Innerhalb dieser Fasern, Tröpfchen sind unterwegs: Mikrofluidik-Vorrichtung zum Mischen, Trennung, und Testflüssigkeiten können neue Möglichkeiten für die medizinische Untersuchung eröffnen

Mikrofluidik-Geräte sind winzige Systeme mit mikroskopisch kleinen Kanälen, die für die chemische oder biomedizinische Tests und Forschung verwendet werden können,. In einem potenziell Spiel verändernden Voraus, MIT-Forscher haben nun Mikrofluidik-Systeme in einzelne Fasern eingearbeitet, wodurch es möglich wird viel größere Mengen an Flüssigkeit zu verarbeiten, auf komplexere Weise. In einem Sinn, der Fortschritt öffnet eine neue „Makro“ Ära des Mikrofluidik up.

Durch die Integration der leitfähigen Drähte zusammen mit mikrofluidischen Kanälen in langen Fasern, die Forscher waren in der Lage, die Fähigkeit zu sortieren Zellen zu demonstrieren - in diesem Fall, lebende Zellen von Toten zu trennen, weil die Zellen reagieren unterschiedlich auf ein elektrisches Feld. Die lebenden Zellen, in grün dargestellt, sind in Richtung der Außenkante der Kanäle gezogen, während der toten Zellen (rot) zur Mitte gezogen, so dass sie in getrennte Kanäle geschickt werden,.

Abbildungen mit freundlicher Genehmigung der Forscher.

Traditionelle Mikrofluidik-Geräte, entwickelt und ausgiebig in den letzten paar Jahrzehnten, werden auf Mikrochip-ähnliche Strukturen hergestellt und Wege bieten Misch, Trennung, und Testflüssigkeiten in mikroskopisch kleinen Mengen. Medizinische Tests, die nur einen winzigen Tropfen Blut erfordern, zum Beispiel, oft verlassen sich auf Mikrofluidik. Aber der kleine Maßstab dieser Geräte stellt auch Einschränkungen; zum Beispiel, sie sind in der Regel nicht sinnvoll, für Verfahren, die größere Mengen an Flüssigkeit müssen Stoffe, die in geringen Mengen zu erfassen.

Ein Team von MIT-Forscher fanden einen Weg, um das, indem mikrofluidische Kanäle innerhalb Fasern. Die Fasern können so lang gemacht werden, wie erforderlich größeren Durchsatz anzupassen, und sie bieten große Kontrolle und Flexibilität über die Formen und Abmessungen der Kanäle. Das neue Konzept wird in einem Papier erscheint in dieser Woche in der Zeitschrift Proceedings of the National Academy of Sciences, geschrieben von MIT Doktorand Rodger Yuan, Professoren Joel Voldman und Yoel Fink, und vier andere.

Ein multidisziplinärer Ansatz

Das Projekt kam als Ergebnis einer „speedstorming“ Veranstaltung über (ein Amalgam von Brainstorming und Speed-Dating, eine Idee, initiiert von Professor Jeffrey Grossman) das wurde von Fink angestiftet, als er Direktor des MIT Research Laboratory of Electronics war. Die Veranstaltungen sollen den Forschern neue gemeinsame Projekte entwickeln helfen, durch Paare von Studenten und Postdocs Geistesblitz sechs Minuten zu einer Zeit und kommen mit Hunderten von Ideen in einer Stunde mit, die von einer Jury gewählt und ausgewertet werden. In dieser speziellen speedstorming Sitzung, in Elektrotechnik Studenten arbeitete mit anderen in den Materialwissenschaften und Mikrosystemtechnik einen neuartigen Ansatz zur Entwicklung einer neuen Klasse von Multimaterialfasern Zellsortierung unter Verwendung von.

Yuan erklärt, dass, obwohl mikrofluidischen Technologie für die Verarbeitung von kleinen Flüssigkeitsmengen weitgehend entwickelt und wurde weit verbreitet, es leidet an drei inhärenten Beschränkungen für die Gesamtgröße der Geräte bezogen, ihre Kanalprofile, und die Schwierigkeiten bei der Aufnahme zusätzliche Materialien wie Elektroden.

Weil sie werden typischerweise unter Verwendung von Chip-Herstellungsverfahren hergestellt, Mikrofluidik-Vorrichtungen sind auf die Größe des Siliziumwafer beschränkt, die in solchen Systemen verwendete, die sind nicht mehr als etwa 8 Zoll über. Und die Photolithographieverfahren verwendet, um solche Chips zu machen begrenzen die Formen der Kanäle; sie können nur quadratische oder rechteckige Querschnitte aufweisen. Endlich, alle weiteren Materialien, wie Elektroden zur Erfassung oder die Kanäle Inhalte Manipulieren, muß einzeln in Position in einem separaten Prozess gestellt werden, Begrenzung stark ihre Komplexität.

„Silicon-Chip-Technologie ist wirklich gut im Rechteckprofil machen, aber alles, was darüber hinaus erfordert wirklich spezielle Techniken,“, Sagt Yuan, die die Arbeit im Rahmen seiner Doktorarbeit durchgeführt. „Sie können Dreiecke machen, aber nur mit bestimmten Winkeln.“Mit der neuen faserbasierten Methode, die er und sein Team entwickelt, eine Vielzahl von Querschnittsformen für die Kanäle implementiert werden kann, einschließlich Stern, Kreuz, oder Bowtie Formen, die für bestimmte Anwendungen nützlich sein, wie beispielsweise automatisch verschiedene Arten von Zellen in einer biologischen Probe Sortier.

In Ergänzung, für herkömmliche Mikrofluidik, Elemente wie Erfassungs- oder Heizdrähte, oder piezoelektrische Vorrichtungen Schwingungen in den abgetasteten Flüssigkeiten zu induzieren, muss zu einem späteren Verarbeitungsstufe hinzugefügt werden. Aber sie können vollständig in die Kanäle in dem neuen faserbasierten System integriert werden.

Ein Schrumpfungsprofil

Wie andere komplexe Fasersysteme entwickelt im Laufe der Jahre im Labor von Co-Autor Yoel Fink, Professor für Materialwissenschaften und Ingenieurwesen und Leiter der Advanced Functional Fabrics of America (AFFOA) Konsortium, Diese Fasern werden durch Starten mit einem übergroßen Polymerzylinder bezeichnet eine Vorform hergestellt. Diese Vorformlinge enthalten, die genaue Form und die Materialien für die gewünschten Endfaser, aber in vielen größeren Form -, die sie viel leichter machen in sehr präzise Konfigurationen machen. Dann, der Vorformling wird erhitzt und in einen Fallturm, wo es langsam durch eine Düse gezogen wird, die es zu einem schmalen Faser einengt, die ein Vierzigstel der Durchmesser des Vorformlings ist, unter Beibehaltung aller internen Formen und Anordnungen.

Dabei, Das Material ist auch durch einen Faktor von länglichen 1,600, so dass ein 100 Millimeter lange (4-Zoll-lang) Vorform, zum Beispiel, wird zu einer Faser 160 Meter lang (Über 525 Füße), somit dramatisch Überwindung der Längenbeschränkungen inhärent vorhanden Mikrofluidikvorrichtungen. Dies kann für einige Anwendungen von entscheidender Bedeutung sein, wie mikroskopisch kleinen Objekte erfassen, die in sehr geringen Konzentrationen in der Flüssigkeit vorhanden ist - zum Beispiel, eine kleine Anzahl von Krebszellen unter Millionen von normalen Zellen.

„Manchmal braucht man eine Menge Material zu verarbeiten, weil das, was Sie suchen selten,“, Sagt Voldman, Professor für Elektrotechnik, die in biologischer Mikrotechnik spezialisiert. Das macht diese neue faserbasierte Mikrofluidik-Technologie besonders geeignet für solche Anwendungen, er sagt, weil „die Fasern beliebig lang gemacht werden kann,“Für die Flüssigkeit mehr Zeit, so dass im Inneren des Kanals verbleiben und mit ihr interagieren,.

Während herkömmliche Mikrofluidik-Geräte können lange Kanäle, indem sie hin und her auf einem kleinen Chip looping, ändern sich die resultierenden Drehungen und Wendungen das Profil des Kanals und wirken sich auf die Art und Weise die Flüssigkeitsströme, während in der Faser-Version kann diese so lange gemacht wird je nach Bedarf, ohne Änderungen in der Form oder Richtung, wodurch ununterbrochenen Fluss, Yuan sagt.

Das System ermöglicht auch elektrische Komponenten wie leitende Drähte in die Faser eingearbeitet werden,. Diese können beispielsweise verwendet werden, um Zellen zu manipulieren, Verwendung eines Verfahrens namens Dielektrophorese, in denen Zellen unterschiedlich von einem elektrischen Feld zwischen zwei leitenden Drähten an den Seiten des Kanals erzeugte betroffen.

Mit diesen leitenden Drähten im Mikrokanal, man kann die Spannung steuern, so dass die Kräfte „sind Schieben und Ziehen an den Zellen, und man kann es bei hohen Strömungsgeschwindigkeiten tun,“Voldman sagt.

Als Demonstration, Das Team hat eine Version der getrennten Zellen ausgelegt Faservorrichtung Langkanal, Sortier tote Zellen von Lebenden, und bewies seine Effizienz diese Aufgabe bei der Bewältigung. Mit der Weiterentwicklung, sie erwarten subtiler Diskriminierung zwischen Zelltypen in der Lage sein durchzuführen, Yuan sagt.

„Das war für mich ein wunderbares Beispiel dafür, wie die Nähe zwischen Forschungsgruppen an einem interdisziplinären Labor wie RLE führt zu bahnbrechender Forschung, initiiert und von einem Student führte. Wir waren die Fakultät im Wesentlichen von unseren Studenten schleppen in,“Fink sagt.

Die Forscher betonen, dass sie nicht die neue Methode als Ersatz für die vorliegende Mikrofluidik sehen, die arbeiten sehr gut für viele Anwendungen. „Es ist nicht dazu gedacht, zu ersetzen; es soll „vorliegendes Verfahren erweitern, Voldman sagt, so dass einige neue Funktionen für bestimmte Anwendungen, die bisher nicht möglich gewesen.

„Als Beispiel für die Macht der interdisziplinären Zusammenarbeit, ein neues Verständnis ergibt sich hier aus unerwarteten Kombinationen von Herstellungs, Materialwissenschaften, biologische Strömungsphysik, und Mikrosystemdesign,“, Sagt Amy Herr, ein Professor für Biotechnik an der University of California in Berkeley, die nicht in dieser Forschung beteiligt. Sie fügt hinzu, dass diese Arbeit „wichtige Freiheitsgrade ergänzt - in Bezug auf Geometrie der Faserquerschnitt und Materialeigenschaften -. Auf neue faserbasierte Mikrofluidik-Design-Strategien“

Quelle: http://news.mit.edu, von David L. krämer