模块化组件使构建三维显微射流”

由于新乐高®——组件由南加州大学维特比工程学院的研究人员现在可以迅速而廉价地建立一个三维微流控系统通过简单的手工一起拍摄小模块。

微流体系统被用在许多领域包括工程,化学和生物技术来精确操纵小体积的液体,用于特定的应用,如酶、DNA分析、病原体检测、临床诊断测试,和合成化学。

传统上,微流控设备都是建立在一个二维表面洁净室使用相同的技术来生产集成电路电子行业。

虽然小,设计、装配和测试一个新的微流体系统可以把大量的时间和金钱。构建单一设备往往需要多个迭代,每个需要两周,几千美元来制造。系统越复杂,所需的迭代次数越高。

“你测试你的设备,它从不工作第一次“Krisna Bhargava说,材料科学在南加州大学维特比工程学院的研究生。“如果你长大成为一个工程师或科学家,你可能受到了乐高®的影响在某种程度上你的童年。我认为每一个科学家都有一个秘密幻想,不管他们建筑将组装一样简单。”

沮丧,复制一个简单的微流控电路可能花了他很多时间和金钱,Bhargava简化施工过程。首先,他确定了原始元素常用在微流控系统中,就像电工电路是如何分解。基本微流控功能可以分为标准化模块化组件,完全不是一个革命性的概念。但是,他抛弃了的二维方法构建微流控设备。

“微流体的创始人字段以同样的方法为半导体行业:尝试在尽可能多的集成结构成一个单一的芯片,“Bhargava解释道。“在电子技术中,这是很重要的,因为一个高密度的晶体管有许多直接和间接的利益计算和信号处理。在微流体,我们的问题不是与比特和象征性的表示,而是与流体的路由方式,结合,混合,和分析;没有必要坚持继续集成越来越多的复杂的设备。”

借贷电子行业的一种方法,它使用原型董事会建立电路,Bhargava构思的三维模块化组件封装的微流体系统的公共元素,以及一个连接器,可以加入一起单独的组件。灵感来自最近的进步在微米尺寸三维打印,他和一个南加州大学维特比工程研究小组,其中包括化学工程和材料科学教授诺亚Malmstadt和生物医学工程研究生科比汤普森,设计计算机模型八模块化射流和仪表组件(MFICs,明显“em-fix”),每执行一个简单的操作。例子是一个“螺旋”组件,可以混合两个液流和一个组件,其中包含一个集成光学传感器测量小水滴的大小。组件构造在这项研究中约1立方厘米,略小于标准的六面骰子。

团队的发展这些MFICs代表第一次尝试设备分解为独立的组件,可以组装,拆卸和重新组装。

“我们看起来更像一个爱好案板,“Malmstadt说。“你可以建立一个电路必须用双手廉价。”

成功的团队属性在制造阶段在高分辨率三维打印最近的进步。

“我们得到了部分从合同制造商和第一次尝试他们比我可以梦想。我们能够构建微流控系统工作的一天,简单点击乐高®街区,走“Bhargava说。

使用3-D-printed MFICs,在几小时内团队能够构建和测试设备,使用螺旋组件和混合流体混合物变成液滴。基本上很长跟踪挤进相同的标准化模块足迹,螺旋组件允许调整流阻或可以作为一种有效的混合机。在微流控系统中,混合以扩散为主,一个复杂的螺旋可以加快这一进程,折叠流体到本身。

”试图控制如何混合在这个领域一直是一个主要问题只是由于流体流动的方式非常小的维度,“Malmstadt解释道。“人们想出了各种办法迂回曲折的渠道来提高混合。我们可以在三维空间的三维螺旋非常简化的事。”

这样的工作的核心科学和工程学的融合在南加州大学,那里的研究人员从两个领域合作创建的工具,使科学突破成为可能。

最近的团队报告他们的发明“离散元素的3 d微流体,”发表在美国国家科学院院刊》上的《美国科学院学报》(PNAS)美国9月22日。也在论文中,研究人员描述了现成的传感器或其它集成组件可以很容易地纳入系统由MFICs,并演示了如何MFICs大小水滴可以准确地说,一个有用的功能药或学习微反应器腔。检测液滴的大小,他们发现一个化工组件产生的结果与这些传统的工具,一个30000美元,加上光学显微镜。

结果是一个极其便宜,标准化,易于使用的组件,这些组件可以快速组装和重新组装成微流体系统只需要时间和成本的一部分目前生产设备来执行相同的操作。

“你退出一切你想要的工作,你测试它,把它贴在一起,“Bhargava说。“如果它不工作,你拉出来的一部分,交换了一些片段,一天内你可能最终设计,然后你可以一起密封系统,让它永久。你有一个巨大的生产力增益和一个巨大的成本优势”。

在过去的20年里,微流体生物技术与工程领域,被认为是一个福音,但尚未标准化或普遍采用的研究人员和更广泛的社区。台技术,通常被称为“芯片实验室”,有可能加快开发和提供的方式在资源匮乏的地区进行高精度的实验。南加州大学维特比工程团队的最终目标是帮助发生。

“MFICs将大大增加生产力的一个研究生,博士后,或实验室技术,使他们能够建立自己的仪器在实验室和自动化工作流程,节省时间和金钱,”Malmstadt说。“我认为它是一个技术方法来阻止短缺——让每一个研究者更强大的让他们做他们自己的自动化而不必mircrofabrication专家或有能力设计复杂的集成设备。”

团队设想一个开放的社区,设计可以通过共享一个开源数据库。他们计划开发组件和希望其他研究人员开始使用MFICs为自己的实验以及有助于开发新的组件和系统,这将有助于加速进步在微流控研究社区。

“人们与微流体技术所做的伟大的事情,但这些模块化组件需要少得多的专业知识,设计和建造一个系统,“Malmstadt说。“走向标准化将意味着更多的人将会使用它,你越增加社区的大小,工具将变得越好。”