纤维创新开放的宏微流体的时代

小微流体设备系统与微通道可用于化学或生物医学测试和研究。可能改变游戏规则的进步,麻省理工学院的研究人员现在已经合并成单个纤维微流体系统,使得人们可以处理更大的液体,在更复杂的方法。从某种意义上说,提前打开了一个新的微流体的“宏观”时代。

传统微流体设备,开发和广泛使用在过去的几十年,制造到microchip-like结构和提供混合的方法,分离和测试流体在微观卷。医学测试,只需要一小滴血液,例如,往往依赖于微流体。但这些设备的小型的规模也是限制;例如,他们一般不用于程序需要更大容量的液体检测在微量物质存在。

美国麻省理工大学的一组研究人员发现了一种方法,通过使微流控通道内纤维。纤维可以容纳更大的吞吐量,需要只要和他们提供的控制和灵活性的形状和尺寸通道。描述的新概念是本周在《美国国家科学院学报》上,由麻省理工学院研究生罗杰元,芬克教授乔尔Voldman和尤尔,其他四人。

一个多学科的方法

项目是由于“speedstorming”事件(头脑风暴和闪电约会的混合体,一个想法由教授杰弗里·格罗斯曼)煽动的芬克时,他是麻省理工学院的电子研究实验室主任。活动旨在帮助研究者开发新合作项目,通过对学生和博士后头脑风暴六分钟时间和想出了数以百计的想法在一个小时内,由一个小组排名和评价。在这个特定speedstorming会话,学生在电气工程与其他材料科学与微系统技术开发一个新颖的方法来使用一种新的复合材料纤维细胞分类。

元解释说,尽管微流控技术被广泛开发和广泛用于处理少量的液体,它受到三个固有局限性相关设备的总体规模,他们的通道配置文件,将额外的材料,如电极的困难。

因为他们通常用芯片方法,微流体设备使用的硅晶片的大小是有限的在这样的系统中,不超过8英寸。用于制造这样的芯片和光刻方法限制通道的形状;他们只能有正方形或者矩形横截面。最后,任何额外的材料,如电极传感或操纵频道的内容,必须单独放置的位置在一个单独的过程,严重限制了它们的复杂性。

“硅片技术真的很擅长做矩形概要文件,但除此之外的任何东西都需要专门的技术,”元说,开展工作的关系,他的博士研究的一部分。“他们可以使三角形,但只有在特定角度。”,他和他的团队开发了新的光纤方法,各种各样的横截面形状的通道可以实现,包括明星,十字架,或领结形状可能是有用的为特定的应用程序,如自动分类不同类型的细胞在一个生物样品。

此外,对于传统的微流体元素如传感或加热电线,或压电设备取样流体诱导振动,必须添加在稍后处理阶段。但是他们可以完全集成到新的光纤系统的通道。

萎缩的概要文件

像其他复杂的纤维系统多年来在实验室开发的合著者尤尔芬克,材料科学与工程教授和美国先进的功能性面料(AFFOA)财团,这些纤维是由从一个超大号的聚合物缸预成型。这些预先形成包含所需的确切形状和材料最后纤维,但在更大的形式——这使得他们更容易使非常精确的配置。然后,预成型加热并加载到一滴塔,它是通过喷嘴内涵、慢慢地把它缩小四十分之一粗加工的直径的纤维,同时保留所有的内部形状和安排。

在这个过程中,材料也长了1600倍,这样100 -毫米长(4-inch-long)预成型,例如,变成了一个纤维长160米(约525英尺),因此极大地克服固有的长度限制在当前微流控设备。这可能是至关重要的对于某些应用程序,如检测微观很小的浓度在流体中存在的对象——例如,少量的癌细胞中数以百万计的正常细胞。

“有时候你需要处理很多材料,因为你正在寻找什么是罕见的,“Voldman说,电气工程教授专门从事生物技术。使这种新的光纤微流体技术特别适合这种用途,他说,因为“纤维可以任意长”,允许更多的时间内的液体保持通道并与之交互。

而传统的微流体设备可以长渠道通过一个小芯片上来回循环,由此产生的曲折变化的通道和影响液体流动,而在这些纤维版本可以只要需要,没有形状和方向的变化,允许不间断流动,元说。

系统还允许导电线等电子元件被纳入纤维。这些可以使用例如操纵细胞,细胞利用一种称为双向电泳的方法,以不同的方式影响电场产生两个导电线之间的通道。

与这些导电线的微通道,一个人可以控制电压的部队“推和拉的细胞,你可以在高流速,“Voldman说。

作为一个示范,研究小组制作了一个版本的长水道纤维装置设计成单独的细胞,从生活的坏死细胞分类,证明了它在完成这个任务的效率。随着进一步的发展,他们希望能够执行更微妙的细胞类型之间的歧视,元说。

“对我来说这是一个很好的例子的研究小组在一个跨学科的实验室之间的距离就像RLE导致突破性研究,发起,由一名研究生。我们教师在本质上是拖的学生,”芬克表示。

研究人员强调,他们没有看到新方法代替现在的微流体,这对许多应用程序工作得很好。“这不是为了取代;为了增加“Voldman说,目前的方法,允许一些新功能的特定使用以前是不可能发生的。

“举例跨学科合作的力量,一个新的理解这里来自意想不到的组合制造、材料科学、生物流物理、和微系统设计,”赫尔艾米说,生物工程教授在加州大学伯克利分校,他并没有参与这项研究。她补充说,这项工作“增加了重要的自由度,对纤维截面的几何和材料特性——新兴光纤微流体设计策略。”

这篇文章被转载材料所提供的麻省理工学院。注:材料可能是长度和内容的编辑。为进一步的信息,请联系引用源。

参考:

元,R。李,J。苏,H。莱维E。Khudiyev, T。Voldman, J。芬克&,,y (2018)。微流体结构复合材料纤维。美国国家科学院院刊》上,201809459。doi: 10.1073 / pnas.1809459115