MIT -ingenjörer har just introducerat ett element av roligt i mikrofluidik.

Mikrofluidikens område innefattar små enheter som exakt manipulerar vätskor vid submillimetervågar. Sådana anordningar har vanligtvis plattform, tvådimensionella chips, etsad med små kanaler och portar som är anordnade att utföra olika operationer, som blandning, sortering, pumpar, och lagra vätskor när de flödar.

Nu MIT -teamet, ser bortom sådana lab-on-a-chip-design, har hittat en alternativ mikrofluidikplattform i "förregling, formsprutade block "-eller, som de flesta av oss känner dem, LEGO klossar.

"LEGO är fascinerande exempel på precision och modularitet i vardagliga föremål, "säger Anastasios John Hart, docent i maskinteknik vid MIT.

Verkligen, LEGO klossar tillverkas så konsekvent att oavsett var i världen de finns, alla två tegelstenar kommer garanterat att ställa upp och snäppa säkert på plats. Med tanke på denna höga grad av precision och konsistens, MIT -forskarna valde LEGO -klossar som grund för en ny modulär mikrofluidisk design.

I ett papper publicerat i tidskriften Lab on a Chip, teamet beskriver mikromillning av små kanaler i LEGO och placerar utloppet för varje "fluidic brick" för att passa exakt inloppet till ett annat tegel. Forskarna förseglade sedan väggarna i varje modifierat tegel med ett lim, gör det möjligt att enkelt montera och omkonfigurera modulära enheter.

Varje tegel kan utformas med ett visst kanalmönster för att utföra en specifik uppgift. Forskarna har hittills konstruerat tegel som vätskemotstånd och blandare, samt droppgeneratorer. Deras flytande tegelstenar kan knäppas ihop eller tas isär, att bilda modulära mikrofluidiska enheter som utför olika biologiska operationer, som att sortera celler, blanda vätskor, och filtrera bort intressanta molekyler.

"Du kan sedan bygga ett mikrofluidiskt system på samma sätt som hur du skulle bygga ett LEGO -slott - tegel för tegel, "säger huvudförfattaren Crystal Owens, en doktorand vid MIT:s avdelning för maskinteknik. "Vi hoppas i framtiden, andra kan använda LEGO -klossar för att göra ett kit med mikrofluidiska verktyg. "

Modulär mekanik

Hjort, som också är chef för MIT:s laboratorium för tillverkning och produktivitet och Mechanosynthesis Group, fokuserar främst sin forskning på nya tillverkningsprocesser, med applikationer som sträcker sig från nanomaterial till storskalig 3D-utskrift.

"Över åren, Jag har haft perifer exponering för området mikrofluidik och det faktum att prototyper av mikrofluidiska enheter ofta är svårt, tidskrävande, resurskrävande process, "Säger Hart.

Owens, som arbetade i ett mikrofluidiklabb som grundutbildning, hade på egen hand sett de noggranna ansträngningarna som gjordes för att konstruera ett labb på ett chip. Efter att ha gått med i Harts grupp, hon var ivrig efter att hitta ett sätt att förenkla designprocessen.

De flesta mikrofluidiska enheter innehåller alla nödvändiga kanaler och portar för att utföra flera operationer på ett chip. Owens och Hart letade efter sätt att, i huvudsak, explodera den här en-chip-plattformen och gör mikrofluidik modulär, tilldela en enda operation till en enda modul eller enhet. En forskare kan sedan blanda och matcha mikrofluidmoduler för att utföra olika kombinationer och sekvenser av operationer.

När jag kastar runt efter sätt att fysiskt förverkliga sin modulära design, Owens och Hart hittade den perfekta mallen i LEGO klossar, som är ungefär lika långa som ett typiskt mikrofluidiskt chip.

"Eftersom LEGO är så billiga, allmänt tillgänglig, och konsekvent i storlek och repeterbarhet av montering, demontering, och montering, vi frågade om LEGO -klossar kan vara ett sätt att skapa en verktygssats med mikrofluidiska eller fluidiska tegelstenar, "Säger Hart.

Bygga utifrån en idé

För att svara på denna fråga, laget köpte en uppsättning standard, lego-klossar på hyllan och försökte på olika sätt införa mikrofluidiska kanaler i varje tegel. Den mest framgångsrika metoden visade sig vara micromilling, en väletablerad teknik som vanligtvis används för att borra extremt fin, submillimeter funktioner i metaller och andra material.

Owens använde en stationär mikromill för att först fräsa en enkel, 500 mikron bred kanal in i sidoväggen på ett standard LEGO-tegel. Hon tejpade sedan en klar film över väggen för att täta den och pumpade vätska genom tegelns nyfrästa kanal. Hon observerade att vätskan framgångsrikt flödade genom kanalen, att demonstrera tegelstenen fungerade som ett flödesmotstånd - en enhet som låter mycket små mängder vätska rinna igenom.

Med samma teknik, hon tillverkade en vätskeblandare genom att fräsa en horisontell, Y-formad kanal, och skicka en annan vätska genom varje arm på Y. Där de två armarna möttes, vätskorna blandades framgångsrikt. Owens förvandlade också ett LEGO-tegel till en droppgenerator genom att fräsa ett T-format mönster i väggen. När hon pumpade vätska genom ena änden av T, hon fann att en del av vätskan sjönk ner i mitten, bilda en droppe när den lämnade tegelstenen.

För att visa modularitet, Owens byggde en prototyp på en standard LEGO basplatta bestående av flera tegelstenar, var och en utformad för att utföra en annan operation när vätska pumpas igenom. Förutom att göra vätskeblandaren och droppgeneratorn, hon utrustade också ett LEGO -tegel med en ljussensor, exakt positionera sensorn för att mäta ljus som vätska som passerar genom en kanal på samma plats.

Owens säger att den svåraste delen av projektet var att ta reda på hur man kopplar ihop tegelstenarna, utan att vätska läcker ut. Medan LEGO -klossar är utformade för att snäppa säkert på plats, det finns ändå ett litet gap mellan tegelstenar, mäter mellan 100 och 500 mikron. För att täta detta gap, Owens tillverkade en liten O-ring runt varje inlopp och utlopp i en tegelsten.

"O-ringen passar in i en liten cirkel fräst in i tegelytan. Den är utformad för att sticka ut en viss mängd, så när ett annat tegel läggs bredvid det, det komprimerar och skapar en pålitlig vätsketätning mellan tegelstenarna. Detta fungerar helt enkelt genom att placera ett tegel bredvid ett annat, "Owens säger." Mitt mål var att göra det enkelt att använda. "

"Ett enkelt sätt att bygga"

Forskarna noterar bara ett par nackdelar med deras metod. Just nu, de kan tillverka kanaler som är tiotals mikron breda. Dock, vissa mikrofluidoperationer kräver mycket mindre kanaler, som inte kan tillverkas med mikromillingsteknik. Också, eftersom LEGO -klossar är gjorda av termoplast, de tål sannolikt inte exponering för vissa kemikalier som ibland används i mikrofluidiska system.

"Vi har experimenterat med olika beläggningar som vi kunde lägga på ytan för att göra LEGO -klossar, som de är, kompatibel med olika vätskor, "Owens säger." LEGO-liknande tegelstenar kan också tillverkas av andra material, såsom polymerer med hög temperaturstabilitet och kemisk beständighet. "

Tills vidare, en LEGO-baserad mikrofluidisk enhet kan användas för att manipulera biologiska vätskor och utföra uppgifter som att sortera celler, filtreringsvätskor, och inkapsling av molekyler i enskilda droppar. Teamet håller just nu på att designa en webbplats som innehåller information om hur andra kan designa sina egna klossar med hjälp av standard LEGO -bitar.

"Vår metod ger en tillgänglig plattform för prototyper av mikrofluidiska enheter, "Säger Hart." Om den typ av enhet du vill göra, och materialet du arbetar med, är lämpliga för denna typ av modulär design, detta är ett enkelt sätt att bygga en mikrofluidisk enhet för laboratorieforskning. "

Denna artikel publiceras på nytt med tillstånd av MIT News (web.mit.edu/newsoffice/), en populär webbplats som täcker nyheter om MIT -forskning, innovation och undervisning.