Een team van onderzoekers van de Tohoku Universiteit en het Okinawa Instituut voor Wetenschap en Technologie (OIST) heeft aanzienlijke vooruitgang geboekt op het gebied van microfluïdica, waardoor nauwkeurige en efficiënte manipulatie van vloeistoffen in driedimensionale omgevingen op microschaal mogelijk is. Dit werk opent nieuwe mogelijkheden voor bioanalytische toepassingen, zoals celscheidingen op het gebied van medische diagnostiek.

Details van hun doorbraak zijn gepubliceerd in het tijdschrift Microsystems &Nanoengineering op 22 januari 2024.

Microfluïdische apparaten zijn ontworpen om minuscule vloeistofvolumes te verwerken, waardoor onderzoekers analyses en processen met opmerkelijke precisie en efficiëntie kunnen uitvoeren.

De afgelopen jaren heeft de microfluïdische technologie zich snel ontwikkeld op verschillende gebieden, waaronder de geneeskunde, biologie en scheikunde. Onder hen vallen driedimensionale spiraalvormige microfluïdische apparaten op als game-changers. Hun ingewikkelde kurkentrekkerachtige ontwerp zorgt voor nauwkeurige vloeistofcontrole, efficiënte deeltjesscheiding en reagensmenging. Hun potentieel om een ​​revolutie teweeg te brengen in bioanalytische toepassingen wordt echter belemmerd door de huidige uitdagingen bij de fabricage. Het proces is tijdrovend en kostbaar, en bestaande productietechnieken beperken de materiaalopties en structurele configuraties.

Om deze beperkingen te overwinnen heeft een interdisciplinair team van Tohoku University en OIST een geminiaturiseerd rotatie-thermisch tekenproces (mini-rTDP) geïntroduceerd, geïnspireerd op traditionele Japanse technieken voor het maken van snoep:de fabricage van Kintaro-ame.

Hun innovatieve aanpak omvat het roteren van de materialen tijdens het thermisch uitrekken om ingewikkelde driedimensionale structuren in de vezels te creëren. Dit proces is zeer veelzijdig en biedt plaats aan een breed scala aan materialen die kunnen vervormen bij verhitting, waardoor eindeloze mogelijkheden ontstaan ​​voor het combineren van diverse materialen.

"Mini-rTDP vergemakkelijkt het snel prototypen van driedimensionale microfluïdische systemen, ideaal voor nauwkeurige manipulatie van biovloeistoffen", zegt Yuanyuan Guo, universitair hoofddocent aan het Frontier Research Institute for Interdisciplinaire Wetenschappen (FRIS) van Tohoku University.

"Mini-rTDP omvat het creëren van een gegoten polymeervoorvorm die kanalen bevat, die vervolgens worden uitgerekt en verwarmd om microfluïdische kanalen in een vezel te genereren. Deze kanalen kunnen vervolgens verder worden geroteerd om driedimensionale spiraalconfiguraties te vormen", legt Shunsuke Kato, een junior onderzoeker, uit. bij FRIS en de eerste auteur van het artikel.

In samenwerking met Amy Shen, leider van de Micro/Bio/Nanofluidics Unit bij OIST, voerde het interdisciplinaire Tohoku-OIST-team zowel simulaties als experimenten uit om vloeistofstromen binnen de spiraalvormige structuren te visualiseren. Daniel Carlson van het team van Shen zegt:"We hebben de aanwezigheid van Dean-wervelingen, een soort rotatiestroom die plaatsvindt in gebogen kanalen, in onze apparaten bevestigd, waardoor hun potentieel voor het aanzienlijk verbeteren van de scheidingsefficiëntie van cellen en deeltjes wordt bevestigd."

"De snelle prototyping van driedimensionale spiraalvormige microfluidica met behulp van mini-rTDP vertegenwoordigt een opmerkelijke vooruitgang op het gebied van microfluidica. Deze technologie biedt ongeëvenaarde veelzijdigheid, precisie en het potentieel om transformatieve veranderingen in verschillende industrieën te katalyseren", zegt Shen.

"Bovendien streven we actief naar de integratie van microfluïdische kanalen met functionaliteiten zoals elektroden, biosensoren en actuatoren rechtstreeks in vezels. Dit streven heeft het potentieel om een ​​revolutie teweeg te brengen in de bioanalytische technologieën van Lab-on-Chip", aldus Guo.

Dit onderzoek is een bewijs van de gezamenlijke inspanningen van het OIST SHIKA-programma en de bijpassende fondsen van Tohoku University, waarbij het sterke partnerschap en de synergie tussen deze twee instellingen wordt benadrukt.

Meer informatie: Shunsuke Kato et al, Twisted fiber microfluidics:een geavanceerde benadering van 3D-spiraalapparaten, Microsystemen en nano-engineering (2024). DOI:10.1038/s41378-023-00642-9

Journaalinformatie: Microsystemen en nano-engineering

Aangeboden door Tohoku Universiteit