Внутри этих волокон, капли находятся в движении: Устройство микрофлюидики для смешивания, разделяющий, и тестовые жидкости могут открыть новые возможности для медицинского скрининга

Микрофлюидические устройства представляют собой крошечные системы с микроскопическими каналами, которые можно использовать для химических или биомедицинских испытаний и исследований.. В потенциально меняющем игру наступлении, Исследователи Массачусетского технологического института теперь внедрили системы микрофлюидики в отдельные волокна., что позволяет перерабатывать гораздо большие объемы жидкости, более сложными способами. В некотором смысле, этот прогресс открывает новую «макро» эру микрофлюидики.

Путем объединения проводящих проводов и микрофлюидных каналов в длинные волокна., исследователям удалось продемонстрировать способность сортировать клетки — в данном случае, отделение живых клеток от мертвых, потому что клетки по-разному реагируют на электрическое поле. Живые клетки, показано зеленым цветом, тянутся к внешнему краю каналов, в то время как мертвые клетки (красный) тянутся к центру, позволяя отправлять их в отдельные каналы.

Иллюстрации предоставлены исследователями.

Традиционные устройства микрофлюидики, разработан и широко используется в течение последних нескольких десятилетий, изготавливаются на основе структур, подобных микрочипам, и обеспечивают способы смешивания, разделяющий, и тестирование жидкостей в микроскопических объемах. Медицинские тесты, для которых требуется лишь крошечная капля крови, например, часто полагаются на микрофлюидику. Но миниатюрный размер этих устройств также накладывает ограничения.; например, они, как правило, бесполезны для процедур, требующих больших объемов жидкости для обнаружения веществ, присутствующих в минимальных количествах..

Команда исследователей Массачусетского технологического института нашла способ обойти эту проблему., путем микрофлюидальных каналы внутри волокон. Волокна могут быть сделаны до тех пор, по мере необходимости, чтобы вместить больше пропускной способности, и они предлагают большой контроль и гибкость форм и размеров каналов. Новая концепция описана в статье появляющейся на этой неделе в журнале Труды Национальной академии наук, написанной MIT аспирант Роджер Юань, профессора Джоэл Вольдман и Йоэль Финк, и четыре других.

Многопрофильная подход

Проект появился в результате «скоростного штурма» (смесь мозгового штурма и быстрых свиданий, идея, инициированная профессором Джеффри Гроссманом) это было инициировано Финком, когда он был директором Исследовательской лаборатории электроники Массачусетского технологического института.. Мероприятия призваны помочь исследователям в разработке новых совместных проектов., за счет проведения мозгового штурма парами студентов и постдоков в течение шести минут и выдвижения сотен идей за час, которые ранжируются и оцениваются комиссией. В этом конкретном сеансе скоростного штурма, Студенты-электротехники вместе с другими студентами, изучающими материаловедение и микросистемные технологии, разработали новый подход к сортировке клеток с использованием нового класса многоматериальных волокон..

Юань объясняет, что, хотя микрофлюидная технология широко разработана и широко используется для обработки небольших количеств жидкости., он страдает от трех присущих ограничений, связанных с общим размером устройства., их профили каналов, и сложность включения дополнительных материалов, таких как электроды..

Потому что они обычно изготавливаются с использованием методов производства чипов., микрофлюидные устройства ограничены размером кремниевых пластин, используемых в таких системах., которые не более чем о 8 дюймы в поперечнике. А методы фотолитографии, используемые для изготовления таких чипов, ограничивают форму каналов.; они могут иметь только квадратное или прямоугольное поперечное сечение.. в заключение, любые дополнительные материалы, например, электроды для восприятия или управления содержимым каналов, должны быть индивидуально размещены в отдельном процессе, строго ограничивая их сложность.

«Технология кремниевых чипов действительно хороша для изготовления прямоугольных профилей., но все, что выходит за рамки этого, требует действительно специализированных методов,» говорит Юань, который выполнил работу в рамках своего докторского исследования. «Они могут составлять треугольники, но только под определенными углами». Он и его команда разработали новый метод на основе волокон., возможность реализации различных форм поперечного сечения каналов, включая звезду, крест, или формы галстука-бабочки, которые могут быть полезны для конкретных применений, например, автоматическая сортировка различных типов клеток в биологическом образце.

К тому же, для традиционной микрофлюидики, такие элементы, как чувствительные или нагревательные провода, или пьезоэлектрические устройства для создания вибраций в отобранных жидкостях., необходимо добавить на более позднем этапе обработки. Но их можно полностью интегрировать в каналы новой оптоволоконной системы..

Сокращение профиля

Как и другие сложные волоконные системы, разработанные на протяжении многих лет в лаборатории соавтора Йоэля Финка, профессор материаловедения и инженерии и руководитель компании Advanced Functional Fabrics of America (АФФОА) консорциум, эти волокна изготавливаются из полимерного цилиндра увеличенного размера, называемого преформой.. Эти преформы содержат точную форму и материалы, необходимые для конечного волокна., но в гораздо большей форме, что значительно упрощает их изготовление в очень точных конфигурациях.. затем, преформа нагревается и загружается в опускную башню, где его медленно протягивают через сопло, которое сжимает его до узкого волокна, составляющего одну сороковую диаметра заготовки., сохраняя при этом все внутренние формы и расположение.

В процессе, материал также удлиняется в раз 1,600, так что длина 100 миллиметров (4-длиной в дюйм) преформа, например, становится волокном 160 метров в длину (около 525 ноги), таким образом радикально преодолевая ограничения по длине, присущие современным микрофлюидным устройствам.. Это может иметь решающее значение для некоторых приложений., например, обнаружение микроскопических объектов, которые существуют в жидкости в очень малых концентрациях, например, небольшое количество раковых клеток среди миллионов нормальных клеток.

«Иногда вам нужно обработать много материала, потому что то, что вы ищете, встречается редко.,- говорит Волдман, профессор электротехники, специализирующийся на биологической микротехнологии. Это делает эту новую технологию микрофлюидики на основе волокон особенно подходящей для таких целей., он говорит, потому что «волокна можно сделать сколь угодно длинной,» позволяя жидкости оставаться внутри канала и взаимодействовать с ним больше времени.

В то время как традиционные устройства микрофлюидики могут создавать длинные каналы, циклически перемещаясь вперед и назад на небольшом чипе., возникающие в результате изгибы и повороты меняют профиль канала и влияют на то, как течет жидкость., тогда как в версии с оптоволокном их можно делать столько, сколько необходимо., без изменений формы и направления, обеспечение бесперебойного потока, Юань говорит.

Система также позволяет включать в оптоволокно электрические компоненты, такие как проводящие провода.. Их можно использовать, например, для манипулирования клетками., с помощью метода диэлектрофореза, при котором на клетки по-разному воздействует электрическое поле, создаваемое между двумя проводящими проводами по бокам канала..

С помощью этих проводящих проводов в микроканале, можно контролировать напряжение, чтобы силы «толкали и тянули клетки», и вы можете сделать это при высоких скоростях потока,- говорит Волдман.

В качестве демонстрации, команда создала версию длинноканального оптоволоконного устройства, предназначенного для разделения клеток, сортировка мертвых клеток от живых, и доказал свою эффективность в решении этой задачи. При дальнейшем развитии, они ожидают, что смогут более тонко различать типы клеток., Юань говорит.

«Для меня это был замечательный пример того, как близость исследовательских групп в такой междисциплинарной лаборатории, как RLE, приводит к революционным исследованиям., инициирован и проведен аспирантом. Нас, профессорско-преподавательский состав, по сути, втянули в свою работу наши студенты.,Финк говорит.

Исследователи подчеркивают, что они не рассматривают новый метод как замену существующей микрофлюидике., которые очень хорошо работают для многих приложений. «Оно не предназначено для замены; оно призвано дополнить существующие методы, Волдман говорит, разрешение некоторых новых функций для определенных целей, которые ранее были невозможны.

«Пример силы междисциплинарного сотрудничества, здесь возникает новое понимание из неожиданных сочетаний производства, материаловедение, физика биологического потока, и проектирование микросистем,» говорит Эми Херр, профессор биоинженерии Калифорнийского университета в Беркли, который не принимал участие в этом исследовании. Она добавляет, что эта работа «добавляет важные степени свободы — в отношении геометрии поперечного сечения волокна и свойств материала — к новым стратегиям микрофлюидного проектирования на основе волокон».

Источник: HTTP://news.mit.edu, Дэвид L. лавочник