麻省理工學(xué)院的研究人員已經(jīng)利用3D打印技術(shù)成功制造出自加熱微流體設(shè)備，展示了這一技術(shù)的潛力，有朝一日可用于快速創(chuàng)建成本低廉但精準(zhǔn)的工具來檢測(cè)各種疾病。

微流體是一種微型機(jī)器，用于操縱流體并促進(jìn)化學(xué)反應(yīng)，可用于檢測(cè)微小血液或液體樣本中的疾病。例如，COVID-19的家用測(cè)試套件中包含一種簡(jiǎn)單的微流體。

然而，許多微流體應(yīng)用需要在特定溫度下進(jìn)行化學(xué)反應(yīng)。這些更復(fù)雜的微流體裝置通常在潔凈室中制造，配備有由金或鉑制成的加熱元件，采用復(fù)雜且昂貴的制造工藝，難以擴(kuò)大規(guī)模。

相反，麻省理工學(xué)院團(tuán)隊(duì)采用多材料3D打印技術(shù)，通過單一、廉價(jià)的制造工藝來創(chuàng)建帶有內(nèi)置加熱元件的自加熱微流體設(shè)備。他們生產(chǎn)的設(shè)備可以在流體流經(jīng)微型機(jī)器內(nèi)部的微觀通道時(shí)將其加熱到特定溫度。

他們的技術(shù)是可定制的，因此工程師可以創(chuàng)建一種微流體，將流體加熱到特定溫度或設(shè)備特定區(qū)域內(nèi)的給定加熱曲線。低成本制造過程需要大約2美元的材料來生成即用型微流體。

這項(xiàng)技術(shù)對(duì)于在發(fā)展中國(guó)家的偏遠(yuǎn)地區(qū)創(chuàng)建自加熱微流體非常有用，這些地區(qū)的臨床醫(yī)生可能無(wú)法獲得許多診斷程序所需的昂貴的實(shí)驗(yàn)室設(shè)備。

麻省理工學(xué)院微系統(tǒng)技術(shù)實(shí)驗(yàn)室（MTL）的首席科學(xué)家，描述制造技術(shù)的論文的高級(jí)作者路易斯·費(fèi)爾南多·維拉斯奎茲-加西亞表示：“特別是通常用來制造這些設(shè)備的潔凈室，其建造和運(yùn)行成本極其昂貴。但我們可以使用增材制造技術(shù)來制造功能非常強(qiáng)大的自加熱微流體裝置，而且它們的制造速度比傳統(tǒng)方法更快、更便宜。這確實(shí)是使這項(xiàng)技術(shù)大眾化的一種方式?！?br />
這項(xiàng)研究的主要作者豪爾赫·卡納達(dá)·佩雷斯·薩拉是一名電氣工程和計(jì)算機(jī)科學(xué)研究生。該研究將于本月在PowerMEMS會(huì)議上公布。

絕緣體變得導(dǎo)電

這種新的制造工藝采用了一種稱為多材料擠出3D打印的技術(shù)，其中通過打印機(jī)的多個(gè)噴嘴逐層構(gòu)建設(shè)備。該工藝是整體式的，這意味著整個(gè)設(shè)備可以在3D打印機(jī)上一步生產(chǎn)出來，無(wú)需任何后期組裝。

為了制造自加熱微流體，研究人員使用了兩種材料：一種常用于3D打印的可生物降解聚合物聚乳酸（PLA），以及PLA的改良版。

Velásquez-García 解釋說，改性聚乳酸​​將銅納米粒子混合到聚合物中，從而將這種絕緣材料轉(zhuǎn)化為電導(dǎo)體。當(dāng)電流輸入由這種銅摻雜PLA組成的電阻器時(shí)，能量會(huì)以熱量的形式耗散。

“仔細(xì)想想，這真是太神奇了，因?yàn)镻LA材料是一種電介質(zhì)，但當(dāng)你加入這些納米顆粒雜質(zhì)時(shí)，它的物理特性就會(huì)完全改變。這是我們尚未完全理解的事情，但它確實(shí)發(fā)生了，而且是可重復(fù)的，”他說。

研究人員使用多材料3D打印機(jī)，用摻銅PLA制造加熱電阻器，然后在一個(gè)打印步驟中直接在頂部打印微流體裝置，該裝置具有流體可以流過的微觀通道。由于組件由相同的基材制成，因此它們具有相似的打印溫度并且兼容。

電阻器散發(fā)的熱量將使流經(jīng)微流體通道的流體變暖。

除了電阻器和微流體之外，他們還使用打印機(jī)添加一層薄薄的、連續(xù)的PLA夾在它們之間。制造該層尤其具有挑戰(zhàn)性，因?yàn)樗仨氉銐虮?，以便熱量可以從電阻器傳遞到微流體，但又不能太薄，以免流體泄漏到電阻器中。

最終的機(jī)器大約有25美分硬幣大小，并且可以在幾分鐘內(nèi)生產(chǎn)出來。約500微米寬、400微米高的通道穿過微流體，以輸送流體并促進(jìn)化學(xué)反應(yīng)。

重要的是，PLA材料是半透明的，因此設(shè)備中的液體仍然可見。維拉斯奎茲-加西亞解釋說，許多過程依賴可視化或使用光來推斷化學(xué)反應(yīng)過程中發(fā)生的情況。

可定制的化學(xué)反應(yīng)器

研究人員利用這一一步制造工藝生成了一種原型，當(dāng)流體在輸入和輸出之間流動(dòng)時(shí)，該原型可以將流體加熱4攝氏度。這種可定制的技術(shù)可以使他們制造出能夠以特定模式或沿著特定梯度加熱流體的設(shè)備。

“你可以使用這兩種材料來創(chuàng)建完全符合你要求的化學(xué)反應(yīng)器。我們可以設(shè)置特定的加熱曲線，同時(shí)仍然擁有微流體的所有功能，”他說。

然而，一個(gè)限制是PLA只能加熱到50攝氏度左右才能開始降解。許多化學(xué)反應(yīng)，例如用于聚合酶鏈?zhǔn)椒磻?yīng)（PCR）測(cè)試的化學(xué)反應(yīng)，需要90度或更高的溫度。為了精確控制設(shè)備的溫度，研究人員需要集成第三種能夠?qū)崿F(xiàn)溫度傳感的材料。

除了在未來的工作中解決這些限制之外，Velásquez-García 還希望將磁鐵直接打印到微流體裝置中。這些磁鐵可以實(shí)現(xiàn)需要對(duì)顆粒進(jìn)行分類或排列的化學(xué)反應(yīng)。

與此同時(shí)，他和他的同事正在探索使用其他可以達(dá)到更高溫度的材料。他們還在研究PLA，以更好地了解為什么當(dāng)聚合物中添加某些雜質(zhì)時(shí)它會(huì)變得導(dǎo)電。

“如果我們能夠理解與PLA導(dǎo)電性相關(guān)的機(jī)制，這將大大增強(qiáng)這些設(shè)備的能力，但它比其他一些工程問題更難解決，”他補(bǔ)充道。

“在日本文化中，人們常說美麗在于簡(jiǎn)單?？{達(dá)和委拉斯開茲-加西亞的作品呼應(yīng)了這種觀點(diǎn)。他們提出的整體3D打印微流體系統(tǒng)體現(xiàn)了簡(jiǎn)單性和美觀性，提供了我們預(yù)見的未來廣泛的潛在衍生和應(yīng)用。”東京慶應(yīng)義塾大學(xué)機(jī)械工程教授Norihisa Miki說道，他沒有參與這項(xiàng)研究。

“能夠同時(shí)直接打印具有流體通道和電氣特征的微流體芯片，在處理生物樣品時(shí)開辟了非常現(xiàn)有的應(yīng)用，例如放大生物標(biāo)記或驅(qū)動(dòng)和混合液體。此外，由于PLA會(huì)隨著時(shí)間的推移而降解，人們甚至可以想到芯片會(huì)隨著時(shí)間的推移而溶解和吸收的植入式應(yīng)用?！比鸬銴TH皇家理工學(xué)院副教授Niclas Roxhed補(bǔ)充道，他沒有參與這項(xiàng)研究。

這項(xiàng)研究的部分資金來自Empiriko Corporation和La Caixa基金會(huì)的獎(jiǎng)學(xué)金。

麻省理工學(xué)院的研究人員已經(jīng)利用3D打印技術(shù)成功制造出自加熱微流體設(shè)備，展示了這一技術(shù)的潛力，有朝一日可用于快速創(chuàng)建成本低廉但精準(zhǔn)的工具來檢測(cè)各種疾病。

微流體是一種微型機(jī)器，用于操縱流體并促進(jìn)化學(xué)反應(yīng)，可用于檢測(cè)微小血液或液體樣本中的疾病。例如，COVID-19的家用測(cè)試套件中包含一種簡(jiǎn)單的微流體。

然而，許多微流體應(yīng)用需要在特定溫度下進(jìn)行化學(xué)反應(yīng)。這些更復(fù)雜的微流體裝置通常在潔凈室中制造，配備有由金或鉑制成的加熱元件，采用復(fù)雜且昂貴的制造工藝，難以擴(kuò)大規(guī)模。

相反，麻省理工學(xué)院團(tuán)隊(duì)采用多材料3D打印技術(shù)，通過單一、廉價(jià)的制造工藝來創(chuàng)建帶有內(nèi)置加熱元件的自加熱微流體設(shè)備。他們生產(chǎn)的設(shè)備可以在流體流經(jīng)微型機(jī)器內(nèi)部的微觀通道時(shí)將其加熱到特定溫度。

他們的技術(shù)是可定制的，因此工程師可以創(chuàng)建一種微流體，將流體加熱到特定溫度或設(shè)備特定區(qū)域內(nèi)的給定加熱曲線。低成本制造過程需要大約2美元的材料來生成即用型微流體。

這項(xiàng)技術(shù)對(duì)于在發(fā)展中國(guó)家的偏遠(yuǎn)地區(qū)創(chuàng)建自加熱微流體非常有用，這些地區(qū)的臨床醫(yī)生可能無(wú)法獲得許多診斷程序所需的昂貴的實(shí)驗(yàn)室設(shè)備。

麻省理工學(xué)院微系統(tǒng)技術(shù)實(shí)驗(yàn)室（MTL）的首席科學(xué)家，描述制造技術(shù)的論文的高級(jí)作者路易斯·費(fèi)爾南多·維拉斯奎茲-加西亞表示：“特別是通常用來制造這些設(shè)備的潔凈室，其建造和運(yùn)行成本極其昂貴。但我們可以使用增材制造技術(shù)來制造功能非常強(qiáng)大的自加熱微流體裝置，而且它們的制造速度比傳統(tǒng)方法更快、更便宜。這確實(shí)是使這項(xiàng)技術(shù)大眾化的一種方式?！?br />
這項(xiàng)研究的主要作者豪爾赫·卡納達(dá)·佩雷斯·薩拉是一名電氣工程和計(jì)算機(jī)科學(xué)研究生。該研究將于本月在PowerMEMS會(huì)議上公布。

絕緣體變得導(dǎo)電

這種新的制造工藝采用了一種稱為多材料擠出3D打印的技術(shù)，其中通過打印機(jī)的多個(gè)噴嘴逐層構(gòu)建設(shè)備。該工藝是整體式的，這意味著整個(gè)設(shè)備可以在3D打印機(jī)上一步生產(chǎn)出來，無(wú)需任何后期組裝。

為了制造自加熱微流體，研究人員使用了兩種材料：一種常用于3D打印的可生物降解聚合物聚乳酸（PLA），以及PLA的改良版。

Velásquez-García 解釋說，改性聚乳酸​​將銅納米粒子混合到聚合物中，從而將這種絕緣材料轉(zhuǎn)化為電導(dǎo)體。當(dāng)電流輸入由這種銅摻雜PLA組成的電阻器時(shí)，能量會(huì)以熱量的形式耗散。

“仔細(xì)想想，這真是太神奇了，因?yàn)镻LA材料是一種電介質(zhì)，但當(dāng)你加入這些納米顆粒雜質(zhì)時(shí)，它的物理特性就會(huì)完全改變。這是我們尚未完全理解的事情，但它確實(shí)發(fā)生了，而且是可重復(fù)的，”他說。

研究人員使用多材料3D打印機(jī)，用摻銅PLA制造加熱電阻器，然后在一個(gè)打印步驟中直接在頂部打印微流體裝置，該裝置具有流體可以流過的微觀通道。由于組件由相同的基材制成，因此它們具有相似的打印溫度并且兼容。

電阻器散發(fā)的熱量將使流經(jīng)微流體通道的流體變暖。

除了電阻器和微流體之外，他們還使用打印機(jī)添加一層薄薄的、連續(xù)的PLA夾在它們之間。制造該層尤其具有挑戰(zhàn)性，因?yàn)樗仨氉銐虮?，以便熱量可以從電阻器傳遞到微流體，但又不能太薄，以免流體泄漏到電阻器中。

最終的機(jī)器大約有25美分硬幣大小，并且可以在幾分鐘內(nèi)生產(chǎn)出來。約500微米寬、400微米高的通道穿過微流體，以輸送流體并促進(jìn)化學(xué)反應(yīng)。

重要的是，PLA材料是半透明的，因此設(shè)備中的液體仍然可見。維拉斯奎茲-加西亞解釋說，許多過程依賴可視化或使用光來推斷化學(xué)反應(yīng)過程中發(fā)生的情況。

可定制的化學(xué)反應(yīng)器

研究人員利用這一一步制造工藝生成了一種原型，當(dāng)流體在輸入和輸出之間流動(dòng)時(shí)，該原型可以將流體加熱4攝氏度。這種可定制的技術(shù)可以使他們制造出能夠以特定模式或沿著特定梯度加熱流體的設(shè)備。

“你可以使用這兩種材料來創(chuàng)建完全符合你要求的化學(xué)反應(yīng)器。我們可以設(shè)置特定的加熱曲線，同時(shí)仍然擁有微流體的所有功能，”他說。

然而，一個(gè)限制是PLA只能加熱到50攝氏度左右才能開始降解。許多化學(xué)反應(yīng)，例如用于聚合酶鏈?zhǔn)椒磻?yīng)（PCR）測(cè)試的化學(xué)反應(yīng)，需要90度或更高的溫度。為了精確控制設(shè)備的溫度，研究人員需要集成第三種能夠?qū)崿F(xiàn)溫度傳感的材料。

除了在未來的工作中解決這些限制之外，Velásquez-García 還希望將磁鐵直接打印到微流體裝置中。這些磁鐵可以實(shí)現(xiàn)需要對(duì)顆粒進(jìn)行分類或排列的化學(xué)反應(yīng)。

與此同時(shí)，他和他的同事正在探索使用其他可以達(dá)到更高溫度的材料。他們還在研究PLA，以更好地了解為什么當(dāng)聚合物中添加某些雜質(zhì)時(shí)它會(huì)變得導(dǎo)電。

“如果我們能夠理解與PLA導(dǎo)電性相關(guān)的機(jī)制，這將大大增強(qiáng)這些設(shè)備的能力，但它比其他一些工程問題更難解決，”他補(bǔ)充道。

“在日本文化中，人們常說美麗在于簡(jiǎn)單?？{達(dá)和委拉斯開茲-加西亞的作品呼應(yīng)了這種觀點(diǎn)。他們提出的整體3D打印微流體系統(tǒng)體現(xiàn)了簡(jiǎn)單性和美觀性，提供了我們預(yù)見的未來廣泛的潛在衍生和應(yīng)用。”東京慶應(yīng)義塾大學(xué)機(jī)械工程教授Norihisa Miki說道，他沒有參與這項(xiàng)研究。

“能夠同時(shí)直接打印具有流體通道和電氣特征的微流體芯片，在處理生物樣品時(shí)開辟了非常現(xiàn)有的應(yīng)用，例如放大生物標(biāo)記或驅(qū)動(dòng)和混合液體。此外，由于PLA會(huì)隨著時(shí)間的推移而降解，人們甚至可以想到芯片會(huì)隨著時(shí)間的推移而溶解和吸收的植入式應(yīng)用?！比鸬銴TH皇家理工學(xué)院副教授Niclas Roxhed補(bǔ)充道，他沒有參與這項(xiàng)研究。

這項(xiàng)研究的部分資金來自Empiriko Corporation和La Caixa基金會(huì)的獎(jiǎng)學(xué)金。