Микрофлюидика, миниатюрные машины, которые манипулируют жидкостями и облегчают химические реакции, могут быть использованы для выявления заболеваний в крошечных образцах крови или жидкостей. Например, домашние наборы для тестирования на Covid-19 содержат простой тип микрофлюидной жидкости.

Но многие микрожидкостные технологии требуют химических реакций, которые должны протекать при определенных температурах. Эти более сложные микрофлюидные устройства, которые обычно изготавливаются в чистых помещениях, оснащены нагревательными элементами, изготовленными из золота или платины с использованием сложного и дорогостоящего процесса изготовления, который трудно масштабировать.

Вместо этого команда Массачусетского технологического института использовала многоматериальную 3D-печать для создания самонагревающихся микрофлюидных устройств со встроенными нагревательными элементами с помощью единого недорогого производственного процесса. Они создали устройства, которые могут нагревать жидкость до определенной температуры, когда она течет по микроскопическим каналам внутри крошечной машины.

Их технология настраивается, поэтому инженер может создать микрожидкость, которая нагревает жидкость до определенной температуры или заданного профиля нагрева в определенной области устройства. Недорогой процесс изготовления требует около 2 долларов материалов для получения готовой к использованию микрофлюидной жидкости.

Этот процесс может быть особенно полезен при создании самонагревающихся микрофлюидных систем для отдаленных регионов развивающихся стран, где врачи могут не иметь доступа к дорогостоящему лабораторному оборудованию, необходимому для многих диагностических процедур.

"В частности, чистые помещения, где обычно изготавливаются эти устройства, невероятно дороги в изготовлении и эксплуатации. Но мы можем создать очень мощные самонагревающиеся микрожидкостные устройства, используя аддитивное производство, и их можно изготовить намного быстрее и дешевле, чем при использовании этих традиционных методов. Это действительно способ демократизировать эту технологию", - говорит Луис Фернандо Веласкес-Гарсия, главный научный сотрудник Лаборатории микросистемных технологий Массачусетского технологического института (MTL) и старший автор статьи, описывающей технологию изготовления.

К нему присоединился ведущий автор статьи Хорхе Каньяда Перес-Сала, аспирант кафедры электротехники и компьютерных наук. Исследование будет представлено на конференции PowerMEMS в этом месяце.

Изолятор становится проводящим

В этом новом процессе изготовления используется технология, называемая мультиматериальной экструзионной 3D-печатью, при которой несколько материалов могут быть пропущены через множество сопел принтера для создания устройства слой за слоем. Процесс является монолитным, что означает, что все устройство может быть изготовлено за один этап на 3D-принтере без необходимости какой-либо последующей сборки.

Для создания самонагревающейся микрофлюидной жидкости исследователи использовали два материала - биоразлагаемый полимер, известный как полимолочная кислота (PLA), который обычно используется в 3D-печати, и модифицированную версию PLA.

"Модифицированный PLA смешал наночастицы меди с полимером, который превращает этот изоляционный материал в электрический проводник", - объясняет Веласкес-Гарсия. Когда электрический ток подается на резистор, состоящий из этого легированного медью PLA, энергия рассеивается в виде тепла.

"Это удивительно, когда вы думаете об этом, потому что материал PLA является диэлектриком, но когда вы добавляете эти примеси в виде наночастиц, это полностью меняет физические свойства. Это то, что мы еще до конца не понимаем, но это происходит, и это повторяется", - говорит он.

Используя многоматериальный 3D-принтер, исследователи изготавливают нагревательный резистор из PLA, легированного медью, а затем печатают микрожидкостное устройство с микроскопическими каналами, по которым может протекать жидкость, непосредственно сверху за один этап печати. Поскольку компоненты изготовлены из одного и того же основного материала, они имеют одинаковую температуру печати и совместимы.

Тепло, рассеиваемое резистором, будет нагревать жидкость, протекающую по каналам в микрожидкостном устройстве.

В дополнение к резистору и микрожидкости они используют принтер для добавления тонкого непрерывного слоя PLA, который помещается между ними. Изготовление этого слоя особенно сложно, поскольку он должен быть достаточно тонким, чтобы тепло могло передаваться от резистора к микрожидкости, но не настолько тонким, чтобы жидкость могла просачиваться внутрь резистора.

Получившаяся в результате машина размером примерно с американский квартал может быть изготовлена за считанные минуты. Каналы шириной около 500 микрометров и высотой 400 микрометров проходят через микрожидкость для переноса жидкости и облегчения химических реакций.

Важно отметить, что материал PLA полупрозрачен, поэтому жидкость в устройстве остается видимой. Веласкес-Гарсия объясняет, что многие процессы основаны на визуализации или использовании света для определения того, что происходит во время химических реакций.

Настраиваемые химические реакторы

Исследователи использовали этот одноступенчатый производственный процесс для создания прототипа, который мог нагревать жидкость на 4 градуса Цельсия, когда она протекала между входом и выходом. Эта настраиваемая технология могла бы позволить им создавать устройства, которые нагревали бы жидкости по определенным схемам или вдоль определенных уклонов.

"Вы можете использовать эти два материала для создания химических реакторов, которые делают именно то, что вы хотите. Мы можем настроить определенный профиль нагрева, сохраняя при этом все возможности микрофлюидной системы", - говорит он.

Однако одно ограничение связано с тем фактом, что PLA можно нагревать только примерно до 50 градусов Цельсия, прежде чем он начнет разлагаться. Многие химические реакции, такие как те, которые используются для тестов полимеразной цепной реакции (ПЦР), требуют температуры 90 градусов или выше. А чтобы точно контролировать температуру устройства, исследователям потребуется интегрировать третий материал, который позволяет измерять температуру.

В дополнение к устранению этих ограничений в будущей работе Веласкес-Гарсия хочет печатать магниты непосредственно в микрофлюидном устройстве. Эти магниты могли бы способствовать химическим реакциям, требующим сортировки или выравнивания частиц.

В то же время он и его коллеги изучают возможность использования других материалов, которые могли бы выдерживать более высокие температуры. Они также изучают PLA, чтобы лучше понять, почему он становится проводящим при добавлении в полимер определенных примесей.

"Если мы сможем понять механизм, связанный с электропроводностью PLA, это значительно расширит возможности этих устройств, но решить это будет намного сложнее, чем некоторые другие инженерные проблемы", - добавляет он.

"В японской культуре часто говорят, что красота заключается в простоте. Это чувство перекликается с работами Каньяды и Веласкес-Гарсии. Предлагаемые ими микрофлюидные системы с монолитной 3D-печатью воплощают простоту и красоту, предлагая широкий спектр потенциальных разработок и применений, которые мы предвидим в будущем", - говорит Норихиса Мики, профессор машиностроения Университета Кейо в Токио, который не принимал участия в этой работе.

"Возможность прямой печати микрожидкостных чипов с жидкостными каналами и электрическими функциями одновременно открывает очень интересные возможности при обработке биологических образцов, например, для усиления биомаркеров или для приведения в действие и смешивания жидкостей. Кроме того, из-за того, что PLA со временем разлагается, можно даже подумать об имплантируемых приложениях, в которых чипы растворяются и рассасываются с течением времени", - добавляет Никлас Роксхед, доцент Шведского Королевского технологического института KTH, который не принимал участия в этом исследовании.

Это исследование было частично профинансировано корпорацией "Эмпирико" и стипендией фонда La Caixa.