Forskare har nyligen konstruerat ett modulärt system baserat på Rubiks kub för att designa och omkonfigurera mikrofluidsystem. Forskarlag hade tidigare strävat efter arrangemanget av mikrofluidiska block i olika konformationer för att passa olika experiment. I det här arbetet, Xiaochen Lai och ett team av forskare vid Tianjin University i Kina inspirerades av det populära Rubiks pussel för att bygga ett tredimensionellt (3D) mikrofluidsystem. Installationen kunde enkelt vridas och vändas för att ändra dess funktion. De efterliknade designen av Rubiks kub med modulära delar som innehöll mikrokanallayouter för att uppnå en tät, läckagesäker tätning i förhållande till anordningsarrangemang. Lai et al. använde en enda enhet för att utföra vätskeblandning och droppbaserad mikrobiell odling för en rad praktiska tillämpningar som mikrofluidsensorer, pumpar och ventiler i resursbegränsade inställningar. Verket är nu publicerat på Natur:Mikrosystem och mikroteknik .

Mikrofluidsystem är mycket användbara i vetenskaplig forskning för en rad aktiviteter inklusive kemisk analys på grund av deras reaktionshastighet och höga genomströmningsfunktionalitet. Dock, Tekniken är fortfarande under utveckling och dess potential återstår att utforskas fullt ut eftersom processen för mikrofluidisk tillverkning fortfarande är dyr och tidskrävande. För att snabbt distribuera skräddarsydda mikrofluidsystem, bioingenjörer har föreslagit konceptet med modulär mikrofluidik, där enskilda mikrofluidiska block kan konstrueras i en modulär design och sättas ihop för att bilda ett system. I föreliggande studie, Lai et al. föreslog ett omkonfigurerbart mikrofluidsystem anpassat från Rubiks kub på grund av flera unika egenskaper hos konstruktionen. Till att börja med, Rubiks kub innehöll en genialisk låsmekanism för att förhindra läckage under enkel omkonfigurering. Andra, omvandlingen från ett tillstånd till ett annat krävde bara maximalt 20 vridningar av kuben för att säkerställa enkel användning. Vidare, kuben kunde förvrängas till en mängd olika tillstånd från startpositionen för olika mikrofluidkonfigurationer. Det föreslagna systemet ger en enkel och prisvärd process som banar väg mot mycket anpassade applikationer i resursbegränsade inställningar.

Designa och karakterisera mikrofluidikkuben

Systemet dök upp som en vanlig Rubiks kub, men alla 12 kantkuber och åtta hörnkuber placerades med block som innehöll interna mikrokanaler för att utföra mikrofluidiska funktioner. Vart och ett av kant- och hörnblocken upprätthöll ett oberoende mikrofluidchip, där dess inlopp/utlopp var beläget i den geometriska mitten av en yta. Lai et al. 3-D skrev ut alla dessa block med en stationär stereolitografi (SLA) skrivare. De använde klart harts för att få genomskinlighet för enkel observation och inkluderade två O-ringar av silikongummi i varje kantblock för att säkerställa ett integrerat system med jämn rotation. Den O-ringstödda tätningsstrategin säkerställde tät kontakt mellan blocken för deras automatiska inriktning.

Efter att ha utvecklat de mikrofluidiska kubblocken, teamet utvärderade sin prestation genom att fastställa deras dimension och tolerans. De noterade tillverkningsfel under 3D-utskrift, även om sådana fel inte orsakade vätskeläckage under dess aktivitet på grund av den O-ringsstödda tätningsstrategin. De testade sedan tryckmotståndet hos mikrofluidiksystemet, vilket berodde på fjäderns täthet för att hålla ihop blocken med läcksäkert vätskeflöde. Det höga tryckmotståndet i kuben resulterade också på grund av dess struktur. För att åstadkomma högkvalitativ bildbehandling mellan kanalen och kuben, Lai et al. syftade till att specialbygga block med förspända kanaler och kammare nära kubytan för självförsörjande observationer av mikrokanalerna.

Konfigurera om mikrofluidikkuben –

Forskarna konfigurerade om mikrofluidikerna genom att vrida på kubens ytor och upptäckte sekvensen genom att följa Rubiks algoritmer - en uppsättning memorerade rörelser med en specifik effekt på kuben. Vanligtvis, en sekvens av rörelser av en algoritm kallas Singmaster-rotation där versaler representerar varje drag. Varje transformation var möjlig inom några sekunder, och i vissa fall, Lai et al. använt enklare algoritmer för snabbare transformation. Med hjälp av algoritmer utsåg teamet positionen för de flesta av blocken i kuben för att anpassa mikrofluidikerna, men det fanns några inneboende gränser för Rubiks kub i förhållande till mikrofluidikarrangemanget, som de konfigurerade om med hjälp av en online Rubiks kublösare. Forskarna satte det slutliga arrangemanget av mikrofluidikblock till det okodade tillståndet och beräknade en algoritm för konfiguration som en relativt optimerad lösning på Rubiks kub. Eftersom det bevisade maximala antalet drag som krävs för att återställa någon av permutationerna i en Rubiks kub, även känt som Guds nummer, är 20, samma regler som gäller för det nuvarande systemet. Därför, om Lai et al. skulle konfigurera om ett specifikt mikrofluidsystem från ett helt oordnat tillstånd, 20 drag räckte.

Tillämpningar av den mikrofluidiska kuben –

Den föreslagna installationen har flera fördelar jämfört med tidigare rapporterade modulära mikrofluidik, inklusive läckagesäker användarvänlighet och demonteringsfri omkonfiguration i resursbegränsade inställningar. För att visa dess användbarhet, forskarna genomförde en serie scenarier. De bildade ett T-övergångsblock för homogen vätskeblandning och konfigurerade sedan om den mikrofluidiska kuben för att skapa en droppgenerator. Den nya uppsättningen möjliggjorde generering av vatten-i-olja droppar för deras insamling, observation och ytterligare funktionalitet. Sådana mikrofluidiska anordningar tillåter att en stor mängd parallella reaktioner inträffar för tillämpningar med hög genomströmning. För verkliga applikationer, Lai et al. genomfört droppbaserade mikrobiella odlingsexperiment med den föreslagna mikrofluidkuben. Mikrobiell odling är avgörande för en rad diagnostik, genetik och bioteknikapplikationer för mycket parallell forskning med hög genomströmning om bakteriell evolution. I detta experiment, forskarna använde Escherichia coli-kultur, inkuberade den mikrofluidiska kuben vid rumstemperatur och använde resazurin som en cellviabilitetsindikator för att utvärdera cellerna under odlingen. Teamet övervakade cellaktivitet baserat på färgförändringen hos dropparna som först blev från blå till rosa, och sedan bleknade, för att bevisa bakteriell aktivitet i dropparna. Forskarna uppskattade också koncentrationen av bakteriepopulationer under experimentet.

På det här sättet, Xiaochen Lai och teamet presenterade en ny metod för att snabbt bygga anpassade mikrofluidsystem genom att spela en mikrofluidisk Rubiks kub. Inställningen möjliggjorde flexibel montering av olika mikrofluidiska block genom att helt enkelt rotera kubens ytor. Efter varje rotation, teamet självjusterade och förseglade alla block för mångsidiga mikrofluidiska funktioner under ledning av en enkel Rubiks kubalgoritm. Som ett bevis på konceptet, de skapade ett 3D-utskrivet block för att bilda kubformade mikrofluidsystem för god omkonfigurerbarhet och snabb implementering på plats. Forskarna strävar efter att förbättra mångsidigheten hos mikrofluidikkuberna för avancerade applikationer. Den nuvarande installationen kommer att underlätta anpassade mikrofluidsystem i resursbegränsade inställningar.

© 2020 Science X Network