11 Aralık 2023 (Nanowerk HaberleriMIT araştırmacıları, kendi kendine ısınan mikroakışkan cihazlar üretmek için 3D baskıyı kullandılar ve bu, bir gün birçok hastalığı tespit etmek için hızlı bir şekilde ucuz ama doğru araçlar oluşturmak için kullanılabilecek bir tekniği ortaya koydu.

Önemli Noktalar

Bu yenilik, sıvıları hassas bir şekilde ısıtabilen cihazlar oluşturmak için biyolojik olarak parçalanabilen bir polimeri bakır katkılı PLA ile birleştiren çok malzemeli ekstrüzyon 3D baskıyı kullanıyor.

Bu teknik, karmaşık mikroakışkan cihazların tek adımda üretilmesine olanak tanıyarak üretim maliyetini ve süresini önemli ölçüde azaltır.

Kendiliğinden ısınan bu mikroakışkanlar, pahalı laboratuvar ekipmanlarına erişimin sınırlı olduğu uzak veya gelişmekte olan alanlar için özellikle faydalıdır.

Gelecekteki iyileştirmeler arasında sıcaklık algılamanın entegre edilmesi ve daha geniş bir uygulama yelpazesi için daha yüksek sıcaklıklara dayanabilecek malzemelerin kullanılması yer alabilir.

Gösterilen gibi kendi kendine ısınan mikroakışkan cihazlar, çok sayıda hızlı ve ucuz bir şekilde üretilebilir ve bir gün dünyanın uzak yerlerindeki klinisyenlerin, pahalı laboratuvar ekipmanlarına ihtiyaç duymadan hastalıkları tespit etmelerine yardımcı olabilir. (Resim: Araştırmacıların izniyle)

Araştırma

MikroakiskanSıvıları manipüle eden ve kimyasal reaksiyonları kolaylaştıran minyatür makineler, çok küçük kan veya sıvı numunelerindeki hastalıkları tespit etmek için kullanılabilir. Örneğin, Kovid-19 için evdeki test kitleri basit bir tür mikroakışkan içerir. Ancak birçok mikroakışkan uygulama, belirli sıcaklıklarda gerçekleştirilmesi gereken kimyasal reaksiyonlar gerektirir. Tipik olarak temiz bir odada üretilen bu daha karmaşık mikroakışkan cihazlar, ölçeği büyütülmesi zor, karmaşık ve pahalı bir üretim süreci kullanılarak altın veya platinden yapılmış ısıtma elemanlarıyla donatılmıştır. Bunun yerine MIT ekibi, tek ve ucuz bir üretim süreci aracılığıyla, yerleşik ısıtma elemanlarına sahip, kendiliğinden ısınan mikroakışkan cihazlar oluşturmak için çok malzemeli 3D baskıyı kullandı. Küçük makinenin içindeki mikroskobik kanallardan akan sıvıyı belirli bir sıcaklığa ısıtabilen cihazlar ürettiler. Teknikleri özelleştirilebilir; böylece bir mühendis, sıvıyı belirli bir sıcaklığa veya cihazın belirli bir alanı içindeki belirli bir ısıtma profiline kadar ısıtan bir mikroakışkan oluşturabilir. Düşük maliyetli üretim süreci, kullanıma hazır bir mikroakışkan oluşturmak için yaklaşık 2 dolarlık malzeme gerektirir. Süreç, özellikle klinisyenlerin birçok teşhis prosedürü için gerekli olan pahalı laboratuvar ekipmanına erişemediği, gelişmekte olan ülkelerin uzak bölgeleri için kendiliğinden ısınan mikroakışkanların oluşturulmasında yararlı olabilir. “Özellikle bu cihazları genellikle yaptığınız temiz odaların inşası ve çalıştırılması inanılmaz derecede pahalıdır. Ancak eklemeli üretim kullanarak çok yetenekli, kendiliğinden ısınan mikroakışkan cihazlar yapabiliriz ve bunlar, bu geleneksel yöntemlere göre çok daha hızlı ve daha ucuz yapılabilir. Bu gerçekten de bu teknolojiyi demokratikleştirmenin bir yolu” diyor MIT Mikrosistem Teknoloji Laboratuvarlarında (MTL) baş bilim insanı ve üretim tekniğini açıklayan bir makalenin kıdemli yazarı Luis Fernando Velásquez-García. Makalede kendisine elektrik mühendisliği ve bilgisayar bilimleri yüksek lisans öğrencisi olan baş yazar Jorge Cañada Pérez-Sala da eşlik ediyor. Araştırma bu ay PowerMEMS Konferansında sunulacak.

Yalıtkan iletken hale gelir

Bu yeni üretim sürecinde, çok malzemeli ekstrüzyon 3D baskı adı verilen bir teknik kullanılıyor; bu teknikte, katman katman bir cihaz oluşturmak için çeşitli malzemelerin yazıcının birçok püskürtme ucu aracılığıyla fışkırtılması mümkün oluyor. İşlem monolitiktir; bu, tüm cihazın herhangi bir sonradan montaja gerek kalmadan 3D yazıcıda tek adımda üretilebileceği anlamına gelir. Kendi kendine ısınan mikroakışkanlar oluşturmak için araştırmacılar iki malzeme kullandılar: 3D baskıda yaygın olarak kullanılan polilaktik asit (PLA) olarak bilinen biyolojik olarak parçalanabilen bir polimer ve PLA'nın değiştirilmiş bir versiyonu. Velásquez-García, modifiye edilmiş PLA'nın polimere bakır nanoparçacıkları karıştırdığını ve bu yalıtım malzemesini bir elektrik iletkenine dönüştürdüğünü açıklıyor. Bu bakır katkılı PLA'dan oluşan bir rezistöre elektrik akımı beslendiğinde enerji, ısı olarak dağılır. "Düşündüğünüzde bu şaşırtıcı çünkü PLA malzemesi bir dielektriktir, ancak bu nanoparçacık safsızlıklarını kattığınızda fiziksel özellikleri tamamen değiştiriyor. Bu henüz tam olarak anlayamadığımız bir şey ama oluyor ve tekrarlanabilir” diyor. Araştırmacılar, çok malzemeli bir 3D yazıcı kullanarak, bakır katkılı PLA'dan bir ısıtma direnci üretiyor ve ardından tek bir baskı adımında, içinden sıvının akabileceği mikroskobik kanallara sahip mikroakışkan cihazı doğrudan üstüne basıyor. Bileşenler aynı temel malzemeden yapıldığından benzer baskı sıcaklıklarına sahiptirler ve uyumludurlar. Dirençten yayılan ısı, mikroakışkandaki kanallardan akan sıvıyı ısıtacaktır. Direnç ve mikroakışkanlara ek olarak, yazıcıyı aralarına sıkıştırılmış ince, sürekli bir PLA katmanı eklemek için kullanıyorlar. Bu katmanın üretilmesi özellikle zordur çünkü ısının dirençten mikroakışkana aktarılabilmesi için yeterince ince olması gerekir, ancak sıvının direncin içine sızmasına neden olacak kadar ince olmamalıdır. Ortaya çıkan makine yaklaşık olarak bir ABD çeyreği büyüklüğünde ve birkaç dakika içinde üretilebiliyor. Yaklaşık 500 mikrometre genişliğinde ve 400 mikrometre yüksekliğinde kanallar, sıvıyı taşımak ve kimyasal reaksiyonları kolaylaştırmak için mikroakışkan içinden geçirilir. Daha da önemlisi, PLA malzemesi yarı saydam olduğundan cihazdaki sıvı görünür kalır. Velásquez-García, birçok sürecin kimyasal reaksiyonlar sırasında neler olduğunu anlamak için görselleştirmeye veya ışık kullanımına dayandığını açıklıyor.

Özelleştirilebilir kimyasal reaktörler

Araştırmacılar, giriş ve çıkış arasında akan sıvıyı 4 santigrat dereceye kadar ısıtabilen bir prototip oluşturmak için bu tek adımlı üretim sürecini kullandılar. Bu özelleştirilebilir teknik, sıvıları belirli desenlerde veya belirli eğimlerde ısıtacak cihazlar yapmalarını sağlayabilir. "Bu iki malzemeyi tam olarak istediğinizi yapan kimyasal reaktörler oluşturmak için kullanabilirsiniz. Mikroakışkanın tüm özelliklerine sahipken, belirli bir ısıtma profilini ayarlayabiliriz” diyor. Ancak bir sınırlama, PLA'nın bozunmaya başlamadan önce yalnızca yaklaşık 50 santigrat dereceye kadar ısıtılabilmesinden kaynaklanmaktadır. Polimeraz zincir reaksiyonu (PCR) testleri için kullanılanlar gibi birçok kimyasal reaksiyon, 90 derece veya daha yüksek sıcaklıklar gerektirir. Cihazın sıcaklığını hassas bir şekilde kontrol etmek için araştırmacıların sıcaklık algılamayı sağlayan üçüncü bir malzemeyi entegre etmeleri gerekecek. Velásquez-García, gelecekteki çalışmalarında bu sınırlamaların üstesinden gelmenin yanı sıra, mıknatısları doğrudan mikroakışkan cihaza yazdırmak istiyor. Bu mıknatıslar, parçacıkların sınıflandırılmasını veya hizalanmasını gerektiren kimyasal reaksiyonları mümkün kılabilir. Kendisi ve meslektaşları aynı zamanda daha yüksek sıcaklıklara ulaşabilecek diğer malzemelerin kullanımını da araştırıyorlar. Ayrıca polimere belirli yabancı maddeler eklendiğinde neden iletken hale geldiğini daha iyi anlamak için PLA üzerinde çalışıyorlar. "PLA'nın elektriksel iletkenliğiyle ilgili mekanizmayı anlayabilirsek, bu cihazların kapasitesini büyük ölçüde artıracaktır, ancak çözülmesi diğer bazı mühendislik problemlerinden çok daha zor olacaktır" diye ekliyor. “Japon kültüründe güzelliğin sadelikte yattığı sıklıkla söylenir. Bu duygu Cañada ve Velasquez-Garcia'nın çalışmalarında da yankılanıyor. Önerilen monolitik 3D baskılı mikroakışkan sistemleri, basitliği ve güzelliği bünyesinde barındırıyor ve gelecekte öngördüğümüz çok çeşitli potansiyel türevler ve uygulamaları sunuyor" diyor Tokyo'daki Keio Üniversitesi'nden makine mühendisliği profesörü Norihisa Miki. bu iş. "Akışkan kanallara ve elektriksel özelliklere sahip mikroakışkan çipleri aynı anda doğrudan basabilmek, biyolojik örnekleri işlerken biyobelirteçleri güçlendirmek veya sıvıları harekete geçirmek ve karıştırmak gibi çok heyecan verici uygulamaların önünü açıyor. Ayrıca PLA'nın zamanla bozunması nedeniyle çiplerin zamanla çözünüp yeniden emildiği implante edilebilir uygulamalar bile düşünülebilir," diye ekliyor İsveç KTH Kraliyet Teknoloji Enstitüsü'nde doçent olan ve bu konuyla ilgisi olmayan Niclas Roxhed çalışmak.

• SEO Destekli İçerik ve Halkla İlişkiler Dağıtımı. Bugün Gücünüzü Artırın.
• PlatoData.Network Dikey Üretken Yapay Zeka. Kendine güç ver. Buradan Erişin.
• PlatoAiStream. Web3 Zekası. Bilgi Genişletildi. Buradan Erişin.
• PlatoESG. karbon, temiz teknoloji, Enerji, Çevre, Güneş, Atık Yönetimi. Buradan Erişin.
• PlatoSağlık. Biyoteknoloji ve Klinik Araştırmalar Zekası. Buradan Erişin.
• Kaynak: https://www.nanowerk.com/news2/gadget/newsid=64229.php