11 年 2023 月 XNUMX 日 (Nanowerkニュース) MIT の研究者らは、3D プリンティングを使用して自己発熱型マイクロ流体デバイスを製造し、いつか安価でありながら正確な、多くの病気を検出するツールを迅速に作成するために使用できる技術を実証しました。

主要な取り組み

このイノベーションでは、マルチマテリアル押出 3D プリンティングを使用し、生分解性ポリマーと銅ドープ PLA を組み合わせて、流体を正確に加熱できるデバイスを作成します。

この技術により、複雑なマイクロ流体デバイスをワンステップで製造できるようになり、製造にかかるコストと時間が大幅に削減されます。

これらの自己加熱マイクロ流体工学は、高価な実験装置へのアクセスが制限されている遠隔地や開発途上地域にとって特に有益です。

将来の改善には、温度検知の統合や、より幅広い用途向けに高温に耐えられる材料の使用が含まれる可能性があります。

図に示したような自己発熱型マイクロ流体デバイスは、迅速かつ安価に大量に製造できるため、いつか世界の遠隔地の臨床医が高価な実験器具を必要とせずに病気を発見できるようになる可能性がある。 （画像：研究者提供）

リサーチ

マイクロフルイディクス、流体を操作し、化学反応を促進する小型の機械は、血液や体液の微量サンプルに含まれる疾患を検出するために使用できます。 たとえば、新型コロナウイルス感染症の家庭用検査キットには、シンプルなタイプのマイクロ流体が組み込まれています。 しかし、多くのマイクロ流体アプリケーションでは、特定の温度で実行する必要がある化学反応が必要です。 これらのより複雑なマイクロ流体デバイスは通常クリーンルームで製造され、スケールアップが困難な複雑で高価な製造プロセスを使用して金またはプラチナで作られた発熱体が装備されています。 代わりに、MIT チームはマルチマテリアル 19D プリンティングを使用して、単一の安価な製造プロセスを通じて、発熱体を内蔵した自己発熱型マイクロ流体デバイスを作成しました。 彼らは、流体が小さな機械の内部の微細なチャネルを流れるときに、流体を特定の温度まで加熱できるデバイスを開発しました。 彼らの技術はカスタマイズ可能であるため、エンジニアは、デバイスの特定の領域内で流体を特定の温度または特定の加熱プロファイルに加熱するマイクロ流体を作成できます。 低コストの製造プロセスでは、すぐに使用できるマイクロ流体を生成するのに約 3 ドルの材料が必要です。 このプロセスは、臨床医が多くの診断手順に必要な高価な実験器具を利用できない可能性がある発展途上国の僻地で自己加熱マイクロ流体工学を作成する際に特に有用である可能性がある。 「特に、これらのデバイスを通常作成するクリーンルームでは、建設と運営に信じられないほどの費用がかかります。 しかし、付加製造を使用すると、非常に高性能な自己加熱マイクロ流体デバイスを作成でき、これらの従来の方法よりもはるかに高速かつ安価に作成できます。 これはまさに、この技術を民主化する方法です」と、MIT マイクロシステム技術研究所 (MTL) の主任科学者であり、この製造技術を説明する論文の主著者であるルイス フェルナンド ベラスケス ガルシア氏は述べています。 この論文には、電気工学およびコンピュータサイエンスの大学院生で筆頭著者の Jorge Cañada Pérez-Sala も加わっています。 この研究は今月のPowerMEMSカンファレンスで発表される予定です。

絶縁体が導電性になる

この新しい製造プロセスでは、マルチマテリアル押出 3D プリンティングと呼ばれる技術が利用されており、プリンターの多数のノズルから複数の材料を噴射して、デバイスを層ごとに構築できます。 このプロセスはモノリシックであるため、後組み立てを必要とせず、デバイス全体を 3D プリンターで 3 ステップで製造できます。 自己発熱マイクロ流体工学を作成するために、研究者らは 3 つの材料を使用しました。500 つは 400D プリンティングで一般的に使用されるポリ乳酸 (PLA) として知られる生分解性ポリマー、もう XNUMX つは PLA の改良版です。 改良された PLA は銅ナノ粒子をポリマーに混合しており、これによりこの絶縁材料が導電体に変換されるとベラスケス・ガルシア氏は説明します。 この銅ドープ PLA で構成される抵抗器に電流が流されると、エネルギーが熱として放散されます。 「PLA 材料は誘電体であるため、考えてみると驚くべきことですが、これらのナノ粒子不純物を導入すると、物理的特性が完全に変化します。 これはまだ完全には理解されていませんが、実際に起こり、再現可能です」と彼は言います。 研究者らは、マルチマテリアル XNUMXD プリンターを使用して、銅をドープした PLA から発熱抵抗体を製造し、流体が流れる微細なチャネルを備えたマイクロ流体デバイスを XNUMX 回の印刷ステップでその上に直接印刷します。 コンポーネントは同じベース素材から作られているため、印刷温度は同様であり、互換性があります。 抵抗器から放散される熱は、マイクロ流体のチャネルを流れる流体を温めます。 抵抗器とマイクロ流体に加えて、プリンタを使用して、それらの間に挟まれる薄い連続層の PLA を追加します。 この層を製造するのは特に困難です。なぜなら、熱が抵抗器からマイクロ流体に伝達できるように十分に薄くなければなりませんが、流体が抵抗器に漏れるほど薄すぎてはいけないからです。 完成した機械は米国の XNUMX 分の XNUMX ほどの大きさで、数分で製造できます。 幅約 XNUMX マイクロメートル、高さ XNUMX マイクロメートルのチャネルがマイクロ流体を通って流体を運び、化学反応を促進します。 重要なのは、PLA 素材は半透明であるため、デバイス内の液体が見えるままであることです。 多くのプロセスは、化学反応中に何が起こっているかを推測するために視覚化や光の使用に依存しているとベラスケス・ガルシア氏は説明します。

カスタマイズ可能な化学反応器

研究者らは、このワンステップ製造プロセスを使用して、流体が入力と出力の間を流れるときに流体を摂氏 4 度加熱できるプロトタイプを生成しました。 このカスタマイズ可能な技術により、特定のパターンまたは特定の勾配に沿って流体を加熱するデバイスを作成できる可能性があります。 「これら 50 つの材料を使用して、まさに希望どおりの反応を行う化学反応器を作成できます。 マイクロ流体のすべての機能を備えながら、特定の加熱プロファイルを設定できます」と彼は言います。 ただし、PLA は劣化し始める前に摂氏約 90 度までしか加熱できないという事実から、3 つの制限が生じます。 ポリメラーゼ連鎖反応 (PCR) 検査に使用される化学反応など、多くの化学反応では XNUMX 度以上の温度が必要です。 また、デバイスの温度を正確に制御するには、研究者は温度感知を可能にする第 XNUMX の材料を組み込む必要があります。 ベラスケス・ガルシア氏は、将来の研究でこれらの制限に取り組むことに加えて、マイクロ流体デバイスに磁石を直接印刷したいと考えています。 これらの磁石は、粒子の選別や整列を必要とする化学反応を可能にする可能性があります。 同時に、彼と彼の同僚は、より高い温度に到達できる他の材料の使用を模索しています。 彼らはまた、特定の不純物がポリマーに添加されるとなぜ導電性になるのかをよりよく理解するために PLA を研究しています。 「PLAの電気伝導率に関連するメカニズムを理解できれば、これらのデバイスの機能は大幅に向上しますが、他の工学的問題よりも解決するのがはるかに困難になるでしょう。」と彼は付け加えた。 「日本文化では、美しさはシンプルさの中にあるとよく言われます。 この感情は、カニャーダとベラスケス＝ガルシアの作品にも反映されています。 彼らが提案したモノリシックに XNUMXD プリントされたマイクロ流体システムは、シンプルさと美しさを体現しており、将来的に予想される幅広い派生と応用の可能性を提供します」と、慶応義塾大学機械工学部教授の三木典久氏は述べています。この作品。 「流体チャネルと電気的機能を備えたマイクロ流体チップを同時に直接印刷できることにより、バイオマーカーを増幅したり、液体を作動させたり混合したりするなど、生体サンプルを処理する際に非常に魅力的な用途が開かれます。 また、PLA は時間の経過とともに劣化するという事実により、時間の経過とともにチップが溶解および再吸収される埋め込み型アプリケーションも考えることができます」とスウェーデンの KTH 王立工科大学の准教授である Niclas Roxhed 氏は付け加えました。勉強。

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• 情報源： https://www.nanowerk.com/news2/gadget/newsid=64229.php