támogatja.

Hivatkozások
[1] Daniel Lee, Ponnusamy Sukumar, Aniza Mahyuddin, Mahesh Choolani, Guolin Xua, ”Separation of model mixtures of epsilon-globin positive fetal nucleated red blood cells and anucleate erythrocytes using a microfluidic device”, Journal of Chromatography A, 1217 (2010) pp. 1862–1866.
[2] Min Hu, Rensheng Deng, Karl M. Schumacher, Motoichi Kurisawa, Hongye Ye, Kristy Purnamawati, Jackie Y. Ying, ”Hydrodynamic spinning of hydrogel fibers”, Biomaterials, 31 (2010) pp. 863–869.
[3] Marek Piliarik, Milan Vala, Ivo Tichy, Jirí Homola, ”Compact and low-cost biosensor based on novel approach to spectroscopy of surface plasmons”, Biosensors and Bioelectronics, 24 (2009) pp. 3430-3435.
[4] Jorge Faber, Patrícia Medeiros Berto, and Marcelo Quaresma, ”Rapid prototyping as a tool for diagnosis and treatment planning for maxillary canine impaction”, American Journal of Orthodontics and Dentofacial Orthopedics Volume 129, Number 4, (2006) pp. 583-589.