Традиционно микрофлюидные устройства — крошечные устройства с каналами для переноса жидкости, используемые в медицинской диагностике, ДНК-криминалистике и химических анализаторах «лаборатория на кристалле» — изготавливались как микрочипы с использованием фотолитографии. Желаемый рисунок каналов и портов микрометрового размера создается поверх кремниевой подложки, который затем может быть многократно воспроизведен с помощью таких методов, как формование или тиснение. Однако этот процесс требует специального оборудования для чистых помещений и может занять несколько дней.
Если в системе необходимы клапаны, они традиционно изготавливаются из силиконов. К сожалению, силиконы — не лучшие материалы для использования в конкретных лабораторных анализах или для производства структур «лаборатория на чипе».Исследователи NIST потратили последние несколько лет на разработку и совершенствование метода создания микрофлюидных устройств с использованием пластиковых пленок и двусторонней ленты, который позволяет производить функциональное устройство за часы, а не дни и требует только простых инструментов для создания каналов и портов. Конструкции NIST позволяют складывать пленки для создания многослойных или трехмерных структур, могут использоваться для изготовления устройств с множеством функций и стоят меньше, чем традиционные методы производства.
Но до сих пор не существовало практического способа включения клапанов для динамического управления потоком жидкости в эти устройства. В новой статье, опубликованной в журнале Lab on a Chip, биоинженер NIST Грегори Кукси и инженер-исследователь Хавьер Атенсия описывают первый в мире метод создания пневматических микроклапанов в 2-D и 3-D микрофлюидных устройствах, сделанных из пластиковых пленок и ленты.Как и предыдущие системы NIST, новое микрожидкостное устройство с клапанами построено послойно. Узкие прорези и отверстия разрезаются на куски двусторонней ленты, которые становятся крошечными каналами и портами, когда лента складывается сама по себе.
Микроклапан состоит из гибкой мембраны, расположенной между двумя пересекающимися каналами, один поверх другого. Приложение давления воздуха к верхнему каналу толкает мембрану вниз, как мембранный клапан, закрывая нижний канал.Cooksey и Atencia продемонстрировали, что их новый микроклапан также может работать с более сложными конфигурациями микрофлюидной системы NIST. К ним относятся устройства с разной конструкцией для одновременного выполнения разных задач, несколько слоев с разной скоростью потока и отдельные блоки с несколькими «микрофлюидными стенками», которые могут складываться вместе, образуя трехмерную форму.
В одном испытании с устройством кубической формы исследователи наполнили его агаром и вырастили внутри нематод (Caenorhabditis elegans). Используя микроканалы, порты и клапаны, встроенные в стенки куба, они вводили химические вещества в контролируемых концентрациях, которые либо привлекали, либо отталкивали червей.
Это показало, что куб был уникальной установкой для изучения реакции живого организма на химические раздражители в замкнутой среде.