Новая технология 3D-печати объединяет электронику в микроканалы для создания гибких, растягивающихся микрофлюидных устройств.

Важные новости

Новая технология 3D-печати объединяет электронику в микроканалы для создания гибких, растягивающихся микрофлюидных устройств

Впрыск жидкого металла в микроканалы, напечатанные на 3D-принтере, позволил сформировать электрические соединения между 3D-проводящими сетями и встроенными электронными элементами, что позволило изготавливать гибкую и растяжимую микрофлюидную электронику, такую ​​как в качестве прикрепляемых к коже NFC-меток и беспроводных светоизлучающих устройств. Фото: SUTD

Переход от традиционных 2D-к 3D-микрофлюидных структур является значительным достижением в микрофлюидике, предлагающим преимущества в научных и промышленных приложениях. Эти 3D-системы повышают производительность за счет параллельной работы и мягких эластомерных сеток, заполненных проводящими материалами, такими как жидкий металл, что позволяет интегрировать микрофлюидику и электронику.

Однако традиционные методы, такие как изготовление мягкой литографии, требующее чистых помещений, имеют ограничения в достижении полностью автоматизированных 3D взаимосвязанных микроканалов. Ручные процедуры, используемые в этих методах, включая формование полидиметилсилоксана (PDMS) и послойное выравнивание, препятствуют потенциалу автоматизации производства микрофлюидных устройств.

3D-печать является многообещающей альтернативой традиционным методам микрофлюидного изготовления. Методы фотополимеризации, такие как стереолитографический аппарат (SLA) и цифровая обработка света (DLP), позволяют создавать сложные микроканалы.

Хотя фотополимеризация позволяет создавать гибкие устройства, остаются проблемы с интеграцией внешних компонентов, таких как электронные элементы, во время световой печати.

Методы, основанные на экструзии, такие как моделирование наплавлением (FDM) и прямое письмо чернилами (DIW), предлагают автоматизированные решения. изготовления, но сталкиваются с трудностями при печати эластомерных полых структур. Ключевой задачей является поиск чернил, которые сочетают в себе мягкость для встраивания компонентов и надежность для структурной целостности для создания полностью напечатанных, взаимосвязанных микрофлюидных устройств со встроенными функциями.

На данный момент существующие технологии 3D-печати не реализовали одновременно 1) прямую печать взаимосвязанных многослойных микроканалов без вспомогательных материалов и постобработки и 2) интеграцию электронных элементов в процессе печати.

Исследователи из Сингапура Лаборатория мягкой гидродинамики Университета технологий и дизайна (SUTD) решила эти две важные проблемы в исследовании, опубликованном в Advanced Functional Materials:

1. Прямая печать соединенных между собой многослойных микроканалов

Настройки 3D-печати DIW были оптимизированы для создания безопорных полых структур для силиконового герметика, гарантирующих, что экструдированная структура не разрушится. Исследовательская группа расширила эту демонстрацию, чтобы изготовить взаимосвязанные многослойные микроканалы со сквозными отверстиями между слоями; такая геометрия микроканалов (и электрических проводов) часто требуется для электронных устройств, таких как антенны для беспроводной связи.

2. Интеграция электронных компонентов

Еще одна задача — интеграция электронных компонентов в микроканалы в процессе 3D-печати. Этого трудно добиться с помощью смол, которые отверждаются мгновенно.

Исследовательская группа воспользовалась преимуществами постепенного отверждения смол для встраивания и иммобилизации небольших электронных элементов (таких как RFID-метки и светодиодные чипы). Самовыравнивание этих элементов с помощью микроканалов позволило осуществлять самосборку компонентов с электропроводкой при пропускании жидкого металла через канал.

Почему эта технология важна?

Хотя для многих электронных устройств требуется 3D-конфигурация проводящих проводов, например перемычка в катушке, этого сложно достичь с помощью традиционных методов 3D-печати.

Исследовательская группа SUTD предложила простое решение для реализации устройств с такими сложными конфигурациями. Путем впрыскивания жидкого металла в трехмерный многослойный микроканал, содержащий встроенные электронные компоненты, облегчается самосборка проводящих проводов с этими компонентами, что позволяет упростить изготовление гибких и растягивающихся катушек из жидкого металла.

Для иллюстрации практических преимуществ Используя эту технологию, команда создала прикрепляемую к коже метку радиочастотной идентификации (RFID), используя имеющийся в продаже кожный лейкопластырь в качестве подложки и отдельно стоящее гибкое беспроводное светоизлучающее устройство с компактной площадью основания (21,4 мм × 15 мм).

Первая демонстрация подчеркивает способность этого решения автоматизировать производство растягиваемых печатных плат на широко распространенной, одобренной с медицинской точки зрения платформе. Изготовленная RFID-метка продемонстрировала высокий коэффициент добротности (~70) даже после 1000 циклов растягивающего напряжения (деформация 50%), демонстрируя стабильность перед лицом повторяющихся деформаций и прилегание к коже. В качестве альтернативы исследовательская группа предполагает использовать небольшую гибкую беспроводную оптоэлектронику для фотодинамической терапии в качестве медицинских имплантатов на биологических поверхностях и просветах.

«Наша технология предложит новые возможности для реализации автоматизированного изготовления растягиваемых печатных схем с помощью 3D-технологии. конфигурация электрических цепей, состоящих из жидких металлов», — говорит ведущий автор статьи доктор Кенто Ямагиши, SUTD.

«3D-печать DIW эластомерных многослойных микроканалов позволит автоматически изготавливать жидкостные устройства с помощью 3D. расположение каналов, включая многофункциональные датчики, смесители нескольких материалов и каркасы для 3D-тканевой инженерии», — говорит доцент Мичинао Хашимото, главный исследователь SUTD.

Дополнительная информация:< /strong> Кенто Ямагиши и др., Гибкая и растягивающаяся микрофлюидная электроника из жидкого металла с использованием 3D-микроканальных сетей прямой печати, Передовые функциональные материалы (2023). DOI: 10.1002/adfm.202311219

Информация журнала: Расширенные функциональные материалы, предоставленные Сингапурским университетом технологий и дизайна

Новости сегодня

Последние новости