Lab-on-a-chıp uygulamaları için mikro kanal tasarımı ve3B baskısı
Design and 3D printing of micro channels for lab-on-a-chip applications
Yazar: MERVE BEGÜM ÇUHADAROĞLU
Danışman: DOÇ. DR. HÜSEYİN KÜRŞAD SEZER
Gazi Üniversitesi / Fen Bilimleri Enstitüsü / Endüstriyel Tasarım Mühendisliği Ana Bilim Dalı
Derece: Yüksek Lisans, 2022
Konu: Makine Mühendisliği = Mechanical Engineering
Dizin: Mikro akışkanlar = Microfluidics ; Tasarım = Design ; Üç boyutlu biyoyazıcılar = Three-dimensional bioprinter

Özet:
Geleneksel imalat yöntemlerine göre tasarım esnekliği, hızlı üretim ve uygun maliyet gibi avantajlar sunan 3B baskı olarak da bilinen eklemeli imalat (Eİ) teknolojileri birçok farklı alanda kullanılmaktadır. Katlanarak artan teknolojik gelişmeler ile mikron düzeyinde karmaşık yapılar üretilebilmekte ve özellikle kişiye özel uygulamalarda kullanılabilmektedir. Eİ'nin umut verici benzersiz bir uygulaması, Lab-on-a-chip (LOC) cihazlarıdır. Bu mikro akışkan içeren cihazlar; biyomedikal, kimya ve klinik vakalarda çok küçük ölçekte gerçekleştirilen laboratuvar deneylerinde etkin bir şekilde kullanılabilmektedir. Litografi ve PDMS-cam yapıştırma gibi geleneksel 2B mikrofabrikasyon teknolojileri ile zaman alıcı, uzmanlık gerektiren ve üretilmesi pahalı olan LOC sistemleri, Eİ yöntemleri ile kolayca üretilebilir hale gelmiştir. Mikro akışkanların 3B baskısında kullanılabilecek birçok farklı Eİ yöntemi olmasına rağmen, Multi Jet Printing (MJP) yöntemi yüksek hassasiyeti ve boyutsal doğruluğu nedeniyle sıklıkla tercih edilmektedir. MJP teknolojisi, fotopolimer reçinelerin 16 µm kalınlığa kadar bir tabaka püskürtülmesi ve ardından UV ışığı ile kürlenmesine dayanmaktadır. Bu tez, özellikle MJP tabanlı teknolojiler için mikro akışkanların 3B baskısında kullanılan ilgili yöntemleri ve malzemeleri eleştirel bir şekilde gözden geçirmektedir. Ayrıca UV LCD tabanlı bir 3B baskı yöntemi kullanılarak örnek bir uygulama çalışması yapılmıştır. Çeşitli mikro kanal yapılarına sahip 3B baskılı mikro akışkan çipler, ticari bir malzeme jet tabanlı 3B yazıcı (Objet 30 Prime – Stratasys) kullanılarak üretilmiştir. 3B baskılı numuneler, profilometre analizi ile yüzey pürüzlülüğü ve boyutsal doğruluk açısından incelenmiştir. Çalışmada kullanılan model malzemeye ek olarak çeşitli fotopolimer reçinelerin kürleme dalga boyları spektrofotometre analizi ile belirlenmiştir. Elde edilen veriler doğrultusunda mikro kanallarda sıkışan destek yapılarının kaldırılması ve yüzey özelliklerinin iyileştirilmesi tartışılmıştır. Sonuçlar, mikro akışkanların 3B baskısının, genellikle yeni uygulamalar için umut verici bir alan olduğunu göstermektedir.

Abstract:
Additive manufacturing (AM) technologies, also known as 3D printing, which offer advantages such as design flexibility, fast production and cost-effectiveness compared to traditional manufacturing methods, are used in many different areas. With the exponentially increasing technological developments, complex structures at the micron level can be produced and can be used especially in personalized applications. One promising unique application of AM is Lab-on-a-chip (LOC) devices. These devices containing microfluidics; It can be used effectively in laboratory experiments performed on a very small scale in biomedical, chemistry and clinical cases. Lab-on-chip systems, which are time-consuming, specialization-required, and expensive to produce with traditional 2D microfabrication technologies such as lithography and PDMS-glass bonding, have become easily producible with AM methods. Although there are many different AM methods can be used in 3D printing of microfluidics, Multi Jet Printing (MJP) method is frequently preferred because of its high sensitivity and dimensional accuracy. MJP AM technology is based on spraying photopolymer resins to a layer thickness of down to 16 µm, then curing with UV light. This thesis critically reviews the relevant methods and materials used for 3D printing of microfluidics, especially for the MJP-based technologies. In addition, a case study was conducted using a UV LCD-based 3D printing method. 3D-printed microfluidic chips with various microchannel structures were fabricated using a commercial material jet-based 3D printer (Objet 30 Prime – Stratasys). 3D printed samples were examined for surface roughness and dimensional accuracy by profilometer analysis. In addition to the model material used in the study, the curing wavelengths of various photopolymer resins were determined by spectrophotometer analysis. In line with the data obtained, the removal of the support structures stuck in the micro-channels and the improvement of the surface properties were discussed. The results show that the 3D printing of microfluidics is a promising area for often novel applications.