Микрожидкостные системы используются во многих областях, включая машиностроение, химию и биотехнологию, для точного управления небольшими объемами жидкостей для использования в таких приложениях, как ферментативный анализ или анализ ДНК, обнаружение патогенов, клинические диагностические испытания и синтетическая химия. Традиционно микрофлюидные устройства строятся в чистом помещении на двумерной поверхности с использованием той же технологии, которая была разработана для производства интегральных схем для электронной промышленности.Несмотря на крошечные размеры, проектирование, сборка и тестирование новой микрофлюидической системы может занять много времени и денег.
Создание одного устройства часто может потребовать нескольких итераций, каждая из которых может занять до двух недель и несколько тысяч долларов на производство. И чем сложнее система, тем больше требуется итераций.
«Вы тестируете свое устройство, и оно никогда не работает с первого раза», — сказала Кришна Бхаргава, аспирант по материаловедению инженерной школы Университета Калифорнии в Витерби. «Если вы выросли инженером или ученым, то, вероятно, в какой-то момент детства на вас повлиял LEGO®. Я думаю, что у каждого ученого есть тайная фантазия о том, что все, что они строят, будет так же просто собрать . "Разочарованный тем, что воспроизведение простой микрожидкостной схемы могло стоить ему так много времени и денег, Бхаргава решил упростить процесс построения. Во-первых, он определил примитивные элементы, обычно используемые в микрожидкостных системах, во многом подобно тому, как ломаются схемы в электротехнике. Основные микрофлюидные функции будут разделены на стандартные модульные компоненты, что не является полностью революционной концепцией.
Но затем он полностью отказался от двумерного метода создания микрофлюидных устройств.«Основатели микрофлюидики придерживались того же подхода, что и полупроводниковая промышленность: пытались упаковать как можно больше интегрированной структуры в один чип», — пояснил Бхаргава. «В электронике это важно, потому что высокая плотность транзисторов дает много прямых и косвенных преимуществ для вычислений и обработки сигналов. В микрофлюидике нас беспокоят не биты и символьные представления, а способ маршрутизации, комбинирования, смешивания жидкостей. , и проанализированы; нет необходимости продолжать интегрировать все более и более сложные устройства ".
Заимствуя подход из электронной промышленности, в которой используются прототипы плат для построения схем, Бхаргава задумал трехмерные модульные компоненты, которые инкапсулируют общие элементы микрофлюидных систем, а также соединитель, который мог бы соединять отдельные компоненты вместе. Вдохновленный недавними достижениями в области 3D-печати в микронном масштабе, он и исследовательская группа Университета Калифорнии в Витерби, в которую входили профессор химической инженерии и материаловедения Ноа Мальмштадт и аспирант биомедицинской инженерии Брайант Томпсон, разработали компьютерные модели для восьми модульных компонентов жидкости и приборов (MFIC, произносится как «em-fix»), каждый из которых выполняет простую операцию.
Примерами являются компонент «спираль», который может смешивать два потока жидкости, и компонент, содержащий интегрированный оптический датчик для измерения размера мелких капель. Компоненты, изготовленные для этого исследования, имеют размер примерно 1 см3, что немного меньше, чем у стандартной шестигранной матрицы.
Разработка этих MFIC группой представляет собой первую попытку разбить устройство на отдельные компоненты, которые можно собирать, разбирать и повторно собирать снова и снова.«То, что мы построили, больше похоже на макет для хобби», — сказал Мальмштадт. «Вы можете построить дешевую схему голыми руками».Команда связывает большую часть успеха на этапе изготовления с последними достижениями в области трехмерной печати с высоким разрешением.«Мы получили детали от нашего контрактного производителя, и с первого раза они сработали лучше, чем я мог мечтать.
В тот день мы смогли построить работающую микрофлюидную систему, так же просто, как соединить блоки LEGO® вместе», — сказал Бхаргава.Используя трехмерные печатные МФИ, в считанные часы команда смогла построить и протестировать устройство, которое смешивало жидкости с помощью спирального компонента и превращало смесь в капли.
По сути, это очень длинная дорожка, уложенная в одну и ту же стандартную площадь основания модуля, спиральный компонент позволяет регулировать сопротивление потоку или может служить эффективным смесителем. В микрожидкостных системах в перемешивании преобладает диффузия, и сложная спираль может ускорить процесс, складывая жидкость на себя.
«Попытка контролировать смешение веществ всегда была серьезной проблемой в этой области только из-за того, как текучие среды текут при очень малых размерах», — пояснил Мальмштадт. «Люди придумали всевозможные способы крутить и поворачивать каналы, чтобы попытаться улучшить микширование. Тот факт, что мы можем делать это в трех измерениях с помощью этой трехмерной спирали, действительно упрощает ситуацию».Такая работа лежит в основе конвергенции науки и техники в USC, где исследователи из обеих областей сотрудничают, чтобы создать инструменты, которые делают возможными научные прорывы.Команда сообщает о своем недавнем изобретении «Дискретные элементы для трехмерной микрофлюидики», опубликованном 22 сентября в Proceedings of the National Academy of Sciences (PNAS) Соединенных Штатов Америки.
Полочные датчики или другие интегрированные компоненты могут быть легко включены в системы, построенные из MFIC, и продемонстрировать, как MFIC могут точно определять размер капель, что является полезной функцией для доставки лекарств или изучения камер микрореакторов. При определении размера капель они обнаружили, что 30-центовый компонент дает результаты, сопоставимые с результатами, полученными при использовании традиционного инструмента — оптического микроскопа стоимостью более 30 000 долларов.В результате получается чрезвычайно дешевый, стандартизированный, простой в использовании набор компонентов, который можно быстро собрать и повторно собрать в микрофлюидную систему за небольшую часть времени и затрат, которые в настоящее время требуются для производства устройства, выполняющего то же самое. операция.
«Вы извлекаете все, что, по вашему мнению, будет работать, склеиваете это вместе и проверяете», — сказал Бхаргава. «Если это не сработает, вы вытаскиваете ее часть, меняете некоторые части, и в течение дня вы, вероятно, придете к окончательному проекту, а затем вы можете скрепить систему вместе и сделать ее постоянной. У вас есть огромная повышение производительности и огромное преимущество в затратах ».В течение последних 20 лет микрофлюидика считалась благом для таких областей, как биотехнология и инженерия, но еще не стандартизирована и не принята повсеместно широким сообществом исследователей и в промышленности.
Технология, которую часто называют «лаборатория на кристалле», может ускорить темпы разработки и предоставить средства для проведения высокоточных экспериментов в условиях ограниченных ресурсов. Цель команды USC Viterbi — наконец помочь этому случиться.
«MFIC значительно повысят производительность отдельного аспиранта, постдока или лабораторного специалиста, позволив им создавать свои собственные инструменты прямо в лаборатории и автоматизировать свой рабочий процесс, экономя время и деньги», — сказал Мальмштадт. «Я думаю об этом как о технологическом подходе к проблеме нехватки STEM — сделать каждого исследователя более сильным, дав ему возможность выполнять свою собственную автоматизацию без необходимости быть экспертом в зеркальном производстве или иметь возможность разрабатывать сложные интегрированные устройства».Команда представляет собой открытое сообщество, в котором дизайны можно будет публиковать через базу данных с открытым исходным кодом. У них есть планы по разработке дополнительных компонентов и они надеются, что другие исследователи начнут использовать MFIC для своих собственных экспериментов, а также внесут свой вклад в разработку новых компонентов и систем, которые помогут ускорить развитие сообщества микрофлюидных исследователей.
«Люди сделали великие дела с помощью технологии микрофлюидики, но эти модульные компоненты требуют гораздо меньше знаний для проектирования и создания системы», — сказал Мальмштадт. «Движение к стандартизации будет означать, что больше людей будут использовать его, и чем больше вы увеличиваете размер сообщества, тем лучше станут инструменты».