Fibre indeholdende systemer til blanding, adskillelse, og test af væsker kan åbne op for nye muligheder for medicinsk screening

Mikrofluidiske enheder er små systemer med mikroskopiske kanaler, der kan bruges til kemisk eller biomedicinsk testning og forskning. I et potentielt spilskiftende fremskridt, MIT-forskere har nu inkorporeret mikrofluidiksystemer i individuelle fibre, gør det muligt at behandle meget større mængder væske, på mere komplekse måder. I en vis forstand, fremskridt åbner en ny "makro" æra af mikrofluidik.

Traditionelle mikrofluidiske enheder, udviklet og brugt flittigt i løbet af de sidste par årtier, er fremstillet på mikrochiplignende strukturer og giver måder at blande, adskillelse, og test af væsker i mikroskopiske volumener. Medicinske tests, der kun kræver en lille dråbe blod, for eksempel, ofte stole på mikrofluidik. Men den lille skala af disse enheder udgør også begrænsninger; for eksempel, de er generelt ikke nyttige til procedurer, der kræver større mængder væske for at detektere stoffer, der er til stede i små mængder.

Et hold af MIT-forskere fandt en vej rundt om det, ved at lave mikrofluidiske kanaler inde i fibre. Fibrene laves så længe som nødvendigt for at rumme større gennemløb, og de tilbyder stor kontrol og fleksibilitet over kanalernes former og dimensioner. Det nye koncept er beskrevet i et papir, der udkommer i denne uge i tidsskriftet Proceedings of the National Academy of Sciences , skrevet af MIT kandidatstuderende Rodger Yuan, professorerne Joel Voldman og Yoel Fink, og fire andre.

En tværfaglig tilgang

Projektet opstod som et resultat af en "speedstorming"-begivenhed (en blanding af brainstorming og speeddating, en idé initieret af professor Jeffrey Grossman), som blev anstiftet af Fink, da han var direktør for MIT's Research Laboratory of Electronics. Arrangementerne skal hjælpe forskere med at udvikle nye samarbejdsprojekter, ved at få et par studerende og postdocs til at brainstorme i seks minutter ad gangen og komme med hundredvis af ideer på en time, som rangeres og evalueres af et panel. I denne særlige speedstorming-session, studerende inden for elektroteknik arbejdede sammen med andre inden for materialevidenskab og mikrosystemteknologi for at udvikle en ny tilgang til cellesortering ved hjælp af en ny klasse af multimaterialfibre.

Yuan forklarer, at selvom mikrofluidisk teknologi er blevet omfattende udviklet og i vid udstrækning brugt til behandling af små mængder væske, det lider af tre iboende begrænsninger relateret til enhedernes samlede størrelse, deres kanalprofiler, og vanskeligheden ved at inkorporere yderligere materialer, såsom elektroder.

Fordi de typisk er fremstillet ved hjælp af chip-fremstillingsmetoder, mikrofluidiske enheder er begrænset til størrelsen af ​​de siliciumwafere, der anvendes i sådanne systemer, som ikke er mere end omkring 8 tommer på tværs. Og de fotolitografiske metoder, der bruges til at lave sådanne chips, begrænser kanalernes former; de kan kun have kvadratiske eller rektangulære tværsnit. Endelig, eventuelle yderligere materialer, såsom elektroder til at registrere eller manipulere kanalernes indhold, skal placeres individuelt i position i en separat proces, begrænser deres kompleksitet i høj grad.

"Silicon chip teknologi er rigtig god til at lave rektangulære profiler, men alt ud over det kræver virkelig specialiserede teknikker, " siger Yuan, der udførte arbejdet som led i sin doktorgradsforskning. "De kan lave trekanter, men kun med visse specifikke vinkler." Med den nye fiberbaserede metode udviklede han og hans team, en række forskellige tværsnitsformer for kanalerne kan implementeres, inklusive stjerne, kryds, eller butterfly-former, der kan være nyttige til særlige applikationer, såsom automatisk sortering af forskellige celletyper i en biologisk prøve.

Ud over, til konventionelle mikrofluidika, elementer såsom føle- eller varmeledninger, eller piezoelektriske anordninger til at fremkalde vibrationer i væskeprøverne, skal tilføjes på et senere behandlingstrin. Men de kan integreres helt i kanalerne i det nye fiberbaserede system.

En skrumpende profil

Ligesom andre komplekse fibersystemer udviklet gennem årene i laboratoriet af medforfatter Yoel Fink, professor i materialevidenskab og teknik og leder af Advanced Functional Fabrics of America (AFFOA) konsortiet, disse fibre er lavet ved at starte med en overdimensioneret polymercylinder kaldet en præform. Disse præforme indeholder den nøjagtige form og materialer, der ønskes til den endelige fiber, men i meget større form - hvilket gør dem meget nemmere at lave i meget præcise konfigurationer. Derefter, præformen opvarmes og læsses i et faldtårn, hvor den langsomt trækkes gennem en dyse, der samler den til en smal fiber, der er en fjerdedel af præformens diameter, samtidig med at alle de indre former og arrangementer bevares.

I processen, materialet er også forlænget med en faktor på 1, 600, så en 100 millimeter lang (4 tommer lang) præform, for eksempel, bliver en fiber 160 meter lang (ca. 525 fod), på den måde dramatisk at overvinde de længdebegrænsninger, der er forbundet med nuværende mikrofluidiske anordninger. Dette kan være afgørende for nogle applikationer, såsom at detektere mikroskopiske genstande, der findes i meget små koncentrationer i væsken - f.eks. et lille antal kræftceller blandt millioner af normale celler.

"Nogle gange har du brug for at behandle en masse materiale, fordi det, du leder efter, er sjældent, "siger Voldman, en professor i elektroteknik med speciale i biologisk mikroteknologi. Det gør denne nye fiberbaserede mikrofluidikteknologi særligt velegnet til sådanne anvendelser, han siger, fordi "fibrene kan gøres vilkårligt lange, ", hvilket giver væsken mere tid til at forblive inde i kanalen og interagere med den.

Mens traditionelle mikrofluidiske enheder kan lave lange kanaler ved at gå frem og tilbage på en lille chip, de resulterende vendinger ændrer kanalens profil og påvirker den måde, væsken flyder på, hvorimod disse i fiberversionen kan laves så længe som nødvendigt, uden ændringer i form eller retning, tillader uafbrudt flow, siger Yuan.

Systemet tillader også elektriske komponenter såsom ledende ledninger at blive inkorporeret i fiberen. Disse kan f.eks. bruges til at manipulere celler, ved hjælp af en metode kaldet dielektroforese, hvor celler påvirkes forskelligt af et elektrisk felt produceret mellem to ledende ledninger på siderne af kanalen.

Med disse ledende ledninger i mikrokanalen, man kan styre spændingen, så kræfterne "skubber og trækker på cellerne, og du kan gøre det ved høje flowhastigheder, siger Voldman.

Som en demonstration, holdet lavede en version af den lange kanal fiberenhed designet til at adskille celler, sortering af døde celler fra levende, og beviste sin effektivitet i at udføre denne opgave. Med videreudvikling, de forventer at være i stand til at udføre mere subtil skelnen mellem celletyper, siger Yuan.

"For mig var dette et vidunderligt eksempel på, hvordan nærhed mellem forskergrupper i et tværfagligt laboratorium som RLE fører til banebrydende forskning, initieret og ledet af en kandidatstuderende. Vi fakultetet blev i det væsentlige trukket ind af vores studerende, " siger Fink.

Forskerne understreger, at de ikke ser den nye metode som en erstatning for nuværende mikrofluidik, som fungerer meget godt til mange applikationer. "Det er ikke meningen at erstatte; det er beregnet til at forstærke" nuværende metoder, Voldman siger, tillader nogle nye funktioner til bestemte formål, som ikke tidligere har været mulige.