Logo Zephyrnet

Trí thông minh dữ liệu tạo

Công nghệ Nano

Các nhà khoa học in 3D thiết bị vi lỏng tự sưởi ấm

Được xuất bản lại bởi Plato
Được xuất bản lại bởi Plato

Ngày:

Lượt xem: 62
Ngày 11 tháng 2023 năm XNUMX (Tin tức Nanowerk) Các nhà nghiên cứu của MIT đã sử dụng công nghệ in 3D để sản xuất các thiết bị vi lỏng tự làm nóng, trình diễn một kỹ thuật mà một ngày nào đó có thể được sử dụng để nhanh chóng tạo ra các công cụ rẻ tiền nhưng chính xác để phát hiện nhiều loại bệnh.

Chìa khóa chính

  • Cải tiến này sử dụng in 3D ép đùn đa vật liệu, kết hợp polyme phân hủy sinh học với PLA pha tạp đồng để tạo ra các thiết bị có thể làm nóng chất lỏng một cách chính xác.
  • Kỹ thuật này cho phép sản xuất các thiết bị vi lỏng phức tạp chỉ trong một bước, giảm đáng kể chi phí và thời gian liên quan đến sản xuất.
  • Những chất lỏng vi lỏng tự làm nóng này đặc biệt có lợi cho các khu vực xa xôi hoặc đang phát triển, nơi khả năng tiếp cận các thiết bị phòng thí nghiệm đắt tiền bị hạn chế.
  • Những cải tiến trong tương lai có thể bao gồm việc tích hợp cảm biến nhiệt độ và sử dụng vật liệu có thể chịu được nhiệt độ cao hơn cho nhiều ứng dụng hơn.
    • thiết bị vi lỏng tự sưởi ấm Các thiết bị vi lỏng tự làm nóng, chẳng hạn như thiết bị được minh họa, có thể được chế tạo nhanh chóng và rẻ tiền với số lượng lớn và một ngày nào đó có thể giúp các bác sĩ lâm sàng ở những vùng xa xôi trên thế giới phát hiện bệnh mà không cần thiết bị phòng thí nghiệm đắt tiền. (Hình ảnh: Được phép của các nhà nghiên cứu)

    Nghiên cứu

    vi lỏngCác máy thu nhỏ điều khiển chất lỏng và tạo điều kiện cho các phản ứng hóa học có thể được sử dụng để phát hiện bệnh trong các mẫu máu hoặc chất lỏng cực nhỏ. Ví dụ, bộ dụng cụ xét nghiệm Covid-19 tại nhà kết hợp một loại vi lỏng đơn giản. Nhưng nhiều ứng dụng vi lỏng đòi hỏi các phản ứng hóa học phải được thực hiện ở nhiệt độ cụ thể. Những thiết bị vi lỏng phức tạp hơn này, thường được sản xuất trong phòng sạch, được trang bị các bộ phận làm nóng làm từ vàng hoặc bạch kim bằng quy trình chế tạo phức tạp và đắt tiền, khó mở rộng quy mô. Thay vào đó, nhóm MIT đã sử dụng công nghệ in 3D đa vật liệu để tạo ra các thiết bị vi lỏng tự sưởi ấm với các bộ phận làm nóng tích hợp thông qua một quy trình sản xuất đơn giản và rẻ tiền. Họ đã tạo ra các thiết bị có thể làm nóng chất lỏng đến nhiệt độ cụ thể khi nó chảy qua các kênh cực nhỏ bên trong cỗ máy nhỏ bé. Kỹ thuật của họ có thể tùy chỉnh, do đó, một kỹ sư có thể tạo ra một chất lỏng vi mô làm nóng chất lỏng đến nhiệt độ nhất định hoặc có cấu hình gia nhiệt nhất định trong một khu vực cụ thể của thiết bị. Quá trình chế tạo chi phí thấp cần khoảng 2 USD vật liệu để tạo ra chất lỏng vi lỏng sẵn sàng sử dụng. Quá trình này có thể đặc biệt hữu ích trong việc tạo ra các chất lỏng vi mô tự làm nóng cho các vùng xa xôi của các nước đang phát triển, nơi các bác sĩ lâm sàng có thể không tiếp cận được các thiết bị phòng thí nghiệm đắt tiền cần thiết cho nhiều quy trình chẩn đoán. “Đặc biệt, các phòng sạch, nơi bạn thường sản xuất những thiết bị này, xây dựng và vận hành cực kỳ tốn kém. Nhưng chúng ta có thể chế tạo các thiết bị vi lỏng tự làm nóng rất có khả năng sử dụng phương pháp sản xuất bồi đắp, và chúng có thể được chế tạo nhanh hơn và rẻ hơn rất nhiều so với các phương pháp truyền thống này. Đây thực sự là một cách để dân chủ hóa công nghệ này,” Luis Fernando Velásquez-García, nhà khoa học chính tại Phòng thí nghiệm Công nghệ Hệ thống Vi mô (MTL) của MIT và là tác giả chính của bài báo mô tả kỹ thuật chế tạo, cho biết. Tham gia cùng ông trên bài báo là tác giả chính Jorge Cañada Pérez-Sala, một sinh viên tốt nghiệp ngành kỹ thuật điện và khoa học máy tính. Nghiên cứu sẽ được trình bày tại Hội nghị PowerMEMS trong tháng này.

    Chất cách điện trở nên dẫn điện

    Quy trình chế tạo mới này sử dụng một kỹ thuật gọi là in 3D ép đùn đa vật liệu, trong đó một số vật liệu có thể được phun qua nhiều vòi phun của máy in để tạo thành từng lớp thiết bị. Quá trình này là nguyên khối, có nghĩa là toàn bộ thiết bị có thể được sản xuất chỉ trong một bước trên máy in 3D mà không cần bất kỳ quá trình lắp ráp sau nào. Để tạo ra vi lỏng tự làm nóng, các nhà nghiên cứu đã sử dụng hai vật liệu – một loại polyme có khả năng phân hủy sinh học được gọi là axit polylactic (PLA) thường được sử dụng trong in 3D và một phiên bản sửa đổi của PLA. Velásquez-García giải thích, PLA cải tiến đã trộn các hạt nano đồng vào polyme, giúp chuyển đổi vật liệu cách điện này thành chất dẫn điện. Khi dòng điện được đưa vào một điện trở làm từ PLA pha tạp đồng này, năng lượng sẽ bị tiêu tán dưới dạng nhiệt. “Thật ngạc nhiên khi bạn nghĩ về điều đó vì vật liệu PLA là một chất điện môi, nhưng khi bạn cho những tạp chất hạt nano này vào, nó sẽ thay đổi hoàn toàn các tính chất vật lý. Đây là điều chúng tôi chưa hiểu hết nhưng nó đã xảy ra và có thể lặp lại”, ông nói. Sử dụng máy in 3D đa vật liệu, các nhà nghiên cứu chế tạo một điện trở gia nhiệt từ PLA pha tạp đồng và sau đó in thiết bị vi lỏng, với các kênh cực nhỏ mà qua đó chất lỏng có thể chảy trực tiếp lên trên trong một bước in. Bởi vì các bộ phận được làm từ cùng một vật liệu cơ bản nên chúng có nhiệt độ in tương tự và tương thích. Nhiệt lượng tỏa ra từ điện trở sẽ làm ấm chất lỏng chảy qua các kênh trong vi lỏng. Ngoài điện trở và vi lỏng, họ còn sử dụng máy in để thêm một lớp PLA mỏng, liên tục được kẹp giữa chúng. Việc chế tạo lớp này đặc biệt khó khăn vì nó phải đủ mỏng để nhiệt có thể truyền từ điện trở sang vi lỏng, nhưng không mỏng đến mức chất lỏng có thể rò rỉ vào điện trở. Chiếc máy thu được có kích thước bằng một đồng 500 xu Mỹ và có thể được sản xuất chỉ trong vài phút. Các kênh rộng khoảng 400 micromet và cao XNUMX micromet được luồn qua vi lỏng để mang chất lỏng và tạo điều kiện cho các phản ứng hóa học. Điều quan trọng là vật liệu PLA trong mờ nên chất lỏng trong thiết bị vẫn có thể nhìn thấy được. Velásquez-García giải thích: Nhiều quy trình dựa vào sự trực quan hóa hoặc sử dụng ánh sáng để suy ra những gì đang xảy ra trong các phản ứng hóa học.

    Lò phản ứng hóa học có thể tùy chỉnh

    Các nhà nghiên cứu đã sử dụng quy trình sản xuất một bước này để tạo ra một nguyên mẫu có thể làm nóng chất lỏng thêm 4 độ C khi nó chảy giữa đầu vào và đầu ra. Kỹ thuật có thể tùy chỉnh này có thể cho phép họ chế tạo các thiết bị có thể làm nóng chất lỏng theo các kiểu nhất định hoặc theo các độ dốc cụ thể. “Bạn có thể sử dụng hai vật liệu này để tạo ra các lò phản ứng hóa học thực hiện chính xác những gì bạn muốn. Ông nói: “Chúng tôi có thể thiết lập một cấu hình gia nhiệt cụ thể trong khi vẫn có tất cả các khả năng của vi lỏng”. Tuy nhiên, có một hạn chế đến từ việc PLA chỉ có thể đun nóng đến khoảng 50 độ C trước khi bắt đầu phân hủy. Nhiều phản ứng hóa học, chẳng hạn như những phản ứng được sử dụng cho xét nghiệm phản ứng chuỗi polymerase (PCR), yêu cầu nhiệt độ từ 90 độ trở lên. Và để kiểm soát chính xác nhiệt độ của thiết bị, các nhà nghiên cứu sẽ cần tích hợp vật liệu thứ ba có khả năng cảm biến nhiệt độ. Ngoài việc giải quyết những hạn chế này trong công việc tương lai, Velásquez-García muốn in nam châm trực tiếp vào thiết bị vi lỏng. Những nam châm này có thể kích hoạt các phản ứng hóa học đòi hỏi phải sắp xếp hoặc sắp xếp các hạt. Đồng thời, ông và các đồng nghiệp đang khám phá việc sử dụng các vật liệu khác có thể đạt tới nhiệt độ cao hơn. Họ cũng đang nghiên cứu PLA để hiểu rõ hơn tại sao nó trở nên dẫn điện khi một số tạp chất nhất định được thêm vào polyme. Ông cho biết thêm: “Nếu chúng ta có thể hiểu được cơ chế liên quan đến tính dẫn điện của PLA thì điều đó sẽ nâng cao đáng kể khả năng của các thiết bị này, nhưng sẽ khó giải quyết hơn nhiều so với một số vấn đề kỹ thuật khác”. “Trong văn hóa Nhật Bản, người ta thường nói vẻ đẹp nằm ở sự đơn giản. Tình cảm này được lặp lại bởi công việc của Cañada và Velasquez-Garcia. Norihisa Miki, giáo sư kỹ thuật cơ khí tại Đại học Keio ở Tokyo, người không tham gia vào dự án, cho biết: “Các hệ thống vi lỏng in 3D nguyên khối được đề xuất của họ thể hiện sự đơn giản và đẹp mắt, mang lại nhiều nguồn gốc và ứng dụng tiềm năng mà chúng tôi thấy trước trong tương lai”. công việc này. “Việc có thể in trực tiếp các chip vi lỏng với các kênh chất lỏng và các tính năng điện cùng lúc sẽ mở ra những ứng dụng rất hữu ích khi xử lý các mẫu sinh học, chẳng hạn như khuếch đại dấu ấn sinh học hoặc kích hoạt và trộn chất lỏng. Ngoài ra, do PLA xuống cấp theo thời gian, người ta thậm chí có thể nghĩ đến các ứng dụng cấy ghép trong đó các con chip hòa tan và hấp thụ lại theo thời gian,” Niclas Roxhed, phó giáo sư tại Viện Công nghệ Hoàng gia KTH của Thụy Điển, người không liên quan đến vấn đề này, cho biết thêm. học.
    tại chỗ_img

    Tin tức mới nhất

    tại chỗ_img

    Bản quyền @ 2024 Plato Technologies Inc.