MIT улучшает микрофлюиды с блокировкой блоков LEGO

Команда MIT только что добавила элемент удовольствия в микрожидкости.

Домен микрофлюиды включает в себя миниатюрные устройства, которые точно контролируют жидкости в субмиллиметровых масштабах. Такие устройства классически принимают форму плоских двумерных микросхем, протравленных миниатюрными каналами и портами, которые предназначены для выполнения многочисленных операций, таких как сортировка, смешивание, перекачка и хранение жидкостей по мере их поступления.

Исследователи Массачусетского технологического института разработали новую платформу для микрожидкости с использованием кирпичей LEGO. Здесь, жидкость течет через крошечные каналы, измельченные в боковые стенки кирпичей LEGO. (Image credit: Melanie Gonick / MIT)

В настоящее время исследователи Массачусетского технологического института, рассматривая такие проекты на основе микросхем, обнаружили альтернативную систему микрофлюидики в «блокирующих блоках с литьевым формованием» – или, как известно большинству людей, кирпичи LEGO.

]

«LEGOs – увлекательные примеры точности и модульности в повседневных промышленных объектах», – говорит Анастасиос Джон Харт, доцент механического машиностроения в Массачусетском технологическом институте.

Действительно, кирпичи LEGO серийно выпускаются так последовательно, что независимо от того, где они находятся в мире, любые два кирпича обязательно выстраиваются в линию и крепко прижимаются к месту. Учитывая эту высокую степень согласованности и точности, команда MIT выбрала кирпичи LEGO в качестве основы для нового модульного микрожидкостного дизайна.

В статье, опубликованной в журнале Lab on the Chip команда иллюстрирует микро-фрезерование небольших каналов в LEGO и позиционирование выходного отверстия каждого «жидкого кирпича» для массива точно с входом другого кирпича , Затем команда запечатывала стены каждого измененного кирпича клеем, позволяя легко собирать и перенастраивать модульные устройства.

Каждый кирпич может быть разработан с определенным набором каналов для выполнения конкретной задачи. Исследователи до сих пор проектировали кирпичи как жидкостные резисторы и смесители, а также генераторы капель. Их жидкие кирпичи можно объединить или разделить, чтобы сформировать модульные микрожидкостные устройства, которые выполняют множество биологических операций, таких как смешивание жидкостей, сортировка клеток и фильтрация молекул, представляющих интерес.

. Тогда вы могли бы построить микрожидкостную систему так же, как построить замок LEGO – кирпич за кирпичом. Мы надеемся, что в будущем другие могут использовать кирпичи LEGO для создания набора микрожидкостных инструментов.

Crystal Owens, ведущий автор

Модульная механика

Харт, который также является директором лаборатории MIT по производству и производительности и группе Mechanosynthesis, в основном концентрируется на новых производственных процессах, причем приложения охватывают от наноматериалов до крупномасштабной 3D-печати. ​​

На протяжении многих лет у меня было периферийное воздействие на область микрофлюидики и тот факт, что прототипирование микрожидкостных устройств часто является сложным, трудоемким и ресурсоемким процессом.

Анастасиос Джон Харт, адъюнкт-профессор машиностроения

Оуэнс был частью лаборатории микрофлюидики в качестве бакалавра и сразу же стал свидетелем тщательных усилий, направленных на разработку лаборатории на чипе. Присоединившись к группе Харта, она стремилась найти способ упростить процесс проектирования.

Большинство микрожидкостных устройств имеют все необходимые каналы и порты для выполнения многочисленных операций на одном чипе. Оуэнс и Харт сортируют способы, в принципе, взорвать эту одночиповую систему и сделать модульную микрофлюидику; назначая одну операцию одному модулю или модулю. Затем исследователь мог бы смешивать и сопоставлять микрофлюидные модули для выполнения ряда комбинаций и последовательностей операций.

Опираясь на подходы к физическому достижению своего модульного дизайна, Оуэнс и Харт обнаружили идеальный шаблон в кирпичах LEGO, которые примерно равны регулярному микрожидкостному чипу

Поскольку LEGO настолько недороги, широко доступны и согласованы по своим размерам и повторяемости монтажа, разборки и сборки, мы спросили, могут ли кирпичи LEGO создавать инструментарий из микрожидкостных или жидких кирпичей.

Анастасиос Джон Харт, адъюнкт-профессор машиностроения

Здание из идеи

Чтобы ответить на этот вопрос, команда купила набор стандартных готовых кирпичей LEGO и попыталась добавить микрожидкостные каналы в каждый кирпич. Самым успешным методом было микромолирование, хорошо зарекомендовавшая себя система, обычно используемая для бурения очень тонких, субмиллиметровых характеристик в металлах и других материалах.

Оуэнс использовал микромилл для настольных компьютеров, чтобы прокачать простой канал шириной 500 микрон в боковой стенке основного кирпича LEGO. Затем она наклеила прозрачную пленку на стену, чтобы запечатать ее, и перекачивала жидкость через недавно измельченный канал кирпича. Она заметила, что жидкость эффективно протекает по каналу, указывая на то, что кирпич функционирует как проточный резистор – устройство, которое пропускает очень маленькие количества жидкости.

Она изготовила жидкостный миксер путем фрезерования горизонтального Y-образного канала с использованием того же метода и послала другую жидкость через каждый рычаг Y. Там, где встретились два рычага, жидкости эффективно смешивались. Оуэнс также превратил кирпич LEGO в генератор капель путем фрезерования Т-образного узора в его стену. Когда она перекачивала жидкость через один конец Т, она обнаружила, что часть жидкости опустилась через середину, образуя каплю, когда она вышла из кирпича.

Для того, чтобы показать, модульность, Оуэнс построил прототип на регулярной LEGO плиты, состоящей из нескольких кирпичей, каждый из которых предназначен, чтобы сделать другую операцию, жидкость нагнетается через. Помимо изготовления жидкостного миксера и генератора капель, она также оснастила кирпич LEGO с помощью светочувствительного датчика, точно поставив датчик для измерения света, когда жидкость прошла через канал в том же месте.

Оуэнс говорит, что самая сложная часть проекта угадывала, как соединять кирпичи вместе, без утечки жидкости. В то время как кирпичи LEGO спроектированы для надежной фиксации на месте, между кирпичами имеется небольшая полость размером от 100 до 500 микрон. Чтобы запечатать эту полость, Оуэнс изготовил небольшое уплотнительное кольцо вокруг каждого выхода и входа в кирпич.

Уплотнительное кольцо помещается в небольшой круг, измельченный в кирпичную поверхность. Он предназначен для фиксации определенного количества, поэтому, когда рядом с ним размещается другой кирпич, он сжимает и создает надежное уплотнение между кирпичами. Это работает просто путем размещения одного кирпича рядом с другим. Моя цель состояла в том, чтобы сделать его простым в использовании.

Crystal Owens, ведущий автор

«Простой способ построить»

Исследователи отмечают лишь несколько ударов по их технике. В настоящее время они способны изготавливать каналы шириной в десятки микрон. Однако некоторые микрожидкостные операции требуют гораздо меньших каналов, которые не могут быть выполнены с использованием микромиллинговых методов. Кроме того, поскольку кирпичи LEGO изготавливаются из термопластов, они, вероятно, не могут выдержать воздействие некоторых химических веществ, которые иногда используются в микрожидкостных системах.

« Мы экспериментировали с различными покрытиями, которые мы могли бы нанести на поверхность, чтобы сделать кирпичи LEGO, так как они совместимы с различными жидкостями», Оуэнс говорит. « LEGO-подобные кирпичи также могут быть изготовлены из других материалов, таких как полимеры с высокой температурой и химической стойкостью».

В настоящее время микрожидкостное устройство на основе LEGO может использоваться для контроля биологических жидкостей и выполнения таких операций, как фильтрация жидкостей, сортировка ячеек и капсулирование молекул в отдельных капельках. В настоящее время команда разрабатывает веб-сайт, на котором будет информация о том, как другие могут проектировать свои собственные кипящие кирпичи с использованием обычных деталей LEGO.

«Наш метод обеспечивает доступную платформу для прототипирования микрожидкостных устройств», Харт. «Если устройство, которое вы хотите сделать, и материалы, с которыми вы работаете, подходят для такого модульного дизайна, это простой способ построить микрожидкостное устройство для лабораторных исследований».

Это исследование было частично поддержано Национальным научным стипендиатным научным фондом, факультетом машиностроения Массачусетского технологического института Ашером Х. Шапиро, Комитетом по усовершенствованным концепциям лаборатории MIT Lincoln, премией за 3 миллиона преподавателей и Национальной научной программой EAGER / Cybermanufacturing Program .

Видео: Мелани Гоник / MIT

Source link