Gli ingegneri del MIT hanno appena introdotto un elemento di divertimento nella microfluidica.

Il campo della microfluidica coinvolge dispositivi minuscoli che manipolano con precisione i fluidi su scale submillimetriche. Tali dispositivi in ​​genere assumono la forma di piatti, chip bidimensionali, incisi con minuscoli canali e porte predisposte per eseguire varie operazioni, come la miscelazione, ordinamento, pompaggio, e immagazzinare i liquidi mentre scorrono.

Ora il team del MIT, guardando oltre tali progetti lab-on-a-chip, ha trovato una piattaforma di microfluidica alternativa in "interlocking, blocchi stampati a iniezione"—o, come la maggior parte di noi li conosce, mattoncini Lego.

"I LEGO sono affascinanti esempi di precisione e modularità negli oggetti di uso quotidiano, "dice Anastasios John Hart, professore associato di ingegneria meccanica al MIT.

Infatti, I mattoncini LEGO sono fabbricati in modo così coerente che non importa dove si trovano nel mondo, qualsiasi due mattoni sono garantiti per allinearsi e scattare saldamente in posizione. Dato questo alto grado di precisione e coerenza, i ricercatori del MIT hanno scelto i mattoncini LEGO come base per un nuovo design microfluidico modulare.

In un articolo pubblicato sulla rivista Lab on a Chip, il team descrive la microfresatura di piccoli canali nei LEGO e il posizionamento dell'uscita di ciascun "mattone fluido" in modo che si allinei esattamente con l'ingresso di un altro mattone. I ricercatori hanno quindi sigillato le pareti di ciascun mattone modificato con un adesivo, consentendo ai dispositivi modulari di essere facilmente assemblati e riconfigurati.

Ogni mattone può essere progettato con un particolare modello di canali per eseguire un compito specifico. I ricercatori hanno finora progettato mattoni come resistori di fluido e miscelatori, così come generatori di gocce. I loro mattoni fluidici possono essere uniti o smontati, per formare dispositivi microfluidici modulari che svolgono varie operazioni biologiche, come celle di smistamento, fluidi di miscelazione, e filtrando le molecole di interesse.

"Potresti quindi costruire un sistema microfluidico in modo simile a come costruiresti un castello LEGO:mattone dopo mattone, ", afferma l'autore principale Crystal Owens, uno studente laureato presso il Dipartimento di Ingegneria Meccanica del MIT. "Speriamo nel futuro, altri potrebbero usare i mattoncini LEGO per creare un kit di strumenti microfluidici".

Meccanica modulare

Hart, che è anche direttore del Laboratorio per la produzione e la produttività del MIT e il Gruppo di meccanosintesi, concentra principalmente la sua ricerca su nuovi processi produttivi, con applicazioni che vanno dai nanomateriali alla stampa 3D su larga scala.

"Negli anni, Ho avuto un'esposizione periferica al campo della microfluidica e il fatto che la prototipazione di dispositivi microfluidici sia spesso difficile, richiede tempo, processo ad alta intensità di risorse, "Dice Hart.

Owens, che ha lavorato in un laboratorio di microfluidica come studente universitario, aveva visto in prima persona gli sforzi meticolosi necessari per progettare un laboratorio su un chip. Dopo essersi unito al gruppo di Hart, era ansiosa di trovare un modo per semplificare il processo di progettazione.

La maggior parte dei dispositivi microfluidici contiene tutti i canali e le porte necessari per eseguire più operazioni su un chip. Owens e Hart cercarono modi per, in sostanza, esplodere questa piattaforma a un chip e rendere modulare la microfluidica, assegnare una singola operazione ad un singolo modulo o unità. Un ricercatore potrebbe quindi combinare e abbinare moduli microfluidici per eseguire varie combinazioni e sequenze di operazioni.

Nel cercare modi per realizzare fisicamente il loro design modulare, Owens e Hart hanno trovato il modello perfetto nei mattoncini LEGO, che sono lunghi circa quanto un tipico chip microfluidico.

"Poiché i LEGO sono così economici, ampiamente accessibile, e coerenti nelle loro dimensioni e ripetibilità di montaggio, smontaggio, e montaggio, ci siamo chiesti se i mattoncini LEGO potessero essere un modo per creare un kit di strumenti di mattoncini microfluidici o fluidici, "Dice Hart.

Costruire da un'idea

Per rispondere a questa domanda, il team ha acquistato un set di standard, mattoncini LEGO pronti all'uso e ho provato vari modi per introdurre canali microfluidici in ogni mattoncino. Il metodo di maggior successo si è rivelato essere la microfresatura, una tecnica consolidata comunemente usata per forare estremamente fine, caratteristiche submillimetriche in metalli e altri materiali.

Owens ha utilizzato una microfresatrice da tavolo per fresare prima un semplice, Canale largo 500 micron nella parete laterale di un mattoncino LEGO standard. Ha quindi fissato una pellicola trasparente sul muro per sigillarlo e ha pompato il fluido attraverso il canale appena fresato del mattone. Osservò che il fluido scorreva con successo attraverso il canale, dimostrando che il mattone funzionava come un resistore di flusso, un dispositivo che consente il passaggio di quantità molto piccole di fluido.

Usando questa stessa tecnica, ha fabbricato un miscelatore di fluidi fresando un orizzontale, Canale a forma di Y, e inviando un fluido diverso attraverso ciascun braccio della Y. Dove le due braccia si incontravano, i fluidi miscelati con successo. Owens ha anche trasformato un mattoncino LEGO in un generatore di gocce fresando un motivo a forma di T nella sua parete. Mentre pompava fluido attraverso un'estremità della T, ha scoperto che parte del liquido è sceso nel mezzo, formando una goccia mentre usciva dal mattone.

Per dimostrare la modularità, Owens ha costruito un prototipo su una base LEGO standard composta da diversi mattoncini, ciascuno progettato per eseguire un'operazione diversa durante il pompaggio del fluido. Oltre a realizzare il miscelatore di fluidi e il generatore di gocce, ha anche dotato un mattoncino LEGO di un sensore di luce, posizionamento preciso del sensore per misurare la luce mentre il fluido passa attraverso un canale nella stessa posizione.

Owens dice che la parte più difficile del progetto è stata capire come collegare i mattoni insieme, senza perdite di liquido. Mentre i mattoncini LEGO sono progettati per agganciarsi saldamente in posizione, c'è tuttavia un piccolo spazio tra i mattoni, misura tra 100 e 500 micron. Per sigillare questa lacuna, Owens ha fabbricato un piccolo O-ring attorno a ciascun ingresso e uscita in un mattone.

"L'O-ring si inserisce in un piccolo cerchio fresato nella superficie del mattone. È progettato per sporgere una certa quantità, così quando un altro mattone è posto accanto ad esso, si comprime e crea una tenuta fluida affidabile tra i mattoni. Funziona semplicemente posizionando un mattone accanto all'altro, " Dice Owens. "Il mio obiettivo era renderlo semplice da usare".

"Un modo semplice per costruire"

I ricercatori notano solo un paio di inconvenienti del loro metodo. Al momento, sono in grado di fabbricare canali larghi decine di micron. Però, alcune operazioni di microfluidica richiedono canali molto più piccoli, che non possono essere realizzati con tecniche di microfresatura. Anche, poiché i mattoncini LEGO sono realizzati con materiali termoplastici, probabilmente non possono sopportare l'esposizione a determinate sostanze chimiche che a volte vengono utilizzate nei sistemi microfluidici.

"Abbiamo sperimentato diversi rivestimenti che potremmo applicare sulla superficie per realizzare i mattoncini LEGO, come sono, compatibile con diversi fluidi, " dice Owens. "I mattoncini tipo LEGO potrebbero anche essere fatti di altri materiali, come i polimeri con stabilità alle alte temperature e resistenza chimica."

Per adesso, un dispositivo microfluidico basato su LEGO potrebbe essere utilizzato per manipolare fluidi biologici ed eseguire compiti come lo smistamento delle cellule, fluidi filtranti, e incapsulare molecole in singole goccioline. Il team sta attualmente progettando un sito Web che conterrà informazioni su come altri possono progettare i propri mattoncini fluidici utilizzando pezzi LEGO standard.

"Il nostro metodo fornisce una piattaforma accessibile per la prototipazione di dispositivi microfluidici, " dice Hart. "Se il tipo di dispositivo che vuoi realizzare, e i materiali con cui lavori, sono adatti a questo tipo di design modulare, questo è un modo semplice per costruire un dispositivo microfluidico per la ricerca di laboratorio."

Questa storia è stata ripubblicata per gentile concessione di MIT News (web.mit.edu/newsoffice/), un popolare sito che copre notizie sulla ricerca del MIT, innovazione e didattica.