桑同学 82个月前 提问- 麻省理工学院有什么新科研吗？
- 82个月前回复
- 麻省理工学院科研成果
在微流控领域，研究人员需要用到一些微小的装置，来进行亚毫米精度的流体操控。这些装置通常是一块薄片，薄片上刻有不同流体操控功能的微小管道和端口。当流体流经这些管道时，会被混合、分类、泵送或储存。目前，制造微流控装置原型的复杂度太高、太耗时间、对实验室资源要求太高。
大多数的微流控装置都是集成一套操控流程在一块薄片上，上面的管道和端口很难再去改动。一个来自麻省理工学院的研究团队，致力于找到比这种薄片更好的方案。近日，他们发表在《Lab on a Chip》期刊上的一篇文章，提出了一种新的可供替代的方案：将乐高积木改造成模块化微流控装置。
这个研究团队的主要成员有 John Hart 和 Crystal Owens。John Hart 是麻省理工学院机械工程系的副教授，是麻省理工学院制造和生产效率实验室 (Laboratory for Manufacturing and Productivity) 的主管，也是麻省理工学院 Mechanosynthesis 小组的主管。
他带领的研究方向主要是将小到纳米材料技术大到大规模3D打印技术应用到制造生产流程中去。在工作中，他曾遇到过不少微流控设备制造的难题。Crystal Owens 是麻省理工学院机械工程系的研究生，是《Lab on a Chip》期刊上这篇文章的作者。她本科的时候在微流控实验室工作过，亲身体会过在一块薄片上制造微流控装置是多么艰辛的过程。当她加入 Hart 的团队后，就热切希望能找到一种更简便的制造工艺。
目前大多数的微流控装置都是集成一套操控流程在一块薄片上，上面的管道和端口很难再去改动。Owens 和 Hart 希望突破这种限制，通过给单个模块或单元分配单个功能的方式，来实现微流控装置的模块化。研究人员只需要组合或拆解这些模块，按照需要进行排列和组合，就可以实现不同的微流控操作。
为了让这个想法成为现实，Owens 和 Hart 四处寻找可以作为模块基础的材料。他们最终发现乐高积木是非常好的选择。在常见的被大批量制造的物件中，乐高积木可以说是同时具备精密性和模块性的典范了。
乐高积木价格不贵、随处可见、尺寸一致，可以提供可靠的底座、便于组装与拆解。我们想尝试一下乐高积木能否作为微流控模块化的基础。Hart 回忆道。
的确，不管来自世界哪个角落的乐高积木都能保证被有序地、无缝地、牢固地拼接在一起。正好每一块积木也与原先的微流控薄片长度相近。为了验证假设，团队购买了一套标准的乐高积木。
据立思辰留学360了解，他们尝试了很多方法在积木块上面制作微流控管道。最成功的方案是使用微铣削加工技术。微铣削是一种成熟的加工技术，可以在金属或其他材料上铣削出各种精细的形状。
利用桌面级的微铣削平台在乐高积木的表面钻管道
Owens 利用桌面级的微铣削平台做了一次尝试。她在一块乐高积木的表面钻了一个 500 微米宽的管道，然后往管道面上覆一层透明的薄层来密封。将流体泵入这个积木的管道时，她发现流体可以顺利通过管道，并且证实了管道具有流阻功能 (限制单位时间内流过的流体体积)。
她用同样的方法制造了一个流体混合器：在积木的表面钻了一个 Y 型的管道。从 Y 的两个分支同时泵入两种不同的流体，流体最终混合在了一起。她也制作了一个液滴发生器：在积木的表面钻了一个 T 型的图案。当流体从积木出来时，形成了液滴。
两种流体流经这个模块后被混合在了一起
为了证实模块化的可行性，Owens 制作了多个具有不同微流控功能的积木模块。除了流体混合器、液滴发生器，她还为一块积木配备了光线传感器。当流体流过的时候，可以测量透过流体的光线强度。
Owens 表示，最困难的部分在于将积木模块拼在一起的时候，如何保证流体不会从连接处漏出来。尽管乐高积木拼在一起已经很紧密了，但仍然会有 100 至 500 微米左右的间隙。Owens 在每块积木模块的端口处装上了密封圈。在积木模块的端口处钻出一个圆环，装上密封圈。
由于密封圈在积木表面稍稍突出一点，当两块积木紧挨着拼在一起的时候，密封圈会受到挤压，就形成了很好的密封性。这样，后续对模块的使用就变得很简单了。Owens 说。
到目前为止，他们用乐高积木制作了流阻器、流体混合器和液滴发生器。通过组合这些积木模块，已经可以实现多种生物流体微流控操作，例如分选细胞、混合流体、滤出目的分子。
这样的模块化装置，非常易于组装与调整。就像你用乐高积木搭建城堡一样，现在你可以搭建一个微流控系统了。我们希望在不久的将来，有人能够设计出一套基于乐高积木的微流控组件来。Owens 说。
另外他们还指出，用乐高积木作为微流控的模块基础是有一定的局限性的。例如，由于加工工艺的限制，目前只能钻出数十微米宽的管道。而一些流体操控需要使用纳米级的管道，这是微铣削加工技术所无法做到的。
又例如，乐高积木由热塑性塑料制成，它们不能直接接触某些化学试剂。Owens 说：我们正在尝试使用不同的涂层，使积木能承受不同类型的流体。我们也在考虑使用聚合物之类的材料来制作模块，使模块具备更好的耐高温性、耐化学性。
尽管还有种种局限性，但目前，他们的方案已经可以在操控生物流体方面，运用于分选细胞、混合流体、在单个液滴中包封分子等操作。团队正在设计一个网站，来指导大家用乐高积木制作微流控模块。
我们提供了可用的模块化微流控装置的原型制作方案。如果你正好需要这个精度的设备、操控的流体能在这种塑料内使用，那么这个方案会是一个便捷可用的选择。Hart 说。
据立思辰留学360了解，这项研究获得了多方面的赞助，有美国国家科学基金会的研究生科研奖学金计划、麻省理工学院机械工程系 Ascher H. Shapiro 奖学金计划、麻省理工学院林肯实验室先进概念委员会、美国 3M 公司教授奖，以及美国国家科学基金会的 EAGER/Cybermanufacturing 计划。
顶部