MIT-ingenieurs hebben zojuist een element van plezier geïntroduceerd in microfluïdica.

Het gebied van microfluïdica omvat minuscule apparaten die vloeistoffen nauwkeurig manipuleren op submillimeterschalen. Dergelijke apparaten hebben meestal de vorm van platte, tweedimensionale chips, geëtst met kleine kanalen en poorten die zijn ingericht om verschillende bewerkingen uit te voeren, zoals mengen, sorteren, pompen, en het opslaan van vloeistoffen terwijl ze stromen.

Nu het MIT-team, verder kijken dan zulke lab-on-a-chip-ontwerpen, heeft een alternatief microfluïdica-platform gevonden in "in elkaar grijpende, spuitgegoten blokken"—of, zoals de meesten van ons ze kennen, Lego blokjes.

"LEGO's zijn fascinerende voorbeelden van precisie en modulariteit in alledaagse vervaardigde objecten, " zegt Anastasios John Hart, universitair hoofddocent werktuigbouwkunde aan het MIT.

Inderdaad, LEGO-stenen worden zo consequent vervaardigd dat het niet uitmaakt waar ter wereld ze worden gevonden, elke twee stenen worden gegarandeerd uitgelijnd en stevig op hun plaats geklikt. Gezien deze hoge mate van precisie en consistentie, de MIT-onderzoekers kozen LEGO-stenen als basis voor een nieuw modulair microfluïdisch ontwerp.

In een paper gepubliceerd in het tijdschrift Lab on a Chip, het team beschrijft het microfrezen van kleine kanalen in LEGO's en het positioneren van de uitlaat van elke "vloeibare steen" om precies op één lijn te komen met de inlaat van een andere steen. De onderzoekers verzegelden vervolgens de wanden van elke gemodificeerde baksteen met een lijm, waardoor modulaire apparaten eenvoudig kunnen worden gemonteerd en opnieuw geconfigureerd.

Elke steen kan worden ontworpen met een bepaald patroon van kanalen om een ​​specifieke taak uit te voeren. De onderzoekers hebben tot nu toe stenen ontwikkeld als vloeistofweerstanden en mixers, evenals druppelgeneratoren. Hun vloeibare stenen kunnen in elkaar worden geklikt of uit elkaar worden gehaald, om modulaire microfluïdische apparaten te vormen die verschillende biologische operaties uitvoeren, zoals het sorteren van cellen, vloeistoffen mengen, en het uitfilteren van van belang zijnde moleculen.

"Je zou dan een microfluïdisch systeem kunnen bouwen op dezelfde manier als hoe je een LEGO-kasteel zou bouwen - steen voor steen, " zegt hoofdauteur Crystal Owens, een afgestudeerde student in MIT's Department of Mechanical Engineering. "We hopen in de toekomst, anderen gebruiken misschien LEGO-stenen om een ​​set microfluïdische gereedschappen te maken."

Modulaire mechanica

Hart, die ook directeur is van MIT's Laboratory for Manufacturing and Productivity en de Mechanosynthesis Group, richt zijn onderzoek vooral op nieuwe productieprocessen, met toepassingen variërend van nanomaterialen tot grootschalig 3D-printen.

"Door de jaren heen Ik heb perifere blootstelling gehad aan het gebied van microfluïdica en het feit dat het maken van prototypes voor microfluïdische apparaten vaak een moeilijk, tijdrovend, resource-intensief proces, ' zegt Hart.

Owens, die als student in een microfluïdicalab werkte, had uit de eerste hand de moeizame inspanningen gezien die nodig waren om een ​​lab op een chip te ontwikkelen. Nadat hij bij Hart's groep was gekomen, ze wilde graag een manier vinden om het ontwerpproces te vereenvoudigen.

De meeste microfluïdische apparaten bevatten alle benodigde kanalen en poorten om meerdere bewerkingen op één chip uit te voeren. Owens en Hart zochten naar manieren om, in essentie, laat dit platform met één chip exploderen en maak microfluïdica modulair, het toewijzen van een enkele bewerking aan een enkele module of unit. Een onderzoeker zou dan microfluïdische modules kunnen mixen en matchen om verschillende combinaties en reeksen van operaties uit te voeren.

Bij het zoeken naar manieren om hun modulaire ontwerp fysiek te realiseren, Owens en Hart vonden de perfecte sjabloon in LEGO-stenen, die ongeveer net zo lang zijn als een typische microfluïdische chip.

"Omdat LEGO's zo goedkoop zijn, breed toegankelijk, en consistent in hun grootte en herhaalbaarheid van montage, demontage, en montage, we vroegen of LEGO-stenen een manier konden zijn om een ​​toolkit van microfluïdische of vloeibare stenen te maken, ' zegt Hart.

Bouwen vanuit een idee

Om deze vraag te beantwoorden, het team kocht een set standaard, kant-en-klare LEGO-stenen en probeerden verschillende manieren om microfluïdische kanalen in elke steen te introduceren. De meest succesvolle methode bleek micromilling te zijn, een beproefde techniek die gewoonlijk wordt gebruikt om extreem fijn te boren, submillimeterkenmerken in metalen en andere materialen.

Owens gebruikte een desktop micromill om eerst een eenvoudige, 500 micron breed kanaal in de zijwand van een standaard LEGO-steen. Vervolgens plakte ze een doorzichtige film over de muur om deze af te dichten en pompte vloeistof door het pas gefreesde kanaal van de baksteen. Ze zag dat de vloeistof met succes door het kanaal stroomde, demonstreren dat de steen functioneerde als een stromingsweerstand - een apparaat dat zeer kleine hoeveelheden vloeistof doorlaat.

Met dezelfde techniek, ze fabriceerde een vloeistofmixer door een horizontale, Y-vormig kanaal, en het sturen van een andere vloeistof door elke arm van de Y. Waar de twee armen elkaar ontmoetten, de vloeistoffen met succes gemengd. Owens veranderde ook een LEGO-steen in een druppelgenerator door een T-vormig patroon in de muur te frezen. Terwijl ze vloeistof door het ene uiteinde van de T pompte, ze ontdekte dat een deel van de vloeistof door het midden naar beneden viel, een druppel vormen wanneer deze de steen verlaat.

Om modulariteit aan te tonen, Owens bouwde een prototype op een standaard LEGO-grondplaat bestaande uit verschillende stenen, elk ontworpen om een ​​andere bewerking uit te voeren wanneer vloeistof er doorheen wordt gepompt. Naast het maken van de vloeistofmixer en druppelgenerator, ze rustte ook een LEGO-steen uit met een lichtsensor, nauwkeurig positioneren van de sensor om licht te meten terwijl vloeistof door een kanaal op dezelfde locatie gaat.

Owens zegt dat het moeilijkste deel van het project was om uit te zoeken hoe de stenen aan elkaar moesten worden verbonden, zonder dat er vloeistof uitlekt. Hoewel LEGO-stenen zijn ontworpen om stevig op hun plaats te klikken, er is niettemin een kleine opening tussen de stenen, meten tussen 100 en 500 micron. Om deze kloof te dichten, Owens maakte een kleine O-ring rond elke inlaat en uitlaat in een baksteen.

"De O-ring past in een kleine cirkel die in het bakstenen oppervlak is gefreesd. Hij is ontworpen om een ​​bepaalde hoeveelheid uit te steken, dus als er nog een steen naast wordt gelegd, het comprimeert en creëert een betrouwbare vloeistofafdichting tussen de stenen. Dit werkt eenvoudig door de ene steen naast de andere te plaatsen, " zegt Owens. "Mijn doel was om het gebruiksvriendelijk te maken."

"Een gemakkelijke manier om te bouwen"

De onderzoekers merken slechts een paar nadelen op aan hun methode. Momenteel, ze zijn in staat om kanalen te fabriceren die tientallen microns breed zijn. Echter, sommige microfluïdische operaties vereisen veel kleinere kanalen, die niet kunnen worden gemaakt met behulp van microfreestechnieken. Ook, aangezien LEGO-stenen zijn gemaakt van thermoplasten, ze zijn waarschijnlijk niet bestand tegen blootstelling aan bepaalde chemicaliën die soms in microfluïdische systemen worden gebruikt.

"We hebben geëxperimenteerd met verschillende coatings die we op het oppervlak kunnen aanbrengen om LEGO-stenen te maken, zoals ze zijn, compatibel met verschillende vloeistoffen, " zegt Owens. "LEGO-achtige stenen kunnen ook van andere materialen worden gemaakt, zoals polymeren met hoge temperatuurstabiliteit en chemische weerstand."

Voor nu, een op LEGO gebaseerd microfluïdisch apparaat zou kunnen worden gebruikt om biologische vloeistoffen te manipuleren en taken uit te voeren zoals het sorteren van cellen, filtrerende vloeistoffen, en het inkapselen van moleculen in individuele druppeltjes. Het team ontwerpt momenteel een website die informatie zal bevatten over hoe anderen hun eigen vloeibare stenen kunnen ontwerpen met behulp van standaard LEGO-stukken.

"Onze methode biedt een toegankelijk platform voor het maken van prototypes van microfluïdische apparaten, " zegt Hart. "Als het soort apparaat dat je wilt maken, en de materialen waarmee je werkt, zijn geschikt voor dit soort modulair ontwerp, dit is een gemakkelijke manier om een ​​microfluïdisch apparaat te bouwen voor laboratoriumonderzoek."

Dit verhaal is opnieuw gepubliceerd met dank aan MIT News (web.mit.edu/newsoffice/), een populaire site met nieuws over MIT-onderzoek, innovatie en onderwijs.