Ingeniører gør mikrofluidik modulopbygget ved hjælp af de populære sammenlåsende blokke

MIT -ingeniører har netop introduceret et element af sjov i mikrofluidik.

Området mikrofluidik involverer små enheder, der præcist manipulerer væsker ved submillimeterskalaer. Sådanne anordninger har typisk form af flade, todimensionale chips, ætset med bittesmå kanaler og porte, der er indrettet til at udføre forskellige operationer, såsom blanding, sortering, pumpning, og lagring af væsker, mens de flyder.

Nu er MIT -teamet, ser ud over sådanne lab-on-a-chip designs, har fundet en alternativ mikrofluidikplatform i "sammenlåsning, sprøjtestøbte blokke "-eller, som de fleste af os kender dem, LEGO klodser.

"LEGO'er er fascinerende eksempler på præcision og modularitet i dagligdags fremstillede objekter, "siger Anastasios John Hart, lektor i maskinteknik på MIT.

Ja, LEGO klodser fremstilles så konsekvent, at uanset hvor i verden de findes, to mursten er garanteret i kø og klikker sikkert på plads. I betragtning af denne høje grad af præcision og konsistens, MIT -forskerne valgte LEGO klodser som grundlag for et nyt modulært mikrofluidisk design.

I et papir, der blev offentliggjort i tidsskriftet Lab on a Chip, holdet beskriver mikromaling af små kanaler i LEGO'er og positionering af udløbet af hver "fluidic brick" for at passe præcist til indgangen til en anden mursten. Forskerne forseglede derefter væggene i hver modificeret mursten med et klæbemiddel, gør det muligt at samle og omkonfigurere modulære enheder.

Hver mursten kan designes med et bestemt mønster af kanaler til at udføre en bestemt opgave. Forskerne har hidtil konstrueret mursten som væskemodstande og blandere, samt dråbe generatorer. Deres fluidiske mursten kan snappes sammen eller skilles ad, at danne modulære mikrofluidiske enheder, der udfører forskellige biologiske operationer, såsom sortering af celler, blanding af væsker, og filtrering af molekyler af interesse.

"Du kunne derefter bygge et mikrofluid system på samme måde som du ville bygge et LEGO slot - mursten for mursten, "siger hovedforfatter Crystal Owens, en kandidatstuderende i MIT's afdeling for maskinteknik. "Vi håber i fremtiden, andre kan bruge LEGO klodser til at lave et kit med mikrofluidiske værktøjer. "

Modulær mekanik

Hart, som også er direktør for MIT's Laboratory for Manufacturing and Productivity og Mechanosynthesis Group, fokuserer primært sin forskning på nye fremstillingsprocesser, med applikationer lige fra nanomaterialer til store 3D-print.

"I årenes løb, Jeg har haft perifer eksponering for området mikrofluidik og det faktum, at prototyper af mikrofluidiske enheder ofte er vanskeligt, tidskrævende, ressourcekrævende proces, "Siger Hart.

Owens, der arbejdede i et mikrofluidiklaboratorium som bachelor, havde på egen hånd set den omhyggelige indsats, der gik i at konstruere et laboratorium på en chip. Efter at have tilsluttet sig Harts gruppe, hun var ivrig efter at finde en måde at forenkle designprocessen.

De fleste mikrofluidiske enheder indeholder alle de nødvendige kanaler og porte til at udføre flere operationer på en chip. Owens og Hart ledte efter måder at i det væsentlige, eksplodere denne one-chip platform og gør mikrofluidik modulær, tildeling af en enkelt operation til et enkelt modul eller en enhed. En forsker kunne derefter blande og matche mikrofluidiske moduler for at udføre forskellige kombinationer og sekvenser af operationer.

Ved at kaste rundt efter måder at fysisk realisere deres modulære design, Owens og Hart fandt den perfekte skabelon i LEGO klodser, som er omtrent lige så lange som en typisk mikrofluidisk chip.

"Fordi LEGO'er er så billige, bredt tilgængelig, og konsekvent i deres størrelse og repeterbarhed af montering, demontering, og samling, vi spurgte, om LEGO klodser kunne være en måde at skabe et værktøjskasse af mikrofluidiske eller fluidiske klodser, "Siger Hart.

Bygger ud fra en idé

For at besvare dette spørgsmål, holdet købte et sæt standarder, off-the-shelf LEGO klodser og forsøgte forskellige måder at indføre mikrofluidiske kanaler i hver mursten. Den mest succesrige metode viste sig at være mikromilling, en veletableret teknik, der almindeligvis bruges til at bore ekstremt fint, submillimeter funktioner til metaller og andre materialer.

Owens brugte en stationær mikromølle til først at fræse en enkel, 500 mikron bred kanal ind i sidevæggen på en standard LEGO klods. Hun tapede derefter en klar film over væggen for at forsegle den og pumpede væske gennem murstenens nyfræsede kanal. Hun observerede, at væsken med succes flød gennem kanalen, demonstrere mursten fungerede som en strømningsmodstand - en enhed, der tillader meget små mængder væske at strømme igennem.

Ved hjælp af den samme teknik, hun fremstillede en væskeblander ved at fræse en vandret, Y-formet kanal, og sender en anden væske gennem hver arm af Y. Hvor de to arme mødtes, væskerne blev blandet med succes. Owens forvandlede også en LEGO-klods til en dråbe-generator ved at fræse et T-formet mønster ind i væggen. Da hun pumpede væske gennem den ene ende af T, hun fandt ud af, at noget af væsken faldt ned gennem midten, danner en dråbe, da den forlod murstenen.

For at demonstrere modularitet, Owens byggede en prototype på en standard LEGO bundplade bestående af flere mursten, hver designet til at udføre en anden operation, når væske pumpes igennem. Ud over at lave væskeblander og dråbe generator, hun udstyrede også en LEGO klods med en lyssensor, præcist positionering af sensoren for at måle lys som væske, der passerer gennem en kanal på samme sted.

Owens siger, at den sværeste del af projektet var at finde ud af, hvordan man forbinder murstenene, uden væske siver ud. Mens LEGO klodser er designet til at klikke sikkert på plads, der er ikke desto mindre et lille hul mellem mursten, måler mellem 100 og 500 mikron. For at forsegle dette hul, Owens fremstillede en lille O-ring omkring hvert indløb og udløb i en mursten.

"O-ringen passer ind i en lille cirkel, der er fræset ind i murstenoverfladen. Den er designet til at stikke en vis mængde ud, så når en anden mursten er placeret ved siden af ​​den, det komprimerer og skaber en pålidelig væsketætning mellem murstenene. Dette fungerer ganske enkelt ved at placere en mursten ved siden af ​​en anden, "Owens siger." Mit mål var at gøre det ligetil at bruge. "

"En let måde at bygge på"

Forskerne bemærker blot et par ulemper ved deres metode. I øjeblikket, de er i stand til at fremstille kanaler, der er titalls mikron brede. Imidlertid, nogle mikrofluidiske operationer kræver meget mindre kanaler, som ikke kan laves ved hjælp af mikromillingsteknikker. Også, da LEGO klodser er fremstillet af termoplast, de kan sandsynligvis ikke modstå udsættelse for visse kemikalier, der undertiden bruges i mikrofluidiske systemer.

"Vi har eksperimenteret med forskellige belægninger, vi kunne lægge på overfladen for at lave LEGO klodser, som de er, kompatibel med forskellige væsker, "Owens siger." LEGO-lignende klodser kan også laves af andre materialer, såsom polymerer med høj temperaturstabilitet og kemisk resistens. "

For nu, en LEGO-baseret mikrofluid-enhed kan bruges til at manipulere biologiske væsker og udføre opgaver såsom sortering af celler, filtrering af væsker, og indkapsling af molekyler i individuelle dråber. Teamet designer i øjeblikket et websted, der indeholder oplysninger om, hvordan andre kan designe deres egne flydende klodser ved hjælp af standard LEGO -brikker.

"Vores metode giver en tilgængelig platform til prototyper af mikrofluidiske enheder, "Siger Hart." Hvis den slags enhed du vil lave, og de materialer, du arbejder med, er velegnede til denne form for modulært design, dette er en nem måde at bygge en mikrofluidisk enhed til laboratorieforskning på. "

Denne historie er genudgivet med tilladelse fra MIT News (web.mit.edu/newsoffice/), et populært websted, der dækker nyheder om MIT -forskning, innovation og undervisning.