Исследователи Массачусетского технологического института использовали 3D-печать для производства самонагревающихся микрофлюидных устройств, продемонстрировав метод, который когда-нибудь можно будет использовать для быстрого создания дешевых, но точных инструментов для обнаружения множества заболеваний.

Микрофлюидика, миниатюрные машины, которые манипулируют жидкостями и ускоряют химические реакции , могут использоваться для обнаружения заболеваний в крошечных образцах крови или жидкостей. Например, наборы для домашнего тестирования на COVID-19 включают в себя простой тип микрофлюидной системы.

Но многие микрофлюидные приложения требуют химических реакций, которые необходимо проводить при определенных температурах. Эти более сложные микрофлюидные устройства , которые обычно производятся в чистом помещении , оснащены нагревательными элементами, изготовленными из золота или платины с использованием сложного и дорогостоящего процесса изготовления, который трудно масштабировать.

Вместо этого команда Массачусетского технологического института использовала 3D-печать из нескольких материалов для создания самонагревающихся микрофлюидных устройств со встроенными нагревательными элементами с помощью единого недорогого производственного процесса. Они создали устройства, которые могут нагревать жидкость до определенной температуры, пока она течет через микроскопические каналы внутри крошечной машины.

Их метод можно настраивать, поэтому инженер может создать микрофлюидную систему, которая нагревает жидкость до определенной температуры или заданного профиля нагрева в определенной области устройства. Недорогой процесс изготовления требует около 2 долларов материалов для создания готового к использованию микрофлюидного устройства.

Этот процесс может быть особенно полезен при создании самонагревающейся микрофлюидики для отдаленных регионов развивающихся стран, где врачи могут не иметь доступа к дорогостоящему лабораторному оборудованию, необходимому для многих диагностических процедур.

«В частности, чистые помещения, где вы обычно изготавливаете эти устройства, невероятно дороги в строительстве и эксплуатации. Но мы можем создавать очень мощные самонагревающиеся микрофлюидные устройства, используя аддитивное производство, и их можно сделать намного быстрее и дешевле, чем с помощью аддитивного производства. «Это действительно способ демократизировать эту технологию», — говорит Луис Фернандо Веласкес-Гарсия, главный научный сотрудник Лабораторий микросистемных технологий Массачусетского технологического института (MTL) и старший автор статьи, описывающей технологию изготовления.

В работе над статьей к нему присоединяется ведущий автор Хорхе Каньяда Перес-Сала, аспирант в области электротехники и информатики. Исследование будет представлено на конференции PowerMEMS в этом месяце.

Изолятор становится проводящим

В этом новом процессе изготовления используется технология, называемая экструзионной 3D-печатью из нескольких материалов, при которой несколько материалов можно пропускать через множество сопел принтера, чтобы слой за слоем построить устройство. Процесс является монолитным, что означает, что все устройство может быть изготовлено за один этап на 3D-принтере без необходимости какой-либо последующей сборки.

Для создания самонагревающейся микрофлюидики исследователи использовали два материала — биоразлагаемый полимер, известный как полимолочная кислота (PLA), который обычно используется в 3D-печати, и модифицированную версию PLA.

В модифицированном PLA к полимеру добавлены наночастицы меди, которые превращают этот изолирующий материал в электрический проводник, объясняет Веласкес-Гарсиа. Когда электрический ток подается на резистор, состоящий из этого легированного медью PLA, энергия рассеивается в виде тепла.

«Когда вы думаете об этом, это удивительно, потому что материал PLA является диэлектриком, но когда вы добавляете эти примеси наночастиц, это полностью меняет физические свойства. Это то, что мы еще не до конца понимаем, но это происходит, и это происходит. повторяемо», — говорит он.

Используя 3D-принтер из нескольких материалов, исследователи изготовляют нагревательный резистор из PLA, легированного медью, а затем печатают микрофлюидное устройство с микроскопическими каналами, через которые может течь жидкость, прямо сверху за один этап печати. Поскольку компоненты изготовлены из одного и того же основного материала, они имеют схожие температуры печати и совместимы.

Тепло, рассеиваемое резистором, будет нагревать жидкость, текущую по каналам микрофлюидной системы.

В дополнение к резистору и микрофлюидной системе они используют принтер для нанесения тонкого непрерывного слоя PLA, зажатого между ними. Изготовить этот слой особенно сложно, поскольку он должен быть достаточно тонким, чтобы тепло могло передаваться от резистора к микрожидкостному устройству, но не настолько тонким, чтобы жидкость могла просачиваться в резистор.

Полученная машина размером примерно с квартал США, и ее можно изготовить за считанные минуты. Каналы шириной около 500 микрометров и высотой 400 микрометров пронизаны микрофлюидной системой для переноса жидкости и облегчения химических реакций.

Важно отметить, что материал PLA полупрозрачен, поэтому жидкость в устройстве остается видимой. Многие процессы основаны на визуализации или использовании света, чтобы понять, что происходит во время химических реакций, объясняет Веласкес-Гарсиа.

Настраиваемые химические реакторы

Исследователи использовали этот одноэтапный производственный процесс для создания прототипа, который мог нагревать жидкость на 4°C, когда она текла между входом и выходом. Эта настраиваемая технология может позволить им создавать устройства, которые будут нагревать жидкости по определенным схемам или по определенным градиентам.

«Вы можете использовать эти два материала для создания химических реакторов, которые будут делать именно то, что вы хотите. Мы можем настроить определенный профиль нагрева, сохраняя при этом все возможности микрофлюидики», — говорит он.

Однако одно ограничение связано с тем, что PLA можно нагреть только до 50°C, прежде чем он начнет разлагаться. Многие химические реакции, например, те, которые используются для тестов полимеразной цепной реакции (ПЦР), требуют температуры 90° или выше. А чтобы точно контролировать температуру устройства, исследователям потребуется интегрировать третий материал, который позволит измерять температуру.

Помимо устранения этих ограничений в будущих работах, Веласкес-Гарсия хочет печатать магниты непосредственно в микрофлюидном устройстве. Эти магниты могут способствовать химическим реакциям, требующим сортировки или выравнивания частиц.

В то же время он и его коллеги изучают возможность использования других материалов, способных достигать более высоких температур. Они также изучают PLA, чтобы лучше понять, почему он становится проводящим при добавлении в полимер определенных примесей.

«Если мы сможем понять механизм, связанный с электропроводностью PLA, это значительно расширит возможности этих устройств, но решить его будет намного сложнее, чем некоторые другие инженерные проблемы», — добавляет он.

«В японской культуре часто говорят, что красота заключается в простоте. Этому мнению вторят работы Каньяды и Веласкеса-Гарсиа. Их предложенные монолитные микрофлюидные системы, напечатанные на 3D-принтере, воплощают простоту и красоту, предлагая широкий спектр потенциальных производных и применений. что мы предвидим в будущем», — говорит Норихиса Мики, профессор машиностроения Университета Кейо в Токио, который не участвовал в этой работе.

«Возможность напрямую печатать микрофлюидные чипы с жидкостными каналами и электрическими функциями одновременно открывает очень интересные применения при обработке биологических образцов, например, для амплификации биомаркеров или для приведения в действие и смешивания жидкостей. Кроме того, из-за того, что PLA разлагается с течением времени, Со временем можно даже подумать об имплантируемых приложениях, где чипы со временем растворяются и рассасываются», — добавляет Никлас Роксхед, доцент шведского Королевского технологического института KTH, который не участвовал в этом исследовании.