В области микрофлюидики используются мельчайшие устройства, которые точно управляют жидкостями в субмиллиметровом масштабе. Такие устройства обычно имеют форму плоских двумерных чипов с крошечными каналами и портами, которые предназначены для выполнения различных операций, таких как смешивание, сортировка, перекачка и хранение текучих сред по мере их движения.
Теперь команда Массачусетского технологического института, не ограничиваясь такими конструкциями «лаборатория на кристалле», нашла альтернативную платформу микрофлюидики в виде «блокируемых литых под давлением блоков» — или, как большинство из нас их знает, кирпичей LEGO.«LEGO — это великолепные примеры точности и модульности в повседневно производимых объектах», — говорит Анастасиос Джон Харт, доцент кафедры машиностроения Массачусетского технологического института.Действительно, кубики LEGO производятся настолько последовательно, что независимо от того, где они находятся, любые два кубика гарантированно выстроятся в линию и надежно защелкнутся.
Учитывая эту высокую степень точности и согласованности, исследователи Массачусетского технологического института выбрали кубики LEGO в качестве основы для новой модульной микрофлюидной конструкции.В статье, опубликованной в журнале Lab on a Chip, команда описывает микропломбирование небольших каналов в LEGO и размещение выхода каждого «жидкого кирпича» так, чтобы оно точно совпадало с входом другого кирпича. Затем исследователи заклеили стены каждого модифицированного кирпича клеем, что позволило легко собирать и реконфигурировать модульные устройства.
Каждый кирпич может быть спроектирован с определенным набором каналов для выполнения конкретной задачи. К настоящему времени исследователи разработали кирпичи в качестве гидравлических резисторов и смесителей, а также генераторов капель. Их жидкие блоки можно соединить или разобрать, чтобы сформировать модульные микрофлюидные устройства, которые выполняют различные биологические операции, такие как сортировка ячеек, смешивание жидкостей и фильтрация интересующих молекул.«Затем вы могли бы построить микрофлюидную систему аналогично тому, как вы построили бы замок LEGO — кирпич за кирпичиком», — говорит ведущий автор Кристал Оуэнс, аспирантка факультета машиностроения Массачусетского технологического института. «Мы надеемся, что в будущем другие могут использовать кубики LEGO для создания набора микрофлюидных инструментов».
Модульная механикаХарт, который также является директором Лаборатории производства и производительности Массачусетского технологического института и Группы механосинтеза, в первую очередь фокусирует свои исследования на новых производственных процессах с различными приложениями, от наноматериалов до крупномасштабной трехмерной печати.«На протяжении многих лет я немного знаком с областью микрофлюидики и тем фактом, что создание прототипов микрожидкостных устройств часто является сложным, трудоемким и ресурсоемким процессом», — говорит Харт.
Оуэнс, который во время учебы работал в лаборатории микрофлюидики, воочию убедился, какие кропотливые усилия были вложены в создание лаборатории на чипе. Присоединившись к группе Харт, она очень хотела найти способ упростить процесс проектирования.Большинство микрожидкостных устройств содержат все необходимые каналы и порты для выполнения нескольких операций на одном кристалле. Оуэнс и Харт искали способы, по сути, взорвать эту однокристальную платформу и сделать микрофлюидику модульной, назначив одну операцию одному модулю или устройству.
Затем исследователь может смешивать и сопоставлять микрожидкостные модули для выполнения различных комбинаций и последовательностей операций.Пытаясь найти способы физически реализовать свою модульную конструкцию, Оуэнс и Харт нашли идеальный шаблон в виде кубиков LEGO, длина которых примерно равна длине типичного микрожидкостного чипа.
«Поскольку LEGO настолько недороги, широко доступны и одинаковы по размеру и повторяемости монтажа, разборки и сборки, мы спросили, могут ли кубики LEGO стать способом создания набора инструментов из микрожидкостных или текучих кирпичей», — говорит Харт.Строим из идеиЧтобы ответить на этот вопрос, команда купила набор стандартных готовых кубиков LEGO и попробовала различные способы ввести микрофлюидные каналы в каждый кубик. Самым успешным методом оказалось микрофрезерование, хорошо зарекомендовавшая себя техника, обычно используемая для сверления очень мелких, субмиллиметровых деталей в металлах и других материалах.
Оуэнс использовал настольную микромельницу, чтобы сначала фрезеровать простой канал шириной 500 микрон в боковой стенке стандартного кирпича LEGO. Затем она наклеила на стену прозрачную пленку, чтобы запечатать ее, и прокачала жидкость через только что отфрезерованный канал кирпича. Она заметила, что жидкость успешно протекла через канал, демонстрируя, что кирпич функционирует как резистор потока — устройство, позволяющее протекать очень небольшому количеству жидкости.
Используя ту же технику, она изготовила миксер для жидкости, фрезеровав горизонтальный Y-образный канал и направив различную жидкость через каждое плечо Y. Там, где два рукава встретились, жидкости успешно смешались. Оуэнс также превратил кирпич LEGO в генератор капель, вырезав на его стене Т-образный узор.
Прокачивая жидкость через один конец Т-образной формы, она обнаружила, что часть жидкости падает через середину, образуя каплю на выходе из кирпича.Чтобы продемонстрировать модульность, Оуэнс построил прототип на стандартной опорной плите LEGO, состоящей из нескольких блоков, каждый из которых предназначен для выполнения различных операций при прокачке жидкости. Помимо создания смесителя жидкости и генератора капель, она также оснастила кирпич LEGO датчиком освещенности, точно расположив датчик для измерения света, когда жидкость проходит через канал в том же месте.Оуэнс говорит, что самой сложной частью проекта было выяснить, как соединить кирпичи вместе без утечки жидкости.
Хотя кубики LEGO предназначены для надежной фиксации на месте, тем не менее между кубиками есть небольшой зазор размером от 100 до 500 микрон. Чтобы закрыть этот зазор, Оуэнс изготовил небольшое уплотнительное кольцо вокруг каждого впускного и выпускного отверстий в кирпиче.
«Уплотнительное кольцо входит в небольшой круг, вырезанный на поверхности кирпича. Оно предназначено для того, чтобы выступать на определенную величину, поэтому, когда рядом с ним кладется еще один кирпич, оно сжимается и создает надежное гидравлическое уплотнение между кирпичами. Это работает просто за счет кладет один кирпич рядом с другим », — говорит Оуэнс. «Моей целью было сделать его простым в использовании».«Простой способ построить»
Исследователи отмечают всего пару недостатков своего метода. На данный момент они могут изготавливать каналы шириной в десятки микрон.
Однако для некоторых операций с микрофлюидом требуются каналы гораздо меньшего размера, что невозможно сделать с помощью методов микропломбирования. Кроме того, поскольку кирпичи LEGO сделаны из термопластов, они, вероятно, не выдерживают воздействия определенных химикатов, которые иногда используются в микрофлюидных системах.
«Мы экспериментировали с различными покрытиями, которые можно было бы нанести на поверхность, чтобы сделать кирпичи LEGO такими, какие они есть, совместимыми с разными жидкостями», — говорит Оуэнс. «Кубики, подобные LEGO, также могут быть сделаны из других материалов, таких как полимеры с высокой температурной стабильностью и химической стойкостью».На данный момент микрофлюидное устройство на основе LEGO можно использовать для управления биологическими жидкостями и выполнения таких задач, как сортировка клеток, фильтрация жидкостей и инкапсуляция молекул в отдельные капли. В настоящее время команда разрабатывает веб-сайт, который будет содержать информацию о том, как другие могут создавать свои собственные жидкие кубики, используя стандартные детали LEGO.
«Наш метод обеспечивает доступную платформу для создания прототипов микрофлюидных устройств», — говорит Харт. «Если тип устройства, которое вы хотите сделать, и материалы, с которыми вы работаете, подходят для такого рода модульной конструкции, это простой способ создать микрожидкостное устройство для лабораторных исследований».