Все чаще для медицинского анализа используют микрофлюидные чипы. Эти чипы позволяют ученым и медикам измерять ­какие-то биомаркеры (такие как содержание в плазме крови определенных белков) и исследовать по этим данным биологические процессы в нормальном состоянии, во время болезни или при воздействии лекарственных средств. С технологической точки зрения микрофлюидика — набор методик, которые позволяют управлять потоками небольших порций жидкости. В последнее время эти технологии используют для производства диагностических медицинских устройств. В таких микрофлюидных чипах можно параллельно измерять несколько различных биологических показателей, и делать это быстро. Таким образом, можно делать устройства в том числе и для тестов на коронавирусную инфекцию COVID‑19.

В любой микробиологической лаборатории всегда много связанных друг с другом приборных блоков — и только при согласованной работе всех устройств лаборатория будет работать исправно. Возможность быстро менять характеристики хотя бы одного из приборных модулей позволит сэкономить лаборатории миллионы руб­лей, но заменять на приборном уровне блоки, связанные, например, со сложной электроникой или фотоникой,  очень дорого и сложно. А вот подстроить параметры микрофлюидного модуля с помощью изготовления новых чипов — и дешево, и быстро.

На одном микрофлюидном чипе можно совмещать элементы с различными функциями для параллельного анализа нескольких показателей. Например, на чипе для тестов на ковид одни каналы на чипе необходимы для транспорта антител, а другие — для обнаружения вирусной РНК. Таким образом, одно небольшое микрофлюидное устройство превращается в своеобразную микролабораторию (отсюда и еще одно название технологии: «лаборатория-на-чипе»). С помощью микрофлюидных устройств исследователи могут проводить биомедицинский анализ большого количества проб с высокой скоростью. Однако до сегодняшнего дня у методов их производства были довольно существенные ограничения, и дело не только в том, что их производство традиционными методами — очень долгий и дорогостоящий процесс, но еще и в том, что многие изделия со сложной формой внутренних каналов в принципе невозможно получить с помощью традиционных методов.

Уменьшение диаметра каналов и ускорение производства

Сейчас для производства микрофлюидных чипов чаще всего используют фотолитографию. У этой технологии есть свои недостатки, в частности — сам процесс представляет из себя большое количество довольно сложных ручных операций. Такая особенность может приводить к возникновению дефектов в геометрии готового устройства и, соответственно, к проблемам с воспроизводимостью методики.

Кроме этого, традиционная фотолитография предназначена для создания структур с постоянной высотой, то есть все элементы в микрофлюидном чипе оказываются одинаковой глубины и находятся в одной плоскости — это, естественно, накладывает ограничения на архитектуру чипа и сокращает разнообразие аналитических возможностей конечного изделия. Другой недостаток технологии — не очень высокое разрешение. Доступные устройства для фотолитографии позволяют создавать надежные чипы с каналами диаметром около ста микрометров и больше. В принципе, с помощью фотолитографических методов можно получать и более тонкие каналы, но тогда увеличивается вероятность возникновения дефектов в их структуре и их исправление еще сильнее удлиняет и без того долгий процесс производства. Ученые из-за этого лишаются возможности получать более точные и компактные устройства.

Изменить ситуацию помогла новая технология микропечати — проекционная микростереолитография (projection micro stereolithography, PµSL), которую в 2020 году представила компания Boston Micro Fabrication. Их установка микропечати позволяет создавать изделия размером в несколько десятков микрометров с разрешением 2 микрометра, при этом включая в архитектуру чипов внутренние каналы и полости любой формы. Уже в первом тестовом чипе, напечатанном по технологии PµSL, удалось сделать канал диаметром 50 микрон — это вдвое меньше, чем можно было получать ранее. В результате на микрофлюидном чипе, на котором раньше умещались четыре канала, удалось сделать сразу восемь. Компактность устройства позволяет расширить его возможности, при этом не увеличивая, а, наоборот, уменьшая размер. По оценке ученых, если использовать установку BMF S130 — самую точную на сегодняшний день,  то на чипе такого же размера можно будет разместить до 20 каналов диаметром 15 микрометров. К тому же 3D-микропечать позволяет тестировать различные вариации устройств и быстро вносить правки в дизайн изделия.

Скорость производства — наряду с широкой вариативностью геометрии микроканалов и возможностью при необходимости быстро ее корректировать — важное достоинство 3D-микропечати. Технология традиционной фотолитографии на первой стадии включает получение маски для облучения с помощью высокоточных дорогостоящих приборов, и, как правило, только на это уходит не меньше недели. А полный цикл производства изделий занимает месяц или более. Технология 3D-микропечати тоже включает в себя несколько стадий постобработки, но даже с учетом этого исследователь сможет получить готовое изделие уже через несколько дней после заказа. При этом большинство стадий производства автоматизировано и не требует от человека никакого вмешательства.

Производство чипов с помощью технологии BMF3D

Таким образом, технология 3D-микропечати PµSL позволяет делать любые изделия с микрометровой точностью без необходимости заказывать их у подрядчиков, заметно снижая риски, связанные с удлинением цепочек поставок. Еще одно преимущество технологии — значительная экономия средств и времени, крайне важных при проведении передовых разработок. Кроме того, пятикратное увеличение числа микроканалов в медицинском чипе фиксированного размера резко увеличивает потенциальный объем данных, которые можно на нем получить. А возможность при 3D-печати выйти из плоскости позволяет исследователям размещать на чипе каналы в несколько слоев, контролируя при этом их форму и наклон.

Кроме микрофлюидики технология 3D-микропечати зарекомендовала себя и для изготовления изделий для микромеханики, микроэлектроники и медицины. ■

Автор: Евгений Андреевич Кузьмин, TopStanok

Источник журнал "Аддитивные технологии" № 2-2021