I dispositivi microfluidici sono minuscoli sistemi con canali microscopici che possono essere utilizzati per test e ricerche chimiche o biomediche. In un progresso potenzialmente rivoluzionario, I ricercatori del MIT hanno ora incorporato sistemi di microfluidica in singole fibre, rendendo possibile elaborare volumi di fluido molto più grandi, in modi più complessi. In un senso, l'anticipo apre una nuova era "macro" della microfluidica.

Dispositivi di microfluidica tradizionali, sviluppato e ampiamente utilizzato negli ultimi due decenni, sono fabbricati su strutture simili a microchip e forniscono modi di miscelazione, separando, e test di fluidi in volumi microscopici. Test medici che richiedono solo una piccola goccia di sangue, Per esempio, spesso si affidano alla microfluidica. Ma la scala ridotta di questi dispositivi pone anche dei limiti; Per esempio, generalmente non sono utili per procedure che necessitano di maggiori volumi di liquido per rilevare sostanze presenti in quantità minime.

Un team di ricercatori del MIT ha trovato un modo per aggirare questo, creando canali microfluidici all'interno delle fibre. Le fibre devono essere realizzate per il tempo necessario per adattarsi a una maggiore produttività, e offrono grande controllo e flessibilità sulle forme e le dimensioni dei canali. Il nuovo concetto è descritto in un articolo apparso questa settimana sulla rivista Atti dell'Accademia Nazionale delle Scienze , scritto dallo studente laureato del MIT Rodger Yuan, i professori Joel Voldman e Yoel Fink, e altri quattro.

Un approccio multidisciplinare

Il progetto è nato come risultato di un evento di "speedstorming" (un amalgama di brainstorming e speed dating, un'idea iniziata dal professor Jeffrey Grossman) che è stata istigata da Fink quando era direttore del Research Laboratory of Electronics del MIT. Gli eventi hanno lo scopo di aiutare i ricercatori a sviluppare nuovi progetti di collaborazione, facendo fare brainstorming a coppie di studenti e dottorandi per sei minuti alla volta e trovare centinaia di idee in un'ora, che sono classificati e valutati da una giuria. In questa particolare sessione di speedstorming, gli studenti di ingegneria elettrica hanno lavorato con altri nella scienza dei materiali e nella tecnologia dei microsistemi per sviluppare un nuovo approccio allo smistamento cellulare utilizzando una nuova classe di fibre multimateriali.

Yuan spiega che, sebbene la tecnologia microfluidica sia stata ampiamente sviluppata e ampiamente utilizzata per la lavorazione di piccole quantità di liquido, soffre di tre limitazioni intrinseche relative alle dimensioni complessive dei dispositivi, i loro profili di canale, e la difficoltà di incorporare materiali aggiuntivi come gli elettrodi.

Poiché in genere sono realizzati utilizzando metodi di produzione di chip, i dispositivi microfluidici sono limitati alle dimensioni dei wafer di silicio utilizzati in tali sistemi, che non sono più di circa 8 pollici di diametro. E i metodi fotolitografici utilizzati per realizzare tali chip limitano le forme dei canali; possono avere solo sezioni quadrate o rettangolari. Finalmente, eventuali materiali aggiuntivi, come elettrodi per rilevare o manipolare il contenuto dei canali, devono essere posizionati individualmente in un processo separato, limitando fortemente la loro complessità.

"La tecnologia dei chip di silicio è davvero efficace per realizzare profili rettangolari, ma tutto ciò che va oltre richiede tecniche davvero specializzate, "dice Yuan, che ha svolto il lavoro come parte della sua ricerca di dottorato. "Possono fare triangoli, ma solo con determinati angoli specifici." Con il nuovo metodo a base di fibre che lui e il suo team hanno sviluppato, è possibile implementare una varietà di forme di sezione trasversale per i canali, compresa la stella, attraverso, o forme di papillon che possono essere utili per particolari applicazioni, come l'ordinamento automatico di diversi tipi di cellule in un campione biologico.

Inoltre, per microfluidica convenzionale, elementi come fili di rilevamento o di riscaldamento, o dispositivi piezoelettrici per indurre vibrazioni nei fluidi campionati, devono essere aggiunti in una fase di elaborazione successiva. Ma possono essere completamente integrati nei canali del nuovo sistema basato su fibra.

Un profilo che si restringe

Come altri complessi sistemi di fibre sviluppati negli anni nel laboratorio del co-autore Yoel Fink, professore di scienza e ingegneria dei materiali e capo del consorzio Advanced Functional Fabrics of America (AFFOA), queste fibre sono realizzate partendo da un cilindro polimerico sovradimensionato chiamato preforma. Queste preforme contengono la forma e i materiali esatti desiderati per la fibra finale, ma in una forma molto più grande, il che li rende molto più facili da realizzare in configurazioni molto precise. Quindi, la preforma viene riscaldata e caricata in una torre di caduta, dove viene tirato lentamente attraverso un ugello che lo costringe a una fibra stretta che è un quarantesimo del diametro della preforma, preservando tutte le forme e gli allestimenti interni.

Nel processo, il materiale è anche allungato di un fattore 1, 600, in modo che una preforma lunga 100 millimetri (4 pollici), Per esempio, diventa una fibra lunga 160 metri (circa 525 piedi), superando così drasticamente i limiti di lunghezza insiti negli attuali dispositivi microfluidici. Questo può essere cruciale per alcune applicazioni, come rilevare oggetti microscopici che esistono in concentrazioni molto piccole nel fluido, ad esempio, un piccolo numero di cellule cancerose tra milioni di cellule normali.

"A volte devi elaborare molto materiale perché quello che stai cercando è raro, "dice Voldman, un professore di ingegneria elettrica specializzato in microtecnologie biologiche. Ciò rende questa nuova tecnologia microfluidica a base di fibre particolarmente appropriata per tali usi, lui dice, perché "le fibre possono essere rese arbitrariamente lunghe, " concedendo più tempo al liquido per rimanere all'interno del canale e interagire con esso.

Mentre i tradizionali dispositivi di microfluidica possono creare canali lunghi eseguendo un loop avanti e indietro su un piccolo chip, le conseguenti torsioni e svolte modificano il profilo del canale e influenzano il modo in cui scorre il liquido, mentre nella versione in fibra questi possono essere realizzati per il tempo necessario, senza cambiamenti di forma o di direzione, permettendo un flusso ininterrotto, Yuan dice.

Il sistema consente inoltre di incorporare nella fibra componenti elettrici come i fili conduttivi. Questi possono essere usati ad esempio per manipolare le cellule, utilizzando un metodo chiamato dielettroforesi, in cui le celle sono influenzate in modo diverso da un campo elettrico prodotto tra due fili conduttori ai lati del canale.

Con questi fili conduttivi nel microcanale, si può controllare la tensione in modo che le forze "spingano e tirano sulle cellule, e puoi farlo ad alte portate, " dice Volman.

A dimostrazione, il team ha realizzato una versione del dispositivo in fibra a canale lungo progettato per separare le celle, separare le cellule morte da quelle viventi, e ha dimostrato la sua efficienza nel portare a termine questo compito. Con ulteriore sviluppo, si aspettano di essere in grado di eseguire una discriminazione più sottile tra i tipi di cellule, Yuan dice.

"Per me questo è stato un meraviglioso esempio di come la vicinanza tra gruppi di ricerca in un laboratorio interdisciplinare come RLE porti a ricerche innovative, avviato e guidato da uno studente laureato. Noi della facoltà siamo stati essenzialmente trascinati dai nostri studenti, " dice Fink.

I ricercatori sottolineano che non vedono il nuovo metodo come un sostituto dell'attuale microfluidica, che funzionano molto bene per molte applicazioni. "Non è destinato a sostituire; è destinato ad aumentare" i metodi attuali, Voldman dice, consentendo alcune nuove funzioni per usi particolari che prima non erano possibili.