Istraživači sa MIT-a su koristili 3D štampanje za proizvodnju mikrofluidnih uređaja koji se samozagrevaju, demonstrirajući tehniku koja bi se jednog dana mogla koristiti za brzo kreiranje jeftinih, ali tačnih alata za otkrivanje mnoštva bolesti.
Mikrofluidika, minijaturizovane mašine koje manipulišu tečnostima i olakšavaju hemijske reakcije, mogu se koristiti za otkrivanje bolesti u malim uzorcima krvi ili tečnosti. Kompleti za testiranje kod kuće za COVID-19, na primer, uključuju jednostavan tip mikrofluida.
Ali mnoge mikrofluidne primene zahtevaju hemijske reakcije koje se moraju izvoditi na određenim temperaturama. Ovi složeniji mikrofluidni uređaji, koji se obično proizvode u čistoj prostoriji, opremljeni su grejnim elementima napravljenim od zlata ili platine korišćenjem komplikovanog i skupog procesa proizvodnje koji je teško povećati.
Umesto toga, tim MIT-a je koristio 3D štampanje od više materijala za kreiranje mikrofluidnih uređaja koji se samozagrevaju sa ugrađenim grejnim elementima, kroz jedan, jeftin proizvodni proces. Oni su generisali uređaje koji mogu da zagreju tečnost do određene temperature dok teče kroz mikroskopske kanale unutar male mašine.
Njihova tehnika je prilagodljiva, tako da bi inženjer mogao da napravi mikrofluid koji zagreva tečnost do određene temperature ili datog profila grejanja unutar određene oblasti uređaja. Proces proizvodnje sa niskim troškovima zahteva oko 2 dolara materijala za generisanje mikrofluida spremnog za upotrebu.
Proces bi mogao biti posebno koristan u stvaranju mikrofluidi koji se samozagrevaju za udaljene regione zemalja u razvoju gde kliničari možda nemaju pristup skupoj laboratorijskoj opremi potrebnoj za mnoge dijagnostičke procedure.
„Posebno čiste sobe, u kojima obično pravite ove uređaje, su neverovatno skupe za izgradnju i rad. Ali mi možemo da napravimo veoma sposobne mikrofluidne uređaje sa samozagrejavanjem koristeći aditivnu proizvodnju, i oni se mogu napraviti mnogo brže i jeftinije nego sa ove tradicionalne metode. Ovo je zaista način da se ova tehnologija demokratizuje“, kaže Luis Fernando Velaskez-Garsija, glavni naučnik u MIT-ovim Microsistems Technologi Laboratories (MTL) i stariji autor rada koji opisuje tehniku izrade.
U radu mu se pridružuje glavni autor Horhe Kanada Perez-Sala, diplomirani student elektrotehnike i računarstva. Istraživanje će biti predstavljeno na PoverMEMS konferenciji ovog meseca.
Ovaj novi proces proizvodnje koristi tehniku koja se zove multimaterijalna ekstruzija 3D štampa, u kojoj se nekoliko materijala može ubrizgati kroz mnoge mlaznice štampača da bi se napravio uređaj sloj po sloj. Proces je monolitan, što znači da se ceo uređaj može proizvesti u jednom koraku na 3D štampaču, bez potrebe za naknadnim sastavljanjem.
Da bi stvorili samozagrevajuću mikrofluidiku, istraživači su koristili dva materijala – biorazgradivi polimer poznat kao polimlečna kiselina (PLA) koji se obično koristi u 3D štampanju i modifikovanu verziju PLA.
Modifikovani PLA ima mešane nanočestice bakra u polimer, koji ovaj izolacioni materijal pretvara u električni provodnik, objašnjava Velaskez-Garsija. Kada se električna struja uvede u otpornik sastavljen od ovog PLA dopiranog bakrom, energija se rasipa kao toplota.
„Neverovatno je kada razmislite o tome jer je PLA materijal dielektrik, ali kada stavite ove nečistoće nanočestica, to potpuno menja fizička svojstva. To je nešto što još ne razumemo u potpunosti, ali se dešava i jeste ponovljivo“, kaže on.
Koristeći 3D štampač sa više materijala, istraživači prave otpornik za grejanje od PLA dopiranog bakrom, a zatim štampaju mikrofluidni uređaj, sa mikroskopskim kanalima kroz koje tečnost može da teče, direktno na vrhu u jednom koraku štampanja. Pošto su komponente napravljene od istog osnovnog materijala, imaju slične temperature štampanja i kompatibilne su.
Toplota koja se rasipa iz otpornika će zagrejati tečnost koja teče kroz kanale u mikrofluidu.
Pored otpornika i mikrofluida, oni koriste štampač da dodaju tanak, kontinuirani sloj PLA koji je u sendviču između njih. Posebno je izazovno proizvesti ovaj sloj jer mora biti dovoljno tanak da toplota može da pređe sa otpornika na mikrofluid, ali ne toliko tanak da bi tečnost mogla da procuri u otpornik.
Dobijena mašina je otprilike veličine američke četvrtine i može se proizvesti za nekoliko minuta. Kanali široki oko 500 mikrometara i visoki 400 mikrometara se provlače kroz mikrofluid da nose tečnost i olakšavaju hemijske reakcije.
Važno je da je PLA materijal providan, tako da tečnost u uređaju ostaje vidljiva. Mnogi procesi se oslanjaju na vizuelizaciju ili upotrebu svetlosti da bi zaključili šta se dešava tokom hemijskih reakcija, objašnjava Velaskez-Garsija.
Istraživači su koristili ovaj proizvodni proces u jednom koraku da bi generisali prototip koji bi mogao da zagreje tečnost za 4°C dok je tekao između ulaza i izlaza. Ova prilagodljiva tehnika mogla bi im omogućiti da naprave uređaje koji bi zagrevali tečnosti u određenim obrascima ili duž određenih gradijenta.
„Možete da koristite ova dva materijala za kreiranje hemijskih reaktora koji rade tačno ono što želite. Možemo da postavimo određeni profil grejanja dok i dalje imamo sve mogućnosti mikrofluida“, kaže on.
Međutim, jedno ograničenje dolazi iz činjenice da se PLA može zagrejati samo na oko 50°C pre nego što počne da se razgrađuje. Mnoge hemijske reakcije, kao što su one koje se koriste za testove lančane reakcije polimeraze (PCR), zahtevaju temperature od 90° ili više. A da bi precizno kontrolisali temperaturu uređaja, istraživači bi morali da integrišu treći materijal koji omogućava detekciju temperature.
Pored rešavanja ovih ograničenja u budućem radu, Velaskez-Garsija želi da štampa magnete direktno u mikrofluidni uređaj. Ovi magneti mogu omogućiti hemijske reakcije koje zahtevaju sortiranje ili poravnanje čestica.
Istovremeno, on i njegove kolege istražuju upotrebu drugih materijala koji bi mogli da dostignu više temperature. Oni takođe proučavaju PLA kako bi bolje razumeli zašto postaje provodljiv kada se određene nečistoće dodaju polimeru.
„Ako možemo da razumemo mehanizam koji je vezan za električnu provodljivost PLA, to bi u velikoj meri poboljšalo sposobnost ovih uređaja, ali će to biti mnogo teže rešiti od nekih drugih inženjerskih problema“, dodaje on.
„U japanskoj kulturi se često kaže da lepota leži u jednostavnosti. Ovo osećanje odražavaju radovi Kanade i Velaskez-Garsije. Njihovi predloženi monolitno 3D štampani mikrofluidni sistemi oličavaju jednostavnost i lepotu, nudeći širok spektar potencijalnih izvođenja i primene koju predviđamo u budućnosti“, kaže Norihisa Miki, profesor mašinstva na Univerzitetu Keio u Tokiju, koji nije bio uključen u ovaj posao.
„Mogućnost direktnog štampanja mikrofluidnih čipova sa fluidnim kanalima i električnim karakteristikama u isto vreme otvara veoma uzbudljive aplikacije prilikom obrade bioloških uzoraka, kao što je pojačavanje biomarkera ili aktiviranje i mešanje tečnosti. Takođe, zbog činjenice da se PLA degradira preko Vremenom, može se čak zamisliti i implantabilnih aplikacija gde se čipovi tokom vremena rastvaraju i resorbuju“, dodaje Niclas Rokhed, vanredni profesor na švedskom KTH Kraljevskom tehnološkom institutu, koji nije bio uključen u ovu studiju.
