Ny hurtig prototyping metode til mikroskala spiral enheder

Et team af forskere fra Tohoku University og Okinawa Institute of Science and Technology (OIST) har opnået betydelige fremskridt inden for mikrofluidik, hvilket muliggør præcis og effektiv manipulation af væsker i tredimensionelle mikroskalamiljøer. Dette arbejde åbner op for nye muligheder for bioanalytiske anvendelser, såsom celleadskillelser inden for medicinsk diagnostik.

Detaljer om deres gennembrud blev offentliggjort i tidsskriftet Microsystems &Nanoengineering den 22. januar 2024.

Mikrofluidiske enheder er designet til at håndtere minimale væskevolumener, hvilket giver forskere mulighed for at udføre analyser og processer med bemærkelsesværdig præcision og effektivitet.

I de senere år har mikrofluidisk teknologi udviklet sig hurtigt på tværs af forskellige områder, herunder medicin, biologi og kemi. Blandt dem skiller tredimensionelle spiralmikrofluidiske enheder sig ud som spilskiftere. Deres indviklede proptrækker-lignende design giver mulighed for præcis væskekontrol, effektiv partikelseparation og reagensblanding. Imidlertid er deres potentiale til at revolutionere bioanalytiske applikationer hæmmet af de nuværende udfordringer inden for fremstilling. Processen er tidskrævende og dyr, og eksisterende fremstillingsteknikker begrænser materialevalg og strukturelle konfigurationer.

For at overvinde disse begrænsninger har et tværfagligt team fra Tohoku University og OIST introduceret en miniaturiseret rotationel termisk tegneproces (mini-rTDP), der henter inspiration fra traditionelle japanske slikfremstillingsteknikker – fremstillingen af ​​Kintaro-ame.

Deres innovative tilgang involverer at rotere materialerne under termisk strækning for at skabe indviklede tredimensionelle strukturer i fibre. Denne proces er yderst alsidig og rummer en bred vifte af materialer, der kan deformeres, når de opvarmes, hvilket åbner op for uendelige muligheder for at kombinere forskellige materialer.

"Mini-rTDP letter hurtig prototyping af tredimensionelle mikrofluidsystemer, ideel til præcis biofluidmanipulation," siger Yuanyuan Guo, lektor ved Tohoku University's Frontier Research Institute for Interdisciplinary Sciences (FRIS).

"Mini-rTDP involverer at skabe en støbt polymerpræform indeholdende kanaler, som efterfølgende strækkes og opvarmes for at generere mikrofluidkanaler i en fiber. Disse kanaler kan derefter roteres yderligere for at forme tredimensionelle spiralkonfigurationer", forklarer Shunsuke Kato, en juniorforsker på FRIS og avisens første forfatter.

I samarbejde med Amy Shen, leder af Micro/Bio/Nanofluidics Unit på OIST, gennemførte det tværfaglige Tohoku-OIST-team både simuleringer og eksperimenter for at visualisere væskestrømme i spiralstrukturerne. Daniel Carlson fra Shens team siger:"Vi har bekræftet tilstedeværelsen af ​​Dean-hvirvler, en type rotationsstrøm, der forekommer i buede kanaler, i vores enheder, hvilket bekræfter deres potentiale for væsentligt at forbedre celle- og partikelseparationseffektiviteten."

"Den hurtige prototyping af tredimensionelle spiralmikrofluidik ved hjælp af mini-rTDP repræsenterer et bemærkelsesværdigt fremskridt inden for mikrofluidik. Denne teknologi tilbyder uovertruffen alsidighed, præcision og potentialet til at katalysere transformative ændringer på tværs af forskellige industrier," siger Shen.

"Desuden forfølger vi aktivt integrationen af ​​mikrofluidiske kanaler med funktionaliteter såsom elektroder, biosensorer og aktuatorer direkte i fibre. Denne bestræbelse har potentialet til at revolutionere Lab-on-Chip bioanalytiske teknologier," sagde Guo.

Denne forskning er et vidnesbyrd om samarbejdet mellem OIST SHIKA-programmet og de matchende midler leveret af Tohoku University, hvilket fremhæver det stærke partnerskab og synergien mellem disse to institutioner.

Flere oplysninger: Shunsuke Kato et al., Twisted fiber microfluidics:en banebrydende tilgang til 3D-spiralenheder, Microsystems &Nanoengineering (2024). DOI:10.1038/s41378-023-00642-9

Journaloplysninger: Mikrosystemer og nanoteknik

Leveret af Tohoku University