11 december 2023 (Nanowerk Nieuws) MIT-onderzoekers hebben 3D-printen gebruikt om zelfverwarmende microfluïdische apparaten te produceren, waarmee ze een techniek demonstreren die ooit zou kunnen worden gebruikt om snel goedkope, maar nauwkeurige hulpmiddelen te maken om een ​​groot aantal ziekten op te sporen.

Key Takeaways

Deze innovatie maakt gebruik van multimateriaal extrusie 3D-printen, waarbij een biologisch afbreekbaar polymeer wordt gecombineerd met met koper gedoteerd PLA om apparaten te creëren die vloeistoffen nauwkeurig kunnen verwarmen.

De techniek maakt de productie van complexe microfluïdische apparaten in één stap mogelijk, waardoor de kosten en tijd die bij de productie betrokken zijn aanzienlijk worden verminderd.

Deze zelfverwarmende microfluïdica zijn vooral gunstig voor afgelegen of ontwikkelingsgebieden, waar de toegang tot dure laboratoriumapparatuur beperkt is.

Toekomstige verbeteringen kunnen onder meer de integratie van temperatuurdetectie omvatten en het gebruik van materialen die bestand zijn tegen hogere temperaturen voor een breder scala aan toepassingen.

De zelfverwarmende microfluïdische apparaten, zoals het getoonde apparaat, kunnen snel en goedkoop in grote aantallen worden gemaakt en kunnen op een dag artsen in afgelegen delen van de wereld helpen ziekten op te sporen zonder de noodzaak van dure laboratoriumapparatuur. (Afbeelding: met dank aan de onderzoekers)

Het Onderzoek

Microfluïdica, geminiaturiseerde machines die vloeistoffen manipuleren en chemische reacties vergemakkelijken, kunnen worden gebruikt om ziekten op te sporen in kleine bloed- of vloeistoffenmonsters. Thuistestkits voor Covid-19 bevatten bijvoorbeeld een eenvoudig type microfluïdicum. Maar veel microfluïdische toepassingen vereisen chemische reacties die bij specifieke temperaturen moeten worden uitgevoerd. Deze complexere microfluïdische apparaten, die doorgaans in een cleanroom worden vervaardigd, zijn uitgerust met verwarmingselementen gemaakt van goud of platina met behulp van een ingewikkeld en duur fabricageproces dat moeilijk op te schalen is. In plaats daarvan gebruikte het MIT-team multimateriaal 3D-printen om zelfverwarmende microfluïdische apparaten met ingebouwde verwarmingselementen te creëren, via een enkel, goedkoop productieproces. Ze ontwikkelden apparaten die vloeistof tot een specifieke temperatuur kunnen verwarmen terwijl deze door microscopisch kleine kanalen in de kleine machine stroomt. Hun techniek is aanpasbaar, zodat een ingenieur een microfluïdum kan maken dat vloeistof tot een bepaalde temperatuur of een bepaald verwarmingsprofiel verwarmt binnen een specifiek gebied van het apparaat. Het goedkope fabricageproces vereist ongeveer $ 2 aan materialen om een ​​kant-en-klaar microfluïdicum te genereren. Het proces zou vooral nuttig kunnen zijn bij het creëren van zelfverwarmende microfluïdica voor afgelegen gebieden van ontwikkelingslanden waar artsen mogelijk geen toegang hebben tot de dure laboratoriumapparatuur die nodig is voor veel diagnostische procedures. “Vooral schone ruimtes, waar je deze apparaten normaal gesproken maakt, zijn ongelooflijk duur om te bouwen en te gebruiken. Maar we kunnen zeer capabele zelfverwarmende microfluïdische apparaten maken met behulp van additieve productie, en ze kunnen een stuk sneller en goedkoper worden gemaakt dan met deze traditionele methoden. Dit is echt een manier om deze technologie te democratiseren”, zegt Luis Fernando Velásquez-García, hoofdwetenschapper bij MIT's Microsystems Technology Laboratories (MTL) en senior auteur van een artikel waarin de fabricagetechniek wordt beschreven. Hij wordt op het artikel vergezeld door hoofdauteur Jorge Cañada Pérez-Sala, een afgestudeerde student elektrotechniek en computerwetenschappen. Het onderzoek wordt deze maand gepresenteerd op de PowerMEMS-conferentie.

Een isolator wordt geleidend

Dit nieuwe fabricageproces maakt gebruik van een techniek die multimateriaal extrusie 3D-printen wordt genoemd, waarbij verschillende materialen door de vele spuitmonden van de printer kunnen worden gespoten om laag voor laag een apparaat op te bouwen. Het proces is monolithisch, wat betekent dat het hele apparaat in één stap op de 3D-printer kan worden geproduceerd, zonder dat er namontage nodig is. Om zelfverwarmende microfluïdica te creëren, gebruikten de onderzoekers twee materialen: een biologisch afbreekbaar polymeer bekend als polymelkzuur (PLA) dat vaak wordt gebruikt bij 3D-printen, en een aangepaste versie van PLA. Het gemodificeerde PLA heeft koperen nanodeeltjes in het polymeer gemengd, dat dit isolatiemateriaal omzet in een elektrische geleider, legt Velásquez-García uit. Wanneer elektrische stroom wordt toegevoerd aan een weerstand die is samengesteld uit dit met koper gedoteerde PLA, wordt energie gedissipeerd als warmte. “Het is verbazingwekkend als je erover nadenkt, want het PLA-materiaal is een diëlektricum, maar als je deze nanodeeltjes-onzuiverheden erin stopt, veranderen de fysieke eigenschappen volledig. Dit begrijpen we nog niet helemaal, maar het gebeurt en het is herhaalbaar”, zegt hij. Met behulp van een multimateriaal 3D-printer fabriceren de onderzoekers een verwarmingsweerstand uit het met koper gedoteerde PLA en printen vervolgens het microfluïdische apparaat, met microscopische kanalen waardoor vloeistof kan stromen, er in één printstap direct bovenop. Omdat de componenten van hetzelfde basismateriaal zijn gemaakt, hebben ze vergelijkbare printtemperaturen en zijn ze compatibel. Door de weerstand afgevoerde warmte zal de vloeistof die door de kanalen in de microfluïdische vloeistof stroomt, opwarmen. Naast de weerstand en microfluïdica gebruiken ze de printer om een ​​dunne, doorlopende laag PLA toe te voegen die ertussen zit. Het is vooral een uitdaging om deze laag te vervaardigen, omdat deze dun genoeg moet zijn zodat warmte kan worden overgedragen van de weerstand naar de microfluïdische laag, maar niet zo dun dat vloeistof in de weerstand kan lekken. De resulterende machine is ongeveer zo groot als een kwart van de VS en kan binnen enkele minuten worden geproduceerd. Kanalen van ongeveer 500 micrometer breed en 400 micrometer hoog worden door het microfluïdum geleid om vloeistof te transporteren en chemische reacties te vergemakkelijken. Belangrijk is dat het PLA-materiaal doorschijnend is, waardoor vloeistof in het apparaat zichtbaar blijft. Veel processen zijn afhankelijk van visualisatie of het gebruik van licht om af te leiden wat er gebeurt tijdens chemische reacties, legt Velásquez-García uit.

Aanpasbare chemische reactoren

De onderzoekers gebruikten dit productieproces in één stap om een ​​prototype te genereren dat vloeistof met 4 graden Celsius kon verwarmen terwijl het tussen de invoer en de uitvoer stroomde. Deze aanpasbare techniek zou hen in staat kunnen stellen apparaten te maken die vloeistoffen in bepaalde patronen of langs specifieke gradiënten zouden verwarmen. “Met deze twee materialen kun je chemische reactoren maken die precies doen wat jij wilt. We kunnen een bepaald verwarmingsprofiel instellen en toch over alle mogelijkheden van microfluïdica beschikken”, zegt hij. Eén beperking komt echter voort uit het feit dat PLA slechts tot ongeveer 50 graden Celsius kan worden verwarmd voordat het begint af te breken. Veel chemische reacties, zoals die worden gebruikt voor polymerasekettingreactietests (PCR), vereisen temperaturen van 90 graden of hoger. En om de temperatuur van het apparaat nauwkeurig te kunnen controleren, zouden onderzoekers een derde materiaal moeten integreren dat temperatuurmeting mogelijk maakt. Naast het aanpakken van deze beperkingen in toekomstig werk, wil Velásquez-García magneten rechtstreeks in het microfluïdische apparaat printen. Deze magneten kunnen chemische reacties mogelijk maken waarbij deeltjes moeten worden gesorteerd of uitgelijnd. Tegelijkertijd onderzoeken hij en zijn collega's het gebruik van andere materialen die hogere temperaturen kunnen bereiken. Ze bestuderen ook PLA om beter te begrijpen waarom het geleidend wordt als bepaalde onzuiverheden aan het polymeer worden toegevoegd. "Als we het mechanisme kunnen begrijpen dat verband houdt met de elektrische geleidbaarheid van PLA, zou dat de mogelijkheden van deze apparaten enorm vergroten, maar het zal een stuk moeilijker op te lossen zijn dan sommige andere technische problemen", voegt hij eraan toe. “In de Japanse cultuur wordt vaak gezegd dat schoonheid in eenvoud schuilt. Dit sentiment wordt weerspiegeld in het werk van Cañada en Velasquez-Garcia. Hun voorgestelde monolithisch 3D-geprinte microfluïdische systemen belichamen eenvoud en schoonheid en bieden een breed scala aan potentiële afleidingen en toepassingen die we in de toekomst voorzien”, zegt Norihisa Miki, hoogleraar werktuigbouwkunde aan de Keio Universiteit in Tokio, die niet betrokken was bij dit werk. “Het direct printen van microfluïdische chips met vloeistofkanalen en elektrische kenmerken opent tegelijkertijd zeer opwindende toepassingen bij het verwerken van biologische monsters, zoals het versterken van biomarkers of het aandrijven en mengen van vloeistoffen. En vanwege het feit dat PLA in de loop van de tijd afbreekt, kun je zelfs implanteerbare toepassingen bedenken waarbij de chips in de loop van de tijd oplossen en resorberen”, voegt Niclas Roxhed toe, universitair hoofddocent aan het Zweedse KTH Royal Institute of Technology, die hier niet bij betrokken was. studie.

• Door SEO aangedreven content en PR-distributie. Word vandaag nog versterkt.
• PlatoData.Network Verticale generatieve AI. Versterk jezelf. Toegang hier.
• PlatoAiStream. Web3-intelligentie. Kennis versterkt. Toegang hier.
• PlatoESG. carbon, CleanTech, Energie, Milieu, Zonne, Afvalbeheer. Toegang hier.
• Plato Gezondheid. Intelligentie op het gebied van biotech en klinische proeven. Toegang hier.
• Bron: https://www.nanowerk.com/news2/gadget/newsid=64229.php