Processo di fabbricazione di un cubo microfluidico. Credito:Natura:Microsistemi e Microingegneria, doi:10.1038/s41378-020-0136-4
Gli scienziati hanno recentemente progettato un sistema modulare basato sul cubo di Rubik per progettare e riconfigurare sistemi microfluidici. I team di ricerca avevano precedentemente perseguito la disposizione di blocchi microfluidici in diverse conformazioni per adattarsi a vari esperimenti. In questo lavoro, Xiaochen Lai e un team di scienziati dell'Università di Tianjin in Cina si sono ispirati al famoso puzzle di Rubik per costruire un sistema microfluidico tridimensionale (3D). La configurazione potrebbe essere facilmente ruotata e girata per cambiare la sua funzione. Hanno imitato il design del cubo di Rubik con pezzi modulari contenenti layout di microcanali per ottenere uno stretto, tenuta stagna rispetto alla disposizione del dispositivo. Lai et al. utilizzato un singolo dispositivo per eseguire la miscelazione di fluidi e la coltura microbica basata su goccioline per una gamma di applicazioni pratiche come sensori microfluidici, pompe e valvole in ambienti con risorse limitate. L'opera è ora pubblicata su Natura:Microsistemi e Microingegneria .
I sistemi microfluidici sono molto utili nella ricerca scientifica per una serie di attività, tra cui l'analisi chimica, grazie alla loro velocità di reazione e alla funzionalità ad alto rendimento. Però, la tecnologia è ancora in fase di sviluppo e il suo potenziale resta da esplorare completamente poiché il processo di fabbricazione microfluidica è ancora costoso e richiede tempo. Per implementare rapidamente sistemi microfluidici personalizzati, i bioingegneri hanno proposto il concetto di microfluidica modulare, in cui i singoli blocchi microfluidici possono essere ingegnerizzati in un design modulare e assemblati per formare un sistema. In questo studio, Lai et al. ha proposto un sistema microfluidico riconfigurabile adattato dal cubo di Rubik a causa di diverse caratteristiche uniche del costrutto. Iniziare con, il cubo di Rubik conteneva un ingegnoso meccanismo ad incastro per evitare perdite durante una facile riconfigurazione. Secondo, la trasformazione da uno stato all'altro richiedeva solo un massimo di 20 torsioni del cubo per garantire facilità d'uso. Per di più, il cubo potrebbe essere rimescolato in una varietà di stati dalla posizione di partenza per diverse configurazioni microfluidica. Il sistema proposto fornisce un processo facile e conveniente che apre la strada ad applicazioni altamente personalizzate in ambienti con risorse limitate.
Illustrazione del sistema microfluidico simile al cubo di Rubik proposto. (a) Illustrazione complessiva del cubo. (b) Blocchi d'angolo del cubo microfluidico, inclusi ingressi/uscite a tre vie (a sinistra), Giunzione a T 3D (al centro). e girando (a destra). (c) Blocchi di bordo del cubo microfluidico, da sinistra a destra sono il canale dritto, canale a spirale, camera 3D, e camera planare, rispettivamente. (d) Blocco centrale e altri componenti del cubo. Credito:Natura:Microsistemi e Microingegneria, doi:10.1038/s41378-020-0136-4
Progettare e caratterizzare il cubo di microfluidica
Il sistema è apparso come un normale cubo di Rubik, ma tutti i 12 cubi di bordo e gli otto cubi d'angolo sono stati posizionati con blocchi contenenti microcanali interni per eseguire funzioni microfluidiche. Ciascuno dei blocchi di bordo e d'angolo ha mantenuto un chip microfluidico indipendente, dove il suo ingresso/uscita si trovava al centro geometrico di una superficie. Lai et al. Tutti questi blocchi sono stati stampati in 3D utilizzando una stampante desktop stereolitografia (SLA). Hanno usato una resina trasparente per ottenere la trasparenza per facilitare l'osservazione e hanno incluso due O-ring in gomma siliconica in ciascun blocco del bordo per garantire un sistema integrato con rotazione regolare. La strategia di sigillatura assistita da O-ring ha assicurato il contatto sigillato tra i blocchi per il loro allineamento automatizzato.
Dopo aver sviluppato i blocchi cubici microfluidici, il team ha valutato le proprie prestazioni determinandone la dimensione e la tolleranza. Hanno notato errori di fabbricazione durante la stampa 3D, sebbene tali errori non abbiano causato perdite di fluido durante la sua attività a causa della strategia di tenuta assistita da O-ring. Hanno quindi testato la resistenza alla pressione del sistema microfluidico, che dipendeva dalla tenuta della molla per mantenere i blocchi insieme al flusso del fluido a tenuta. L'elevata resistenza alla pressione nel cubo risultava anche dalla sua struttura. Per ottenere immagini di alta qualità tra il canale e il cubo, Lai et al. mirava a costruire blocchi personalizzati con canali polarizzati e camere vicino alla superficie del cubo per osservazioni autosufficienti dei microcanali.
Illustrazione in sezione trasversale dell'allineamento guidato dell'O-ring e della tenuta alla fine di una rotazione. (a) Quando il blocco d'angolo non è ruotato nella posizione corretta, esiste uno spazio tra due blocchi che causerà perdite. (b) Quando il blocco d'angolo viene ruotato nella posizione corretta, l'O-ring incorporato nel blocco perimetrale si inserirà automaticamente nel concavo sui blocchi angolari, garantendo una connessione autoallineata e a tenuta di due blocchi. Credito:Natura:Microsistemi e Microingegneria, doi:10.1038/s41378-020-0136-4
Riconfigurazione del cubo di microfluidica –
Gli scienziati hanno riconfigurato la microfluidica ruotando le facce del cubo e hanno rilevato la sequenza seguendo gli algoritmi di Rubik, una serie di mosse memorizzate con un effetto specifico sul cubo. Generalmente, una sequenza di movimenti di un algoritmo è indicata come rotazione Singmaster dove le lettere maiuscole rappresentano ogni mossa. Ogni trasformazione è stata possibile in pochi secondi, e in alcuni casi, Lai et al. utilizzato algoritmi più semplici per una trasformazione più rapida. Utilizzando algoritmi, il team ha designato la posizione della maggior parte dei blocchi nel cubo per personalizzare la microfluidica, ma c'erano alcuni limiti intrinseci al cubo di Rubik rispetto alla disposizione microfluidica, che hanno riconfigurato con l'aiuto di un risolutore del cubo di Rubik online. Gli scienziati hanno impostato la disposizione finale dei blocchi di microfluidica allo stato non codificato e hanno calcolato un algoritmo per la configurazione come soluzione relativamente ottimizzata per il cubo di Rubik. Poiché il numero massimo dimostrato di mosse necessarie per ripristinare una qualsiasi delle permutazioni del cubo di Rubik, noto anche come il numero di Dio, è 20, le stesse regole applicate al sistema attuale. Perciò, se Lai et al. dovessero riconfigurare uno specifico sistema microfluidico da uno stato completamente non organizzato, 20 mosse sono state sufficienti.
Trovare e applicare l'algoritmo ottimizzato per la personalizzazione della microfluidica utilizzando un risolutore di Rubik online. (a) Osservare lo stato attuale del cubo. Scegli i blocchi che verranno utilizzati nella microfluidica. In questo caso, abbiamo numerato i blocchi selezionati da 1 a 7. I blocchi 1 e 7 sono blocchi di ingressi/uscite, i blocchi 2 e 6 sono canali diritti, i blocchi 3 e 5 sono torniture, e il blocco 4 è un canale a spirale. (b) Nel risolutore di Rubik, generare un cubo non codificato, e quindi designare la posizione di ciascun blocco che apparirà nella disposizione finale. Registra i colori di ogni blocco. (c) Resettare il risolutore di Rubik, e poi dipingi le posizioni attuali dei blocchi utili con i loro colori finali. (d) Dipingi casualmente i rimanenti blocchi inutilizzati con colori legali su ogni blocco. (e) Fare clic su Risolvi per calcolare l'algoritmo. Questo processo viene solitamente eseguito in pochi secondi. Verrà mostrato un algoritmo insieme al diagramma di rotazione per risolvere il cubo. (f) Se il programma mostra uno scramble non valido, quindi seguire le istruzioni per regolare i blocchi inutilizzati per renderlo risolvibile. (g) Applicare l'algoritmo dato al cubo microfluidico. Si otterrà la configurazione microfluidica desiderata dopo la rotazione finale. Credito:Natura:Microsistemi e Microingegneria, doi:10.1038/s41378-020-0136-4
Applicazioni del cubo microfluidico –
La configurazione proposta presenta diversi vantaggi rispetto alla microfluidica modulare precedentemente riportata, compresa la facilità d'uso a prova di perdite e la riconfigurazione senza smontaggio in ambienti con risorse limitate. Per dimostrarne l'utilità, gli scienziati hanno completato una serie di scenari. Hanno formato un blocco di giunzione a T per la miscelazione omogenea di liquidi e poi hanno riconfigurato il cubo microfluidico per creare un generatore di goccioline. La nuova configurazione ha permesso la generazione di goccioline di acqua in olio per la loro raccolta, osservazione e ulteriore funzionalità. Tali dispositivi microfluidici consentono il verificarsi di una grande quantità di reazioni parallele per applicazioni ad alto rendimento. Per le applicazioni del mondo reale, Lai et al. hanno condotto esperimenti di coltura microbica basati su goccioline con il cubo microfluidico proposto. La coltura microbica è essenziale per una serie di diagnosi, applicazioni di genetica e bioingegneria per ricerche altamente parallele e ad alto rendimento sull'evoluzione batterica. In questo esperimento, gli scienziati hanno usato la coltura di Escherichia coli, ha incubato il cubo microfluidico a temperatura ambiente e ha utilizzato la resazurina come indicatore di vitalità cellulare per valutare le cellule durante la coltura. Il team ha monitorato l'attività cellulare in base al cambiamento di colore delle goccioline che inizialmente passavano dal blu al rosa, e poi sbiadito, per dimostrare l'attività batterica nelle goccioline. Gli scienziati hanno anche stimato la concentrazione di popolazioni batteriche durante l'esperimento.
Coltura di cellule batteriche a base di goccioline nel cubo microfluidico. (a) Configurazione sperimentale del cubo microfluidico per una coltura batterica a base di goccioline. (b) Meccanismo del viraggio del colore con riduzione della resazurina nelle goccioline. (c) Immagini delle goccioline con tempi di incubazione variabili. (d) Concentrazione stimata di resorufina nelle goccioline a diversi tempi di incubazione. Credito:Natura:Microsistemi e Microingegneria, doi:10.1038/s41378-020-0136-4
In questo modo, Xiaochen Lai e il team hanno presentato un nuovo metodo per costruire rapidamente sistemi microfluidici personalizzati riproducendo un cubo di Rubik microfluidico. La configurazione ha consentito l'assemblaggio flessibile di diversi blocchi microfluidici semplicemente ruotando le facce del cubo. Dopo ogni rotazione, il team ha autoallineato e sigillato tutti i blocchi per funzioni microfluidiche versatili sotto la guida di un semplice algoritmo del cubo di Rubik. Come prova del concetto, hanno creato un blocco stampato in 3D per formare sistemi microfluidici a forma di cubo per una buona riconfigurabilità e una rapida implementazione in loco. Gli scienziati mirano a migliorare la versatilità dei cubi microfluidici per applicazioni avanzate. La presente configurazione faciliterà i sistemi microfluidici personalizzati in ambienti con risorse limitate.
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