En Rubiks mikrofluidisk terning

Forskere har for nylig konstrueret et modulært system baseret på Rubiks terning til at designe og omkonfigurere mikrofluidiske systemer. Forskerhold havde tidligere forfulgt arrangementet af mikrofluidblokke i forskellige konformationer for at passe til forskellige eksperimenter. I dette arbejde, Xiaochen Lai og et team af forskere ved Tianjin University i Kina blev inspireret af det populære Rubiks puslespil til at bygge et tredimensionelt (3-D) mikrofluidisk system. Opsætningen kunne nemt drejes og drejes for at ændre dens funktion. De efterlignede designet af Rubiks terning med modulære stykker indeholdende mikrokanallayouts for at opnå en stram, lækagesikker tætning i forhold til anordningsarrangement. Lai et al. brugt en enkelt enhed til at udføre væskeblanding og dråbebaseret mikrobiel kultur til en række praktiske anvendelser som mikrofluidsensorer, pumper og ventiler i ressourcebegrænsede indstillinger. Værket er nu udgivet på Natur:Mikrosystemer og mikroteknik .

Mikrofluidsystemer er yderst nyttige i videnskabelig forskning til en række aktiviteter, herunder kemisk analyse på grund af deres reaktionshastighed og høje gennemløbsfunktionalitet. Imidlertid, teknologien er stadig under udvikling, og dens potentiale mangler at blive udforsket fuldt ud, da processen med mikrofluidisk fremstilling stadig er dyr og tidskrævende. For hurtigt at implementere tilpassede mikrofluidsystemer, bioingeniører har foreslået konceptet med modulær mikrofluidik, hvor individuelle mikrofluidblokke kan konstrueres i et modulært design og samles til et system. I nærværende undersøgelse, Lai et al. foreslået et rekonfigurerbart mikrofluidisk system tilpasset fra Rubiks terning på grund af flere unikke egenskaber ved konstruktionen. Til at starte med, Rubiks terning indeholdt en genial låsemekanisme for at forhindre lækage under nem omkonfiguration. Sekund, transformationen fra en tilstand til en anden krævede kun maksimalt 20 drejninger af kuben for at sikre brugervenlighed. Desuden, kuben kunne forvrænges til en række forskellige tilstande fra startpositionen for forskellige mikrofluidiske konfigurationer. Det foreslåede system giver en nem og overkommelig proces, der baner vejen mod meget tilpassede applikationer i ressourcebegrænsede indstillinger.

Design og karakterisering af mikrofluidikterningen

Systemet fremstod som en almindelig Rubiks terning, men alle 12 kantterninger og otte hjørneterninger blev placeret med blokke indeholdende interne mikrokanaler for at udføre mikrofluidiske funktioner. Hver af kant- og hjørneblokkene opretholdt en uafhængig mikrofluidisk chip, hvor dens indløb/udløb var placeret i det geometriske centrum af en overflade. Lai et al. 3-D printede alle disse blokke ved hjælp af en desktop stereolitografi (SLA) printer. De brugte klar harpiks for at opnå gennemsigtighed for nem observation og inkluderede to silikonegummi O-ringe i hver kantblok for at sikre et integreret system med jævn rotation. Den O-ringstøttede tætningsstrategi sikrede tæt kontakt mellem blokkene for deres automatiske justering.

Efter at have udviklet de mikrofluidiske terningblokke, holdet evaluerede deres præstationer ved at bestemme deres dimension og tolerance. De bemærkede fabrikationsfejl under 3D-print, selvom sådanne fejl ikke forårsagede væskelækage under dets aktivitet på grund af den O-ringstøttede tætningsstrategi. De testede derefter mikrofluidsystemets trykmodstand, hvilket afhang af fjederens tæthed for at holde klodserne sammen med læksikker væskestrøm. Den høje trykmodstand i kuben resulterede også på grund af dens struktur. For at opnå billeddannelse af høj kvalitet mellem kanalen og kuben, Lai et al. sigte på at specialbygge blokke med forspændte kanaler og kamre nær kubens overflade til selvforsynende observationer af mikrokanalerne.

Rekonfigurering af mikrofluidikterningen –

Forskerne rekonfigurerede mikrofluidikken ved at dreje kubens overflader og detekterede sekvensen ved at følge Rubiks algoritmer - et sæt gemte bevægelser med en specifik effekt på kuben. Som regel, en sekvens af bevægelser af en algoritme omtales som Singmaster-rotation, hvor store bogstaver repræsenterer hvert træk. Hver transformation var mulig inden for få sekunder, og i nogle tilfælde, Lai et al. brugt enklere algoritmer til hurtigere transformation. Ved hjælp af algoritmer udpegede holdet placeringen af ​​de fleste af blokkene i kuben for at tilpasse mikrofluidikken, men der var nogle iboende grænser for Rubiks terning i forhold til mikrofluidikarrangementet, som de rekonfigurerede ved hjælp af en online Rubiks terningløser. Forskerne satte det endelige arrangement af mikrofluidikblokke til den ukodede tilstand og beregnede en algoritme til konfiguration som en relativt optimeret løsning til Rubiks terning. Da det beviste maksimale antal træk, der kræves for at gendanne nogen af ​​permutationerne i en Rubiks terning, også kendt som Guds nummer, er 20, de samme regler gælder for det nuværende system. Derfor, hvis Lai et al. skulle rekonfigurere et specifikt mikrofluidisk system fra en fuldstændig uarrangeret tilstand, 20 træk var tilstrækkeligt.

Anvendelser af den mikrofluidiske terning –

Den foreslåede opsætning har flere fordele sammenlignet med tidligere rapporterede modulære mikrofluidik, inklusive lækagesikker brugervenlighed og adskillelsesfri rekonfiguration i ressourcebegrænsede indstillinger. For at demonstrere dets anvendelighed, forskerne gennemførte en række scenarier. De dannede en T-forbindelsesblok til homogen væskeblanding og rekonfigurerede derefter den mikrofluidiske terning for at skabe en dråbegenerator. Den nye opsætning tillod vand-i-olie-dråbergenerering til deres indsamling, observation og yderligere funktionalitet. Sådanne mikrofluidiske enheder tillader, at en stor mængde parallelle reaktioner forekommer ved anvendelser med høj gennemstrømning. Til applikationer i den virkelige verden, Lai et al. udførte dråbebaserede mikrobielle dyrkningsforsøg med den foreslåede mikrofluidiske terning. Mikrobiel dyrkning er afgørende for en række diagnostik, genetik og bioteknologiske applikationer til meget parallel og høj gennemløbsforskning i bakteriel evolution. I dette eksperiment, forskerne brugte Escherichia coli-kultur, inkuberede den mikrofluidiske terning ved stuetemperatur og brugte resazurin som en cellelevedygtighedsindikator til at evaluere cellerne under dyrkning. Holdet overvågede celleaktivitet baseret på farveændringen af ​​dråberne, der først blev fra blå til lyserøde, og så falmet, at bevise bakteriel aktivitet i dråberne. Forskerne estimerede også koncentrationen af ​​bakteriepopulationer under eksperimentet.

På denne måde Xiaochen Lai og teamet præsenterede en ny metode til hurtigt at bygge brugerdefinerede mikrofluidiske systemer ved at spille en mikrofluidisk Rubiks terning. Opsætningen tillod fleksibel samling af forskellige mikrofluidblokke ved blot at dreje terningens flader. Efter hver rotation, holdet selvjusterede og forseglede alle blokke til alsidige mikrofluidiske funktioner under vejledning af en simpel Rubiks terningalgoritme. Som et bevis på konceptet, de skabte en 3-D-printet blok for at danne terningformede mikrofluidiske systemer for god rekonfigurerbarhed og hurtig implementering på stedet. Forskerne sigter mod at forbedre alsidigheden af ​​mikrofluidikkuberne til avancerede applikationer. Den nuværende opsætning vil lette brugerdefinerede mikrofluidiske systemer i ressourcebegrænsede indstillinger.

© 2020 Science X Network