Rapid prototyping of microfluidic systems using two-photon lithography

• Additive Fertigung von mikrofluidischen Systemen mittels Zwei-Photonen Lithography

Lölsberg, Jonas; Wessling, Matthias (Thesis advisor); Hecht, Stefan (Thesis advisor)

Aachen (2020)
Buch, Doktorarbeit

In: Aachener Verfahrenstechnik series - AVT.CVT - chemical process engineering 10 (2021)
Seite(n)/Artikel-Nr.: x, 118 Seiten : Illustrationen, Diagramme

Dissertation, Rheinisch-Westfälische Technische Hochschule Aachen, 2020

Kurzfassung

Mit der Fertigung komplexer Prototypen revolutionieren additive Fertigungsverfahren die Geschwindigkeit der Forschung und Entwicklung. Gegenwärtige Lithographietechniken fertigen polymere Objekte im Makro-, Meso- und Mikromaßstab mit einer räumlichen Auflösung, die sich über mehrere Größenordnungen erstreckt. Hierbei limitiert die Beugung des Lichts die Auflösung linear optischer Fertigungsverfahren. Mit der Zwei-Photonen Lithographie wird diese Grenze verschoben, indem die nichtlineare Photonenabsorption auf ein Ellipsoid fokussiert wird. Die zeitlich und räumlich kontrollierte Bewegung des Ellipsoids realisiert die additive Photopolymerisation in einem lichtempfindlichen Photolack. In der vorliegenden Arbeit wird die Zwei-Photonen-Lithographie verwendet, um neue dreidimensionale mikrofluidische Systeme herzustellen. Die Geometrie solcher Systeme definiert die vorherrschenden Strömungs- und Transportphänomene. Zur Erweiterung der Funktionalität werden noch wesentlich kleinere Objekte in die mikrofluischen Kanäle mittels in situ Zwei-Photonen-Lithografie integriert. Diese Objekte sind dicht mit der mikrofluidischen Umgebung vernetzt und mit der Außenwelt verbunden. Mit dieser neuen Technik gelingt erstmalig die Synthese von Polyacrylnitril-Fasern im einstelligen Mikrometerbereich über eine integrierte Nassspinndüse. Wesentlich kleinere Nanofasern werden mit der in situ Zwei-Photonen Lithographie in einem horizontalen Strömungskanal synthetisiert. Diese Methodik wird zur kontinuierlichen Synthese komplexer Freiformmaterialien erweitert. Mit der direkten in situ Zwei-Photonen Polymerisation in einem vertikalen Strömungskanal gelingt die Synthese von porösen Hohlfasern mit definierter Morphologie und Topologie. Die kombinierten Vorteile der mikrofluidisch kontrollierten Strömung und der Präzision der in situ Zwei-Photonen Lithographie ermöglichen damit erstmals die generischen Synthese komplex geformter Materialien. Die hier entwickelte Methodik wird auf die Entwicklung der ersten kontinuierlichen mikrofluidischen Zellseparation zu einem Thrombozytenbypass für die extrakorporale Membranoxygenierung übertragen. Die Separation von Vollblut mit klinisch relevantem Hämatokrit beruht auf der Kombination aus Fokussierungs- und Auftriebskräften, welche zu einer lateralen Zellmigration führen. Die Zellmigration ist abhängig von der unterschiedlichen Größe und Form der Zellulären Blutbestandteile. Mit der Anwendung dreidimensionaler mikrofluidischer Systeme im klinischen regulierten Umfeld wird das Potential und die Übertragbarkeit der hier entwickelten Methodik auf eine Vielzahl theoretischer und praktischer Problemstellungen in den Naturwissenschaften und der Technik aufgezeigt.