Ett team av forskare från Tohoku University och Okinawa Institute of Science and Technology (OIST) har uppnått betydande framsteg inom området för mikrofluidik, vilket möjliggör exakt och effektiv manipulering av vätskor i tredimensionella mikroskalamiljöer. Detta arbete öppnar nya möjligheter för bioanalytiska tillämpningar, såsom cellseparationer inom medicinsk diagnostik.
Detaljer om deras genombrott publicerades i tidskriften Microsystems &Nanoengineering den 22 januari 2024.
Mikrofluidenheter är designade för att hantera små vätskevolymer, vilket gör att forskare kan utföra analyser och processer med anmärkningsvärd precision och effektivitet.
Under de senaste åren har mikrofluidisk teknologi utvecklats snabbt inom olika områden, inklusive medicin, biologi och kemi. Bland dem utmärker sig tredimensionella spiralmikrofluidenheter som spelväxlare. Deras intrikata korkskruvsliknande design möjliggör exakt vätskekontroll, effektiv partikelseparation och reagensblandning. Men deras potential att revolutionera bioanalytiska tillämpningar hindras av de nuvarande utmaningarna inom tillverkningen. Processen är tidskrävande och kostsam, och befintliga tillverkningstekniker begränsar materialalternativ och strukturella konfigurationer.
För att övervinna dessa begränsningar har ett tvärvetenskapligt team från Tohoku University och OIST introducerat en miniatyriserad roterande termisk ritningsprocess (mini-rTDP), som hämtar inspiration från traditionella japanska godisframställningstekniker – tillverkningen av Kintaro-ame.
Deras innovativa tillvägagångssätt involverar att rotera materialen under termisk sträckning för att skapa intrikata tredimensionella strukturer i fibrer. Denna process är mycket mångsidig och rymmer ett brett utbud av material som kan deformeras när de värms upp, vilket låser upp oändliga möjligheter att kombinera olika material.
"Mini-rTDP underlättar snabb prototypframställning av tredimensionella mikrofluidsystem, idealiskt för exakt biovätskemanipulation", säger Yuanyuan Guo, docent vid Tohoku Universitys Frontier Research Institute for Interdisciplinary Sciences (FRIS).
"Mini-rTDP innebär att skapa en gjuten polymerförform som innehåller kanaler, som sedan sträcks och värms upp för att generera mikrofluidkanaler i en fiber. Dessa kanaler kan sedan roteras ytterligare för att forma tredimensionella spiralkonfigurationer", förklarar Shunsuke Kato, en juniorforskare på FRIS och tidningens första författare.
I samarbete med Amy Shen, ledare för Micro/Bio/Nanofluidics Unit vid OIST, genomförde det tvärvetenskapliga Tohoku-OIST-teamet både simuleringar och experiment för att visualisera vätskeflöden i spiralstrukturerna. Daniel Carlson från Shens team säger:"Vi har bekräftat närvaron av Dean-virvlar, en typ av rotationsflöde som förekommer i krökta kanaler, i våra enheter, vilket bekräftar deras potential för att avsevärt förbättra cell- och partikelseparationseffektiviteten."
"Den snabba prototypframställningen av tredimensionell spiralmikrofluidik med mini-rTDP representerar ett anmärkningsvärt framsteg inom området för mikrofluidik. Denna teknik erbjuder oöverträffad mångsidighet, precision och potential att katalysera transformativa förändringar inom olika industrier", säger Shen.
"Dessutom strävar vi aktivt efter att integrera mikrofluidkanaler med funktioner som elektroder, biosensorer och ställdon direkt i fibrer. Denna strävan har potential att revolutionera Lab-on-Chip bioanalytiska teknologier", säger Guo.
Den här forskningen är ett bevis på samarbetsinsatserna för OIST SHIKA-programmet och de matchande medel som tillhandahålls av Tohoku University, vilket belyser det starka partnerskapet och synergin mellan dessa två institutioner.
Mer information: Shunsuke Kato et al, Twisted fiber microfluidics:en banbrytande strategi för 3D-spiralenheter, Microsystems &Nanoengineering (2024). DOI:10.1038/s41378-023-00642-9
Journalinformation: Mikrosystem och nanoteknik
Tillhandahålls av Tohoku University
