Mikrofluidikenheter är små system med mikroskopiska kanaler som kan användas för kemiska eller biomedicinska tester och forskning. I ett potentiellt spelförändrande framsteg, MIT-forskare har nu införlivat mikrofluidiksystem i individuella fibrer, gör det möjligt att bearbeta mycket större volymer vätska, på mer komplexa sätt. På sätt och vis, framsteg öppnar upp för en ny "makro"-era av mikrofluidik.

Traditionella mikrofluidiska enheter, utvecklats och använts i stor utsträckning under de senaste decennierna, tillverkas på mikrochipliknande strukturer och ger sätt att blanda, separerande, och testa vätskor i mikroskopiska volymer. Medicinska tester som bara kräver en liten droppe blod, till exempel, förlitar sig ofta på mikrofluidik. Men den lilla skalan på dessa enheter innebär också begränsningar; till exempel, de är i allmänhet inte användbara för procedurer som kräver större volymer vätska för att upptäcka ämnen som finns i små mängder.

Ett team av MIT-forskare hittade en väg runt det, genom att göra mikrofluidiska kanaler inuti fibrer. Fibrerna görs så långa som behövs för att klara större genomströmning, och de erbjuder stor kontroll och flexibilitet över kanalernas former och dimensioner. Det nya konceptet beskrivs i en tidning som publiceras denna vecka i tidskriften Proceedings of the National Academy of Sciences , skriven av MIT doktorand Rodger Yuan, professorerna Joel Voldman och Yoel Fink, och fyra andra.

Ett tvärvetenskapligt förhållningssätt

Projektet kom till som ett resultat av en "speedstorming"-händelse (en blandning av brainstorming och speed dating, en idé initierad av professor Jeffrey Grossman) som initierades av Fink när han var chef för MIT:s forskningslaboratorium för elektronik. Evenemangen är tänkta att hjälpa forskare att utveckla nya samarbetsprojekt, genom att låta studenter och postdoktorer brainstorma i sex minuter åt gången och komma på hundratals idéer på en timme, som rankas och utvärderas av en panel. I denna speciella speedstorming-session, studenter inom elektroteknik arbetade tillsammans med andra inom materialvetenskap och mikrosystemteknik för att utveckla en ny metod för cellsortering med hjälp av en ny klass av multimaterialfibrer.

Yuan förklarar att även om mikrofluidteknik har utvecklats i stor omfattning och används i stor utsträckning för att bearbeta små mängder vätska, den lider av tre inneboende begränsningar relaterade till enheternas totala storlek, deras kanalprofiler, och svårigheten att införliva ytterligare material såsom elektroder.

Eftersom de vanligtvis tillverkas med chipstillverkningsmetoder, mikrofluidiska enheter är begränsade till storleken på kiselskivorna som används i sådana system, som inte är mer än cirka 8 tum breda. Och fotolitografimetoderna som används för att göra sådana chips begränsar kanalernas former; de kan bara ha fyrkantiga eller rektangulära tvärsnitt. Till sist, eventuellt ytterligare material, såsom elektroder för att känna av eller manipulera kanalernas innehåll, måste placeras individuellt i en separat process, allvarligt begränsar deras komplexitet.

"Silicon chip-teknologi är riktigt bra på att göra rektangulära profiler, men allt utöver det kräver verkligen specialiserade tekniker, säger Yuan, som utförde arbetet som en del av sin doktorandforskning. "De kan göra trianglar, men bara med vissa specifika vinklar. "Med den nya fiberbaserade metoden som han och hans team utvecklade, en mängd olika tvärsnittsformer för kanalerna kan implementeras, inklusive stjärna, korsa, eller fluga -former som kan vara användbara för specifika applikationer, som att automatiskt sortera olika typer av celler i ett biologiskt prov.

Dessutom, för konventionell mikrofluidik, element som avkännings- eller uppvärmningstrådar, eller piezoelektriska anordningar för att inducera vibrationer i de provtagna vätskorna, måste läggas till i ett senare bearbetningsskede. Men de kan integreras helt i kanalerna i det nya fiberbaserade systemet.

En krympande profil

Liksom andra komplexa fibersystem som utvecklats under åren i laboratoriet av medförfattaren Yoel Fink, professor i materialvetenskap och teknik och chef för konsortiet Advanced Functional Fabrics of America (AFFOA), dessa fibrer tillverkas genom att börja med en överdimensionerad polymercylinder som kallas en förform. Dessa förformar innehåller den exakta formen och materialen som önskas för den slutliga fibern, men i mycket större form – vilket gör dem mycket lättare att göra i mycket exakta konfigurationer. Sedan, förformen värms upp och laddas i ett falltorn, där det långsamt dras genom ett munstycke som drar ihop det till en smal fiber som är en fyrtiodel av förformens diameter, samtidigt som alla interna former och arrangemang bevaras.

I processen, materialet är också förlängt med en faktor 1, 600, så att en 100 millimeter lång (4 tum lång) förform, till exempel, blir en fiber 160 meter lång (cirka 525 fot), övervinner således dramatiskt längdbegränsningarna som är inneboende i nuvarande mikrofluidiska anordningar. Detta kan vara avgörande för vissa applikationer, som att upptäcka mikroskopiska föremål som finns i mycket små koncentrationer i vätskan, till exempel, ett litet antal cancerceller bland miljontals normala celler.

"Ibland måste du bearbeta mycket material eftersom det du letar efter är sällsynt, säger Voldman, en professor i elektroteknik som är specialiserad på biologisk mikroteknik. Det gör denna nya fiberbaserade mikrofluidikteknologi särskilt lämplig för sådana användningar, han säger, eftersom "fibrerna kan göras godtyckligt långa, "tillåter mer tid för vätskan att stanna inne i kanalen och interagera med den.

Medan traditionella mikrofluidikenheter kan skapa långa kanaler genom att loopa fram och tillbaka på ett litet chip, de resulterande vridningarna ändrar kanalens profil och påverkar hur vätskan strömmar, medan i fiberversionen dessa kan göras så länge som behövs, utan förändringar i form eller riktning, tillåter oavbrutet flöde, säger Yuan.

Systemet tillåter också att elektriska komponenter som ledande ledningar införlivas i fibern. Dessa kan till exempel användas för att manipulera celler, använder en metod som kallas dielektrofores, där celler påverkas olika av ett elektriskt fält som alstras mellan två ledande ledningar på sidorna av kanalen.

Med dessa ledande trådar i mikrokanalen, man kan styra spänningen så att krafterna "trycker och drar i cellerna, och du kan göra det med höga flödeshastigheter, säger Voldman.

Som en demonstration, laget gjorde en version av den långkanaliga fiberanordningen utformad för att separera celler, sortera döda celler från levande, och bevisade sin effektivitet i att utföra denna uppgift. Med vidareutveckling, de förväntar sig att kunna utföra mer subtil diskriminering mellan celltyper, säger Yuan.

"För mig var detta ett underbart exempel på hur närhet mellan forskargrupper i ett tvärvetenskapligt labb som RLE leder till banbrytande forskning, initierad och ledd av en doktorand. Vi fakulteten drogs i huvudsak in av våra studenter, " säger Fink.

Forskarna betonar att de inte ser den nya metoden som ett substitut för nuvarande mikrofluidik, som fungerar mycket bra för många applikationer. "Det är inte avsett att ersätta; det är tänkt att öka" nuvarande metoder, Voldman säger, tillåta några nya funktioner för särskilda användningsområden som inte tidigare varit möjliga.