Binnen deze vezels, druppels zijn on the move: Microfluidics inrichting voor het mengen, scheiden, en het testen van vloeistoffen kunnen openen nieuwe mogelijkheden voor medische screening

Microfluidics apparaten zijn kleine systemen met microscopische kanalen die gebruikt kunnen worden voor de chemische of biomedische testen en onderzoek. In een potentieel spel-veranderende voorschot, MIT onderzoekers hebben nu microfluidics Systems Incorporated in individuele vezels, waardoor het mogelijk om grotere hoeveelheden vloeistof verwerken, in meer complexe manieren. In zekere zin, het voorschot opent een nieuwe “macro” tijdperk van microfluidics.

Door de integratie geleidende draden met microkanalen in lange vezels, de onderzoekers waren in staat om de mogelijkheid om cellen te sorteren demonstreren - in dit geval, scheiden van levende cellen van dode cellen, omdat de cellen reageren verschillend op een elektrisch veld. De levende cellen, in het groen, worden getrokken naar de buitenrand van de kanalen, terwijl de dode cellen (rood) worden getrokken naar het midden, waardoor ze worden verzonden in afzonderlijke kanalen.

Illustraties met dank aan de onderzoekers.

Traditionele microfluidics apparaten, ontwikkeld en op grote schaal gebruikt in de laatste paar decennia, vervaardigd op microchip-achtige structuren en beschikbaarstelling manieren mengen, scheiden, en het testen van vloeistoffen van microscopisch kleine volumes. Medische tests die slechts een klein druppeltje bloed nodig, bijvoorbeeld, vaak afhankelijk van microfluidics. Maar de kleine omvang van deze apparaten vormt ook beperkingen; bijvoorbeeld, zij over het algemeen niet bruikbaar voor procedures die grotere volumes vloeistof moeten stoffen die in geringe hoeveelheden sporen.

Een team van MIT onderzoekers vonden een manier om dat, door microkanalen binnen vezels. De vezels kunnen worden gemaakt, zolang als nodig is om grotere doorzet tegemoet, en ze bieden een grote flexibiliteit en controle over de vormen en afmetingen van de kanalen. Het nieuwe concept wordt beschreven in een paper verschijnt deze week in het tijdschrift Proceedings of the National Academy of Sciences, geschreven door MIT graduate student Rodger Yuan, professoren Joel Voldman en Yoel Fink, en vier anderen.

Een multidisciplinaire aanpak

Het project kwam tot stand als gevolg van een “speedstorming” event (een amalgaam van brainstormen en speed dating, een idee op initiatief van professor Jeffrey Grossman) die werd op instigatie van Fink toen hij directeur van het MIT Research Laboratory van Electronics was. De gebeurtenissen zijn bedoeld om onderzoekers te helpen ontwikkelen van nieuwe samenwerkingsprojecten, door het hebben van paren van studenten en postdocs brainstormen gedurende zes minuten per keer en komen met honderden ideeën in een uur, die worden gerangschikt en beoordeeld door een panel. In dit specifieke speedstorming sessie, studenten in de elektrotechniek gewerkt met anderen in de materiaalkunde en microsystemen technologie om een ​​nieuwe aanpak te ontwikkelen voor celsortering met behulp van een nieuwe klasse van multimaterialen vezels.

Yuan legt uit dat, Hoewel microfluïdische technologie is uitgebreid ontwikkeld en op grote schaal gebruikt voor het verwerken van kleine hoeveelheden vloeistof, lijdt drie inherente beperkingen met betrekking tot de totale omvang van de apparaten, hun gootprofielen, en de moeilijkheid van het opnemen van extra materialen zoals elektrodes.

Omdat ze meestal worden gemaakt met chip-productiemethoden, microfluïdische inrichtingen zijn afhankelijk van de capaciteit van de siliciumwafels die in dergelijke systemen, die niet meer dan ongeveer zijn 8 duim overdwars. En de fotolithografie methoden die worden gebruikt om dergelijke chips te beperken de vormen van de kanalen; ze kunnen alleen vierkante of rechthoekige dwarsdoorsneden. Tenslotte, aanvullende materialen, zoals elektroden voor het detecteren of het manipuleren van de inhoud van het kanaal, wordt afzonderlijk in positie geplaatst in een afzonderlijk proces, ernstig hun complexiteit te beperken.

“Silicon chip technologie is erg goed in het maken van rechthoekige profielen, maar iets verder dan dat echt vereist gespecialiseerde technieken,”Zegt Yuan, die de werkzaamheden in het kader van zijn promotie-onderzoek uitgevoerd. “Ze kunnen driehoeken, maar alleen met bepaalde specifieke hoeken.”Met de nieuwe glasvezel gebaseerde methode die hij en zijn team ontwikkelden, verschillende dwarsdoorsnedevormen van de kanalen kan worden geïmplementeerd, waaronder ster, kruis, of bowtie vormen die bruikbaar zijn voor bepaalde toepassingen, zoals het automatisch sorteren van verschillende typen cellen in een biologisch monster.

In aanvulling op, voor conventionele microfluidics, elementen zoals gevoelige of verwarmingsdraden, of piëzo-elektrische inrichtingen aan trillingen in de bemonsterde vloeistoffen induceren, worden toegevoegd in een latere verwerkingsstap. Maar zij kunnen volledig worden geïntegreerd in de kanalen in de nieuwe vezel gebaseerde systeem.

Een krimpende profiel

Net als andere complexe vezel systemen die zijn ontwikkeld door de jaren heen in het laboratorium van de co-auteur Yoel Fink, hoogleraar Materials Science and Engineering en hoofd van de Advanced Functional Fabrics van Amerika (AFFOA) consortium, Deze vezels worden gemaakt door te beginnen met een oversized polymeer cylinder genoemd voorvorm. De voorvormen bevatten de exacte vorm en materiaal gewenst voor de uiteindelijke vezel, maar in veel grotere vorm - waardoor ze veel gemakkelijker te maken in zeer nauwkeurige configuraties. Dan, de voorvorm wordt verhit en geladen in een valtoren, wanneer het langzaam wordt getrokken door een mondstuk dat vernauwt naar een smalle vezels die één veertigste de diameter van de voorvorm, met behoud van alle interne vormen en regelingen.

In het proces, het materiaal wordt ook verlengd met een factor 1,600, zodat een 100 millimeter lang (4-inch-long) voorvormen, bijvoorbeeld, wordt een vezel 160 meter lang (wat betreft 525 voeten), dus drastisch overwinnen van de beperkingen die inherent zijn lengte onderhavige microfluïdische inrichtingen. Dit kan van cruciaal belang zijn voor sommige toepassingen, zoals detecteren microscopische objecten in zeer kleine concentraties in het medium - bijvoorbeeld, een klein aantal kankercellen tussen miljoenen normale cellen.

“Soms moet je een veel materiaal te verwerken, want wat je zoekt zeldzaam is,”Zegt Voldman, een professor in de elektrotechniek die is gespecialiseerd in biologische microtechnologie. Dat maakt deze nieuwe glasvezel gebaseerde microfluidics technologie vooral geschikt voor dergelijke toepassingen, hij zegt, omdat “de vezels willekeurig lang worden gemaakt,”Waardoor er meer tijd voor de vloeistof binnen het kanaal te blijven en interactie ermee.

Terwijl de traditionele microfluidics apparaten lange kanalen kunt maken door een lus heen en weer op een kleine chip, de resulterende bochten verandert het profiel van het kanaal en beïnvloeden hoe de vloeistofstromen, terwijl in de vezel versie die kan worden gemaakt zolang als nodig, geen vormveranderingen of richting, waardoor ononderbroken, yuan zegt.

Het systeem maakt het ook mogelijk elektrische onderdelen zoals geleidende draden in de vezel worden opgenomen. Deze kunnen bijvoorbeeld worden gebruikt om cellen te manipuleren, met behulp van een methode genaamd dielectrophoresis, waarbij cellen verschillend worden beïnvloed door een elektrisch veld dat tussen twee geleidende draden aan de zijkanten van het kanaal.

Met deze geleidende draden in het microkanaal, kan men de spanning te regelen zodat de krachten “duwen en trekken aan de cellen, en je kunt het doen met een hoog debiet,”Voldman zegt.

Als een demonstratie, het team heeft een versie van de lange fiber inrichting voor afzonderlijke cellen, sorteren van dode cellen van levenden, en zijn efficiëntie bewezen in het vervullen van deze taak. Met de verdere ontwikkeling, ze verwachten dat ze in staat zijn om meer subtiele discriminatie tussen celtypen uit te voeren, yuan zegt.

“Voor mij was dit een prachtig voorbeeld van hoe de nabijheid tussen onderzoeksgroepen aan een interdisciplinair lab als RLE leidt tot baanbrekend onderzoek, geïnitieerd en geleid door een afgestudeerde student. We de faculteit werden in hoofdzaak bij gesleept door onze studenten,”Fink zegt.

De onderzoekers benadrukken dat ze niet de nieuwe methode zien als een vervanging voor de huidige microfluidics, die werken heel goed voor vele toepassingen. “Het is niet bedoeld ter vervanging van; het is bedoeld om “huidige methoden vergroten, Voldman zegt, waardoor enkele nieuwe functies voor bepaalde toepassingen die voorheen niet mogelijk geweest.

“Als voorbeeld van de kracht van interdisciplinaire samenwerking, een nieuw begrip ontstaat hier van onverwachte combinaties van manufacturing, materiaal kunde, biologische stroom physics, en microsystemen ontwerp,”Zegt Amy Herr, een professor in bioengineering aan de Universiteit van Californië in Berkeley, die niet betrokken was bij het onderzoek. Ze voegt eraan toe dat dit werk “voegt belangrijke vrijheidsgraden - met betrekking tot de geometrie van de vezel doorsnede en materiaaleigenschappen -. Opkomende glasvezel gebaseerde microfluïdische ontwerpstrategieën”

Bron: http://news.mit.edu, door David L. kaarsenmaker