Wetenschappers hebben onlangs een modulair systeem ontwikkeld op basis van de Rubiks kubus om microfluïdische systemen te ontwerpen en opnieuw te configureren. Onderzoeksteams hadden eerder de rangschikking van microfluïdische blokken in verschillende conformaties nagestreefd om aan verschillende experimenten te voldoen. In dit werk, Xiaochen Lai en een team van wetenschappers van de Tianjin University in China werden geïnspireerd door de populaire Rubik's puzzel om een ​​driedimensionaal (3-D) microfluïdisch systeem te bouwen. De opstelling kan gemakkelijk worden gedraaid en gedraaid om de functie te veranderen. Ze bootsten het ontwerp van de Rubiks kubus na met modulaire stukken met microkanaallay-outs om een ​​strakke, lekvrije afdichting ten opzichte van de opstelling van het apparaat. Lai et al. een enkel apparaat gebruikt om vloeistofmenging en op druppeltjes gebaseerde microbiële cultuur uit te voeren voor een reeks praktische toepassingen als microfluïdische sensoren, pompen en kleppen in omgevingen met beperkte middelen. Het werk is nu gepubliceerd op Natuur:microsystemen en micro-engineering .

Microfluïdische systemen zijn zeer nuttig in wetenschappelijk onderzoek voor een reeks activiteiten, waaronder chemische analyse vanwege hun reactiesnelheid en hoge doorvoerfunctionaliteit. Echter, de technologie is nog in ontwikkeling en het potentieel ervan moet nog volledig worden onderzocht, aangezien het proces van microfluïdische fabricage nog steeds duur en tijdrovend is. Om snel aangepaste microfluïdische systemen in te zetten, bio-ingenieurs hebben het concept van modulaire microfluïdica voorgesteld, waarin individuele microfluïdische blokken kunnen worden ontworpen in een modulair ontwerp en worden samengevoegd tot een systeem. In de huidige studie, Lai et al. stelde een herconfigureerbaar microfluïdisch systeem voor, aangepast van de Rubiks kubus vanwege verschillende unieke kenmerken van het construct. Beginnen met, de Rubiks kubus bevatte een ingenieus vergrendelingsmechanisme om lekkage te voorkomen tijdens eenvoudige herconfiguratie. Tweede, de transformatie van de ene toestand naar de andere vereiste slechts maximaal 20 draaien van de kubus om gebruiksgemak te garanderen. Verder, de kubus kan vanuit de startpositie naar verschillende toestanden worden gecodeerd voor verschillende microfluïdische configuraties. Het voorgestelde systeem biedt een eenvoudig en betaalbaar proces dat de weg vrijmaakt voor zeer aangepaste toepassingen in omgevingen met beperkte middelen.

Ontwerpen en karakteriseren van de microfluïdische kubus

Het systeem verscheen als een gewone Rubiks kubus, maar alle 12 randkubussen en acht hoekkubussen werden geplaatst met blokken die interne microkanalen bevatten om microfluïdische functies uit te voeren. Elk van de rand- en hoekblokken behield een onafhankelijke microfluïdische chip, waar de inlaat/uitlaat zich in het geometrische midden van een oppervlak bevond. Lai et al. 3D-print al deze blokken met behulp van een desktop stereolithografie (SLA) printer. Ze gebruikten heldere hars om transparantie te verkrijgen voor het gemak van observatie en voegden twee siliconenrubberen O-ringen toe aan elk randblok om een ​​geïntegreerd systeem met soepele rotatie te garanderen. De afdichtingsstrategie met O-ring zorgde voor een afgedicht contact tussen de blokken voor hun geautomatiseerde uitlijning.

Na het ontwikkelen van de microfluïdische kubusblokken, het team evalueerde hun prestaties door hun dimensie en tolerantie te bepalen. Ze merkten fabricagefouten op tijdens 3D-printen, hoewel dergelijke fouten geen vloeistoflekkage veroorzaakten tijdens zijn activiteit vanwege de O-ring-ondersteunde afdichtingsstrategie. Vervolgens testten ze de drukweerstand van het microfluïdische systeem, die afhing van de strakheid van de veer om de blokken bij elkaar te houden met een lekvrije vloeistofstroom. De hoge drukweerstand in de kubus was ook het gevolg van zijn structuur. Om beeldvorming van hoge kwaliteit tussen het kanaal en de kubus te bereiken, Lai et al. gericht op het op maat bouwen van blokken met vooringenomen kanalen en kamers nabij het kubusoppervlak voor zelfvoorzienende observaties van de microkanalen.

De microfluïdische kubus opnieuw configureren -

De wetenschappers hebben de microfluïdica opnieuw geconfigureerd door de vlakken van de kubus te draaien en de volgorde te detecteren door de algoritmen van Rubik te volgen - een reeks onthouden bewegingen met een specifiek effect op de kubus. Gebruikelijk, een reeks bewegingen van een algoritme wordt Singmaster-rotatie genoemd, waarbij hoofdletters elke beweging vertegenwoordigen. Elke transformatie was mogelijk binnen enkele seconden, en in sommige gevallen, Lai et al. eenvoudigere algoritmen gebruikt voor snellere transformatie. Met behulp van algoritmen bepaalde het team de positie van de meeste blokken in de kubus om de microfluïdica aan te passen, maar er waren enkele intrinsieke limieten aan de Rubiks kubus ten opzichte van de microfluïdische regeling, die ze opnieuw hebben geconfigureerd met behulp van een online Rubik's kubusoplosser. De wetenschappers hebben de definitieve opstelling van microfluïdische blokken in de ongecodeerde staat gezet en een algoritme voor configuratie berekend als een relatief geoptimaliseerde oplossing voor de Rubiks kubus. Aangezien het bewezen maximale aantal zetten nodig is om een ​​van de permutaties van een Rubiks kubus te herstellen, ook bekend als het getal van God, is 20, dezelfde regels waren van toepassing op het huidige systeem. Daarom, als Lai et al. een specifiek microfluïdisch systeem zouden herconfigureren vanuit een volledig ongeordende staat, 20 zetten waren voldoende.

Toepassingen van de microfluïdische kubus –

De voorgestelde opstelling heeft verschillende voordelen in vergelijking met eerder gerapporteerde modulaire microfluïdica, inclusief lekvrij gebruiksgemak en demontagevrije herconfiguratie in omgevingen met beperkte middelen. Om het nut ervan aan te tonen, de wetenschappers voltooiden een reeks scenario's. Ze vormden een T-junctieblok voor het homogeen mengen van vloeistoffen en herconfigureerden vervolgens de microfluïdische kubus om een ​​druppelgenerator te creëren. De nieuwe opstelling maakte het mogelijk om water-in-oliedruppels te genereren voor hun verzameling, observatie en verdere functionaliteit. Dergelijke microfluïdische apparaten laten een groot aantal parallelle reacties toe voor toepassingen met een hoge doorvoer. Voor toepassingen in de echte wereld, Lai et al. voerde op druppels gebaseerde microbiële kweekexperimenten uit met de voorgestelde microfluïdische kubus. Microbiële kweek is essentieel voor een reeks diagnostiek, genetica en bio-engineering toepassingen voor zeer parallel en high throughput onderzoek naar bacteriële evolutie. In dit experiment, de wetenschappers gebruikten de Escherichia coli-cultuur, incubeerde de microfluïdische kubus bij kamertemperatuur en gebruikte resazurin als een indicator voor de levensvatbaarheid van de cellen om de cellen tijdens de kweek te evalueren. Het team volgde de celactiviteit op basis van de kleurverandering van de druppeltjes die aanvankelijk van blauw naar roze veranderden. en toen vervaagd, om bacteriële activiteit in de druppeltjes te bewijzen. De wetenschappers schatten ook de concentratie van bacteriële populaties tijdens het experiment.

Op deze manier, Xiaochen Lai en team presenteerden een nieuwe methode om snel aangepaste microfluïdische systemen te bouwen door een microfluïdische Rubiks kubus te spelen. De opstelling maakte een flexibele montage van diverse microfluïdische blokken mogelijk door simpelweg de vlakken van de kubus te draaien. Na elke omwenteling, het team heeft alle blokken zelf uitgelijnd en verzegeld voor veelzijdige microfluïdische functies onder begeleiding van een eenvoudig Rubik's kubus-algoritme. Als proof-of-concept, ze creëerden een 3D-geprint blok om kubusvormige microfluïdische systemen te vormen voor een goede herconfigureerbare en snelle implementatie op locatie. De wetenschappers willen de veelzijdigheid van de microfluïdische kubussen voor geavanceerde toepassingen verbeteren. De huidige opzet zal aangepaste microfluïdische systemen vergemakkelijken in omgevingen met beperkte middelen.

© 2020 Wetenschap X Netwerk