微流体设备是具有微观通道的微小系统

2019-09-06 17:02 Admin

  微流体设备是具有微观通道的微小系统,可用于化学或生物医学测试和研究。在可能改变游戏规则的进步中,麻省理工学院的研究人员现已将微流体系统整合到单根纤维中,从而可以以更复杂的方式处理更大量的流体。从某种意义上说,这一进步开启了微流体学的一个新的“宏观”时代。

  在过去的几十年中广泛开发和使用的传统微流体装置被制造在微芯片状结构上,并提供以微观体积混合,分离和测试流体的方法。例如,仅需要微小血液的医学测试通常依赖于微流体。但这些设备的小规模也存在局限性; 例如,它们通常对于需要较大体积的液体以检测微量存在的物质的程序是无用的。

  麻省理工学院的一个研究小组通过在纤维内部制造微流体通道找到了解决方法。纤维可根据需要制造,以适应更大的产量,并且它们对通道的形状和尺寸提供了很好的控制和灵活性。本周出现在麻省理工学院研究生Rodger Yuan,教授Joel Voldman和Yoel Fink以及其他四位成员撰写的“美国国家科学院院刊”上的一篇论文中描述了这一新概念。

  该项目是由于Fink在担任麻省理工学院电子研究实验室主任时发起的“快速发展”活动(由Jeffrey Grossman教授发起的一个由头脑风暴和速度约会组成的混合物)的结果。这些活动旨在帮助研究人员开发新的合作项目,让成对的学生和博士后一次集体讨论六分钟,并在一小时内提出数百个想法,由专家组进行排名和评估。在这个特定的速度会议中,电气工程专业的学生与材料科学和微系统技术的其他人一起开发了一种使用新型多材料纤维进行细胞分选的新方法。

  Yuan解释说,尽管微流体技术已被广泛开发并广泛用于处理少量液体,但它受到与器件的整体尺寸,通道外形以及难以引入诸如电极之类的附加材料相关的三个固有限制。

  因为它们通常使用芯片制造方法制造,所以微流体装置限于这种系统中使用的硅晶片的尺寸,其不超过约8英寸宽。并且用于制造这种芯片的光刻方法限制了通道的形状; 它们只能有正方形或矩形截面。最后,任何其他材料,例如用于感测或操纵通道内容物的电极,必须在单独的过程中单独放置到位,严重限制了它们的复杂性。

  “硅片技术非常擅长制作矩形型材,但除此之外的任何东西都需要非常专业的技术,”袁说,他将这项工作作为博士研究的一部分。“它们可以制作三角形,但只能使用某些特定的角度。” 通过他和他的团队开发的基于光纤的新方法,可以实现通道的各种横截面形状,包括可能对特定应用有用的星形,十字形或蝴蝶结形状,例如自动分类不同类型的生物样品中的细胞。

  另外,对于传统的微流体,必须在稍后的处理阶段添加诸如感测或加热线的元件,或用于在采样流体中引起振动的压电装置。但它们可以完全集成到新光纤系统的通道中。

  与多年来在共同作者Yoel Fink,材料科学与工程教授,美国先进功能织物(AFFOA)联盟负责人的实验室中开发的其他复杂纤维系统一样,这些纤维是从超大聚合物圆筒开始制造的。叫做预制棒。这些预制件包含最终纤维所需的精确形状和材料,但形状更大 - 这使得它们在非常精确的配置中更容易制造。然后,将预制棒加热并装入滴塔中,然后将其缓慢地拉过喷嘴,将喷嘴缩小到预制棒直径的四十分之一的窄纤维,同时保留所有内部形状和排列。

  在这个过程中,材料也被拉长了1,600倍,因此,例如,100毫米长(4英寸长)的预制棒变成160米长(约525英尺)的纤维,从而大大克服目前微流体装置固有的长度限制。这对于一些应用是至关重要的,例如检测在流体中以非常小的浓度存在的微观物体 - 例如,数百万正常细胞中的少量癌细胞。

  “有时候你需要处理很多材料,因为你所寻找的东西很少见,”专门研究生物微技术的电气工程教授沃德曼说。他说,这使得这种新的基于纤维的微流体技术特别适合这种用途,因为“纤维可以任意长,”允许更多的时间让液体留在通道内并与之相互作用。

  虽然传统的微流体装置可以通过在小芯片上来回循环来制造长通道,但是由此产生的曲折和转弯会改变通道的轮廓并影响液体流动的方式,而在光纤版本中,这些可以根据需要制造。袁说,没有形状或方向的变化,允许不间断的流动。

  该系统还允许诸如导电线的电子部件结合到光纤中。这些可以用于例如使用称为介电电泳的方法操纵细胞,其中细胞受到在通道侧面上的两根导线之间产生的电场的不同影响。

  Voldman说,利用微通道中的这些导线,可以控制电压,因此力“推动和拉动电池,你可以在高流速下进行”。

  作为演示,该团队制作了一个长通道光纤设备的版本,旨在分离细胞,将死细胞与活细胞分类,并证明其完成这项任务的效率。袁说,随着进一步的发展,他们希望能够在细胞类型之间进行更微妙的区分。

  “对我来说,这是一个很好的例子,说明像RLE这样的跨学科实验室的研究小组之间的接近程度如何导致研究生发起和领导的开创性研究。我们的教师基本上被我们的学生所拖累,”芬克说。

  研究人员强调,他们没有将新方法视为现有微流体的替代品,这种方法在许多应用中都能很好地发挥作用。Voldman说:“它并不意味着要取代它;它意味着要增加”现有方法,允许一些以前无法实现的特定用途的新功能。