Proceso de fabricación de un cubo de microfluidos. Crédito:Naturaleza:Microsistemas y Microingeniería, doi:10.1038 / s41378-020-0136-4
Los científicos han diseñado recientemente un sistema modular basado en el cubo de Rubik para diseñar y reconfigurar sistemas de microfluidos. Los equipos de investigación habían perseguido previamente la disposición de bloques de microfluidos en diversas conformaciones para adaptarse a diversos experimentos. En este trabajo, Xiaochen Lai y un equipo de científicos de la Universidad de Tianjin en China se inspiraron en el popular rompecabezas de Rubik para construir un sistema de microfluidos tridimensional (3-D). La configuración se puede torcer y girar fácilmente para cambiar su función. Imitaron el diseño del cubo de Rubik con piezas modulares que contenían diseños de microcanales para lograr un diseño ajustado, sello a prueba de fugas en relación con la disposición del dispositivo. Lai y col. usó un solo dispositivo para realizar la mezcla de fluidos y el cultivo microbiano basado en gotas para una variedad de aplicaciones prácticas como sensores de microfluidos, bombas y válvulas en entornos con recursos limitados. El trabajo ahora está publicado en Naturaleza:microsistemas y microingeniería .
Los sistemas de microfluidos son muy útiles en la investigación científica para una variedad de actividades, incluido el análisis químico, debido a su velocidad de reacción y funcionalidad de alto rendimiento. Sin embargo, la tecnología aún está en desarrollo y su potencial aún no se ha explorado por completo, ya que el proceso de fabricación de microfluidos sigue siendo costoso y requiere mucho tiempo. Para implementar rápidamente sistemas de microfluidos personalizados, Los bioingenieros han propuesto el concepto de microfluidos modulares, en el que se pueden diseñar bloques de microfluidos individuales en un diseño modular y ensamblar para formar un sistema. En el presente estudio, Lai y col. propuso un sistema de microfluidos reconfigurable adaptado del cubo de Rubik debido a varias características únicas de la construcción. Para empezar, el cubo de Rubik contenía un ingenioso mecanismo de enclavamiento para evitar fugas durante una fácil reconfiguración. Segundo, la transformación de un estado a otro solo requirió un máximo de 20 giros del cubo para garantizar la facilidad de uso. Es más, el cubo podría codificarse a una variedad de estados desde la posición inicial para diversas configuraciones de microfluidos. El sistema propuesto proporciona un proceso fácil y asequible que allana el camino hacia aplicaciones altamente personalizadas en entornos con recursos limitados.
Ilustración del sistema de microfluidos en forma de cubo de Rubik propuesto. (a) Ilustración general del cubo. (b) Bloques de esquina del cubo de microfluidos, incluyendo entradas / salidas de tres vías (izquierda), Unión en T 3D (centro). y girando (derecha). (c) Bloques de borde del cubo de microfluidos, de izquierda a derecha son el canal recto, canal en espiral, Cámara 3D, y cámara plana, respectivamente. (d) Bloque central y otros componentes del cubo. Crédito:Naturaleza:Microsistemas y Microingeniería, doi:10.1038 / s41378-020-0136-4
Diseño y caracterización del cubo de microfluidos
El sistema apareció como un cubo de Rubik ordinario, pero los 12 cubos de borde y los ocho cubos de esquina se colocaron con bloques que contenían microcanales internos para realizar funciones microfluídicas. Cada uno de los bloques de bordes y esquinas mantuvo un chip microfluídico independiente, donde su entrada / salida estaba ubicada en el centro geométrico de una superficie. Lai y col. 3-D imprimió todos estos bloques utilizando una impresora de estereolitografía de escritorio (SLA). Utilizaron resina transparente para obtener transparencia para facilitar la observación e incluyeron dos juntas tóricas de goma de silicona en cada bloque de borde para garantizar un sistema integrado con rotación suave. La estrategia de sellado asistida por juntas tóricas aseguró un contacto sellado entre los bloques para su alineación automatizada.
Después de desarrollar los bloques de cubos de microfluidos, el equipo evaluó su desempeño determinando su dimensión y tolerancia. Observaron errores de fabricación durante la impresión 3D, aunque tales errores no causaron fugas de fluido durante su actividad debido a la estrategia de sellado asistido por juntas tóricas. Luego probaron la resistencia a la presión del sistema de microfluidos, que dependía de la tensión del resorte para mantener los bloques juntos con un flujo de fluido a prueba de fugas. La alta resistencia a la presión en el cubo también se debió a su estructura. Para lograr imágenes de alta calidad entre el canal y el cubo, Lai y col. destinado a construir bloques personalizados con canales sesgados y cámaras cerca de la superficie del cubo para observaciones autosuficientes de los microcanales.
Ilustración de la sección transversal de la alineación guiada por la junta tórica y la estanqueidad al final de una rotación. (a) Cuando el bloque de esquina no se gira a la posición correcta, existe un espacio entre dos bloques que provocará fugas. (b) Cuando el bloque de esquina se gira a la posición correcta, la junta tórica incrustada en el bloque de borde encajará automáticamente en el cóncavo de los bloques de esquina, asegurando una conexión autoalineada y estanca de dos bloques. Crédito:Naturaleza:Microsistemas y Microingeniería, doi:10.1038 / s41378-020-0136-4
Reconfiguración del cubo de microfluidos -
Los científicos reconfiguraron los microfluidos girando las caras del cubo y detectaron la secuencia siguiendo los algoritmos de Rubik, un conjunto de movimientos memorizados con un efecto específico en el cubo. Generalmente, una secuencia de movimientos de un algoritmo se denomina rotación Singmaster, donde las letras mayúsculas representan cada movimiento. Cada transformación fue posible en segundos, y en algunos casos, Lai y col. utilizó algoritmos más simples para una transformación más rápida. Usando algoritmos, el equipo designó la posición de la mayoría de los bloques en el cubo para personalizar los microfluidos, pero había algunos límites intrínsecos al cubo de Rubik en relación con la disposición de los microfluidos, que reconfiguraron con la ayuda de un solucionador de cubos de Rubik en línea. Los científicos establecieron la disposición final de los bloques de microfluidos en el estado descifrado y calcularon un algoritmo para la configuración como una solución relativamente optimizada para el cubo de Rubik. Dado que el número máximo probado de movimientos necesarios para restaurar cualquiera de las permutaciones de un cubo de Rubik, también conocido como el número de Dios, tiene 20, las mismas reglas se aplican al sistema actual. Por lo tanto, si Lai et al. fueran a reconfigurar un sistema de microfluidos específico a partir de un estado completamente desordenado, 20 movimientos fueron suficientes.
Encontrar y aplicar el algoritmo optimizado para la personalización de microfluidos utilizando un solucionador de Rubik en línea. (a) Observe el estado actual del cubo. Elija los bloques que se utilizarán en los microfluidos. En este caso, numeramos los bloques seleccionados del 1 al 7. Los bloques 1 y 7 son bloques de entradas / salidas, los bloques 2 y 6 son canales rectos, los bloques 3 y 5 son giros, y el bloque 4 es un canal en espiral. (b) En el solucionador de Rubik, generar un cubo sin codificar, y luego designar la posición de cada bloque que aparecerá en el arreglo final. Registre los colores de cada bloque. (c) Restablecer el solucionador de Rubik, y luego pintar las posiciones actuales de los bloques útiles con sus colores finales. (d) Pinte al azar los bloques restantes sin usar con colores legales en cada bloque. (e) Haga clic en resolver para calcular el algoritmo. Este proceso generalmente se realiza en unos segundos. Se mostrará un algoritmo junto con el diagrama de rotación para resolver el cubo. (f) Si el programa muestra una codificación no válida, luego siga las instrucciones para ajustar los bloques no utilizados para que se pueda resolver. (g) Aplique el algoritmo dado al cubo de microfluidos. Se logrará la configuración microfluídica deseada después de la rotación final. Crédito:Naturaleza:Microsistemas y Microingeniería, doi:10.1038 / s41378-020-0136-4
Aplicaciones del cubo de microfluidos -
La configuración propuesta tiene varias ventajas en comparación con los microfluídicos modulares informados anteriormente, incluida la facilidad de uso a prueba de fugas y la reconfiguración sin desmontaje en entornos con recursos limitados. Para demostrar su utilidad, los científicos completaron una serie de escenarios. Formaron un bloque de unión en T para una mezcla líquida homogénea y luego reconfiguraron el cubo de microfluidos para crear un generador de gotas. La nueva configuración permitió la generación de gotas de agua en aceite para su recolección, observación y funcionalidad adicional. Dichos dispositivos de microfluidos permiten que se produzca una gran cantidad de reacciones paralelas para aplicaciones de alto rendimiento. Para aplicaciones del mundo real, Lai y col. llevaron a cabo experimentos de cultivo microbiano basados en gotas con el cubo de microfluidos propuesto. El cultivo microbiano es esencial para una variedad de diagnósticos, Aplicaciones de genética y bioingeniería para investigaciones altamente paralelas y de alto rendimiento sobre la evolución bacteriana. En este experimento, los científicos utilizaron el cultivo de Escherichia coli, incubó el cubo de microfluidos a temperatura ambiente y utilizó resazurina como indicador de viabilidad celular para evaluar las células durante el cultivo. El equipo monitoreó la actividad celular en función del cambio de color de las gotas que pasaron de azul a rosa al principio. y luego se desvaneció, para probar la actividad bacteriana en las gotitas. Los científicos también estimaron la concentración de poblaciones bacterianas durante el experimento.
Cultivo de células bacterianas a base de gotitas en el cubo de microfluidos. (a) Configuración experimental del cubo de microfluidos para un cultivo bacteriano basado en gotas. (b) Mecanismo del cambio de color con reducción de resazurina en las gotitas. (c) Imágenes de las gotitas con diferentes tiempos de incubación. (d) Concentración estimada de resorufina en las gotitas en diferentes tiempos de incubación. Crédito:Naturaleza:Microsistemas y Microingeniería, doi:10.1038 / s41378-020-0136-4
De este modo, Xiaochen Lai y su equipo presentaron un nuevo método para construir rápidamente sistemas de microfluidos personalizados jugando un cubo de Rubik de microfluidos. La configuración permitió el ensamblaje flexible de diversos bloques de microfluidos simplemente girando las caras del cubo. Después de cada rotación, el equipo autoalineó y selló todos los bloques para funciones microfluídicas versátiles bajo la guía de un algoritmo simple de cubo de Rubik. Como prueba de concepto, crearon un bloque impreso en 3-D para formar sistemas de microfluidos en forma de cubo para una buena reconfigurabilidad y una rápida implementación en el sitio. Los científicos tienen como objetivo mejorar la versatilidad de los cubos de microfluidos para aplicaciones avanzadas. La configuración actual facilitará los sistemas de microfluidos personalizados en entornos con recursos limitados.
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