11 ديسمبر 2023 (أخبار Nanowerkاستخدم باحثو معهد ماساتشوستس للتكنولوجيا الطباعة ثلاثية الأبعاد لإنتاج أجهزة ميكروفلويديك ذاتية التسخين، مما يدل على تقنية يمكن استخدامها يومًا ما لإنشاء أدوات رخيصة الثمن ودقيقة للكشف عن مجموعة من الأمراض.

الوجبات السريعة الرئيسية

يستخدم هذا الابتكار طباعة ثلاثية الأبعاد متعددة المواد، تجمع بين البوليمر القابل للتحلل الحيوي مع مادة PLA المطلية بالنحاس لإنشاء أجهزة يمكنها تسخين السوائل بدقة.

تتيح هذه التقنية إنتاج أجهزة ميكروفلويديك معقدة في خطوة واحدة، مما يقلل بشكل كبير من التكلفة والوقت الذي يستغرقه التصنيع.

تعتبر هذه الموائع الدقيقة ذاتية التسخين مفيدة بشكل خاص للمناطق النائية أو النامية، حيث يكون الوصول إلى معدات المختبرات باهظة الثمن محدودًا.

قد تشمل التحسينات المستقبلية دمج استشعار درجة الحرارة واستخدام المواد التي يمكنها تحمل درجات الحرارة المرتفعة لمجموعة واسعة من التطبيقات.

يمكن تصنيع أجهزة الموائع الدقيقة ذاتية التسخين، مثل تلك الموضحة، بسرعة وبتكلفة زهيدة وبأعداد كبيرة، ويمكن أن تساعد يومًا ما الأطباء في المناطق النائية من العالم على اكتشاف الأمراض دون الحاجة إلى معدات مختبرية باهظة الثمن. (الصورة: بإذن من الباحثين)

البحث

الموائع الدقيقةيمكن استخدام الآلات المصغرة التي تتعامل مع السوائل وتسهيل التفاعلات الكيميائية للكشف عن المرض في عينات صغيرة من الدم أو السوائل. على سبيل المثال، تشتمل مجموعات الاختبار المنزلية لفيروس كوفيد-19 على نوع بسيط من الموائع الدقيقة. لكن العديد من تطبيقات الموائع الدقيقة تتطلب تفاعلات كيميائية يجب إجراؤها عند درجات حرارة محددة. يتم تجهيز هذه الأجهزة الدقيقة الأكثر تعقيدًا، والتي يتم تصنيعها عادةً في غرفة نظيفة، بعناصر تسخين مصنوعة من الذهب أو البلاتين باستخدام عملية تصنيع معقدة ومكلفة يصعب توسيع نطاقها. وبدلاً من ذلك، استخدم فريق معهد ماساتشوستس للتكنولوجيا الطباعة ثلاثية الأبعاد متعددة المواد لإنشاء أجهزة موائع جزيئية ذاتية التسخين مع عناصر تسخين مدمجة، من خلال عملية تصنيع واحدة وغير مكلفة. لقد أنتجوا أجهزة يمكنها تسخين السائل إلى درجة حرارة معينة أثناء تدفقه عبر قنوات مجهرية داخل الآلة الصغيرة. إن تقنيتهم ​​قابلة للتخصيص، بحيث يمكن للمهندس إنشاء ميكروفلويديك يسخن السائل إلى درجة حرارة معينة أو ملف تسخين معين داخل منطقة معينة من الجهاز. تتطلب عملية التصنيع منخفضة التكلفة حوالي 3 دولار من المواد لإنشاء موائع جزيئية جاهزة للاستخدام. يمكن أن تكون هذه العملية مفيدة بشكل خاص في إنشاء موائع دقيقة ذاتية التسخين للمناطق النائية في البلدان النامية، حيث قد لا يتمكن الأطباء من الوصول إلى معدات المختبرات باهظة الثمن المطلوبة للعديد من الإجراءات التشخيصية. "الغرف النظيفة على وجه الخصوص، حيث تصنع عادة هذه الأجهزة، مكلفة بشكل لا يصدق في البناء والتشغيل. ولكن يمكننا صنع أجهزة موائع جزيئية ذاتية التسخين قادرة جدًا باستخدام التصنيع الإضافي، ويمكن تصنيعها بشكل أسرع وأرخص كثيرًا من هذه الطرق التقليدية. يقول لويس فرناندو فيلاسكيز غارسيا، العالم الرئيسي في مختبرات تكنولوجيا الأنظمة الدقيقة (MTL) التابعة لمعهد ماساتشوستس للتكنولوجيا (MTL)، وكبير مؤلفي ورقة بحثية تصف تقنية التصنيع: "إنها حقًا طريقة لإضفاء الطابع الديمقراطي على هذه التكنولوجيا". وانضم إليه في هذه الورقة المؤلف الرئيسي خورخي كانيادا بيريز سالا، وهو طالب دراسات عليا في الهندسة الكهربائية وعلوم الكمبيوتر. سيتم تقديم البحث في مؤتمر PowerMEMS هذا الشهر.

يصبح العازل موصلا

تستخدم عملية التصنيع الجديدة هذه تقنية تسمى الطباعة ثلاثية الأبعاد بالبثق متعدد المواد، حيث يمكن رش العديد من المواد من خلال فتحات الطابعة العديدة لبناء جهاز طبقة بعد طبقة. العملية متجانسة، مما يعني أنه يمكن إنتاج الجهاز بأكمله في خطوة واحدة على الطابعة ثلاثية الأبعاد، دون الحاجة إلى أي تجميع لاحق. لإنشاء موائع دقيقة ذاتية التسخين، استخدم الباحثون مادتين - بوليمر قابل للتحلل يُعرف باسم حمض البولي لاكتيك (PLA) الذي يشيع استخدامه في الطباعة ثلاثية الأبعاد، ونسخة معدلة من PLA. ويوضح فيلاسكيز غارسيا أن PLA المعدل يحتوي على جزيئات نحاسية نانوية مختلطة مع البوليمر، الذي يحول هذه المادة العازلة إلى موصل كهربائي. عندما يتم تغذية تيار كهربائي إلى مقاومة مكونة من PLA المغطى بالنحاس، تتبدد الطاقة على شكل حرارة. "إنه لأمر مدهش عندما تفكر في الأمر لأن مادة PLA هي مادة عازلة للكهرباء، ولكن عندما تضع شوائب الجسيمات النانوية هذه، فإنها تغير الخصائص الفيزيائية تمامًا. وهذا شيء لم نفهمه بالكامل بعد، لكنه يحدث وقابل للتكرار. باستخدام طابعة ثلاثية الأبعاد متعددة المواد، يقوم الباحثون بتصنيع مقاوم تسخين من PLA المطلي بالنحاس، ثم يطبعون جهاز الموائع الدقيقة، مع قنوات مجهرية يمكن أن يتدفق من خلالها السائل، مباشرة في الأعلى في خطوة طباعة واحدة. نظرًا لأن المكونات مصنوعة من نفس المادة الأساسية، فإنها تتمتع بدرجات حرارة طباعة مماثلة ومتوافقة. ستؤدي الحرارة المتبددة من المقاوم إلى تسخين السائل المتدفق عبر القنوات الموجودة في الموائع الدقيقة. بالإضافة إلى المقاوم والموائع الدقيقة، يستخدمون الطابعة لإضافة طبقة رقيقة ومستمرة من PLA المحصورة بينهما. من الصعب بشكل خاص تصنيع هذه الطبقة لأنها يجب أن تكون رقيقة بدرجة كافية حتى تتمكن الحرارة من الانتقال من المقاوم إلى الموائع الدقيقة، ولكن ليست رقيقة جدًا بحيث يمكن أن يتسرب السائل إلى المقاوم. يبلغ حجم الآلة الناتجة حوالي ربع الولايات المتحدة ويمكن إنتاجها في غضون دقائق. يتم تمرير قنوات يبلغ عرضها حوالي 3 ميكرومتر وطولها 3 ميكرومتر عبر الموائع الدقيقة لنقل السوائل وتسهيل التفاعلات الكيميائية. والأهم من ذلك، أن مادة PLA شفافة، لذلك يظل السائل الموجود في الجهاز مرئيًا. توضح فيلاسكيز غارسيا أن العديد من العمليات تعتمد على التصور أو استخدام الضوء لاستنتاج ما يحدث أثناء التفاعلات الكيميائية.

مفاعلات كيميائية قابلة للتخصيص

استخدم الباحثون عملية التصنيع المكونة من خطوة واحدة لإنشاء نموذج أولي يمكنه تسخين السائل بمقدار 4 درجات مئوية أثناء تدفقه بين المدخلات والمخرجات. يمكن لهذه التقنية القابلة للتخصيص أن تمكنهم من صنع أجهزة يمكنها تسخين السوائل بأنماط معينة أو على طول تدرجات محددة. "يمكنك استخدام هاتين المادتين لإنشاء مفاعلات كيميائية تفعل ما تريد بالضبط. يمكننا إعداد ملف تسخين خاص مع الحفاظ على جميع إمكانيات الموائع الدقيقة. ومع ذلك، فإن أحد القيود يأتي من حقيقة أنه لا يمكن تسخين PLA إلا إلى حوالي 50 درجة مئوية قبل أن يبدأ في التحلل. تتطلب العديد من التفاعلات الكيميائية، مثل تلك المستخدمة في اختبارات تفاعل البوليميراز المتسلسل (PCR)، درجات حرارة تصل إلى 90 درجة أو أعلى. وللتحكم بدقة في درجة حرارة الجهاز، سيحتاج الباحثون إلى دمج مادة ثالثة تمكن من استشعار درجة الحرارة. بالإضافة إلى معالجة هذه القيود في العمل المستقبلي، يريد فيلاسكيز جارسيا طباعة المغناطيس مباشرة في جهاز الموائع الدقيقة. يمكن لهذه المغناطيسات أن تمكن التفاعلات الكيميائية التي تتطلب فرز الجزيئات أو محاذاةها. وفي الوقت نفسه، يقوم هو وزملاؤه باستكشاف استخدام مواد أخرى يمكن أن تصل إلى درجات حرارة أعلى. إنهم يدرسون أيضًا PLA لفهم سبب كونه موصلًا بشكل أفضل عند إضافة شوائب معينة إلى البوليمر. ويضيف: "إذا تمكنا من فهم الآلية المرتبطة بالتوصيل الكهربائي لـ PLA، فإن ذلك من شأنه أن يعزز بشكل كبير قدرة هذه الأجهزة، لكن حلها سيكون أصعب بكثير من حل بعض المشكلات الهندسية الأخرى". "في الثقافة اليابانية، يقال غالبًا أن الجمال يكمن في البساطة. وقد ردد هذا الشعور عمل كندا وفيلاسكيز جارسيا. يقول نوريهيسا ميكي، أستاذ الهندسة الميكانيكية في جامعة كيو في طوكيو، والذي لم يشارك في المشروع: "إن أنظمة الموائع الدقيقة المقترحة والمطبوعة ثلاثية الأبعاد تجسد البساطة والجمال، وتقدم مجموعة واسعة من الاشتقاقات والتطبيقات المحتملة التي نتوقعها في المستقبل". هذا العمل. "إن القدرة على طباعة رقائق الموائع الدقيقة مباشرة باستخدام قنوات الموائع والميزات الكهربائية في نفس الوقت تفتح تطبيقات رائعة للغاية عند معالجة العينات البيولوجية، مثل تضخيم المؤشرات الحيوية أو تنشيط السوائل وخلطها. ويضيف نيكلاس روكسهيد، الأستاذ المشارك في معهد KTH الملكي للتكنولوجيا في السويد، والذي لم يشارك في هذا المشروع: "نظرًا لحقيقة أن PLA يتحلل بمرور الوقت، يمكن للمرء حتى التفكير في التطبيقات القابلة للزرع حيث تذوب الرقائق ويعاد امتصاصها بمرور الوقت". يذاكر.

• محتوى مدعوم من تحسين محركات البحث وتوزيع العلاقات العامة. تضخيم اليوم.
• PlatoData.Network Vertical Generative Ai. تمكين نفسك. الوصول هنا.
• أفلاطونايستريم. ذكاء Web3. تضخيم المعرفة. الوصول هنا.
• أفلاطون كربون، كلينتك ، الطاقة، بيئة، شمسي، إدارة المخلفات. الوصول هنا.
• أفلاطون هيلث. التكنولوجيا الحيوية وذكاء التجارب السريرية. الوصول هنا.
• المصدر https://www.nanowerk.com/news2/gadget/newsid=64229.php