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融入纤维的微流控装置有望成为全新生化检测利器

日期:2019-10-31 22:34:25 来源: 麦姆斯咨询 点击:

麻省理工学院(MIT)的研究人员已经将微流控技术整合到单根纤维中,从而可以以更复杂的方式处理更大量的流体。研究人员凭借这种方法得以实现多种新应用,尤其是在医疗测试领域。

由电子工程师、材料科学家和微系统技术专家组成的多学科团队已经研发出一种方法,解决微流控装置只能在微观尺度使用的挑战。如麻省理工学院新闻稿中所述,这样就能扩大微流控装置的使用范围。

目前微通道面临的限制

微流控装置是具有微通道的小型系统,可用于化学或生物医学的测试和研究,如处理微小血滴并进行测试。通常,这些装置被制造在类似微型芯片的结构上,提供一种以微观体积混合、分离和测试流体的方式。

麻省理工的研究人员如何在长纤维中整合导线和微流控通道

图片显示了麻省理工的研究人员如何在长纤维中整合导线和微流控通道,并展示了细胞分选的能力——将活细胞从死细胞中分离开来,因为这两种细胞对电场的反应不同。以绿色显示的活细胞被拉向通道的外边缘,而死细胞(以红色显示)则被拉到中心,允许它们被送入单独的通道

到目前为止,微流控装置对那些需要更大量液体来检测微量物质的程序而言帮助不大。然而,研究人员在新闻发布会上表示,麻省理工学院的研究工作改变了这一现状,将微流控技术引入全新的“宏观”方法。该项目的主要研究人员之一,麻省理工学院的研究生Rodger Yuan表示,这项工作也丰富了微流控装置的尺寸和形状选择。

目前,微流控装置受限于这种系统所使用的硅晶圆尺寸,同样也限制了流体流过的通道形状。Yuan指出,“过去20年内,大多数微流控研究都采用芯片形式进行,因为微加工方法非常适用于在复杂排列下制作高精度通道。”

现有的微流控装置只有正方形或矩形截面,Yuan补充道,“硅片技术非常适合制作矩形横截面的微流控装置,除此之外的其他要求则需要专业技术。该技术也能制作三角形横截面的微流控装置,但仅限于某些特定角度。”

突破硅技术的一种新方法

由Yuan及其团队开发的基于光纤的新方法通过实现通道内各种截面形状来突破硅片技术的局限,包括星形、十字形或蝴蝶结状。特殊应用,如那些需要在生物样品中自动分选不同种类细胞的应用会发现这些新形状将非常有用。Yuan说道,“我们介绍了一种以纤维方式制作微流控装置的新方法,该方法与传统基于芯片的形式相比具有诸多优势。”

研究人员使用被称为预成型件的超大聚合物圆柱体开发纤维。它包含最终纤维所需的确切形状和材料,但形状更多。这样能够帮助研究人员以非常精确的配置完成制作。

科学家们将预成型件加热并加载到滴塔中去。预成型件被拉过喷嘴,喷嘴将其收缩成一根直径为预成型件直径四分之一的窄纤维,并保留所有内部形状和排列。

研究人员指出,该工艺的独特之处在于材料也被拉长了1600倍。这意味着,例如100毫米长(4英寸长)的预成型件变成160米长(约525英尺)的纤维。麻省理工学院电气工程系教授,专注于生物微技术研究的Joel Voldman表示,该方法使得研究人员能够克服现有微流控装置固有的长度限制。

他继续说道,“有时候,你需要加工很多材料,因为你所寻找的东西非常罕见。”这使得该技术特别适用于检测在流体中以非常小浓度存在的微观物体,例如数百万正常细胞中的少量癌细胞,因为“纤维可以任意拉长,长度允许液体留在通道内并与之相互作用的时间变得更长。”Voldman解释道。研究人员在《美国科学院院报》( Proceedings of the National Academy of Sciences,PNAS)上发表了一篇与他们的研究工作相关的论文。

与传统微流控装置相比的几处不同

麻省理工学院团队研究人员开发的微流控装置与传统装置有几处不同。其一是微通道可以根据长度需求进行制作,允许不间断的液体流动。通常的微流控装置通过在微型芯片上来回循环的方法制作长通道,但由此产生的扭曲和迂回将有可能改变通道轮廓并影响液体流动的方式。

新微流控装置系统允许将电子元件(如导线)整合到纤维中,使用介电泳的方法操纵细胞。细胞将受到通道两侧两根导线之间产生的电场的不同影响。

Voldman表示,为了测试该装置,研究人员使用这种办法来控制电压,以便以高流速推动和拉动细胞。在试验中,他们将死亡细胞从活细胞中分选出来,验证了该装置执行此类任务的效率。

Yuan表示,团队计划继续开发该装置,以增强其区分不同细胞细微差异的能力,并扩展其在其他领域的应用。

他继续说道,“首先,我们正在致力于进一步开发细胞分离效率、通量和选择性,以适用于稀有细胞分离,如从血液中分离循环肿瘤细胞。其次,我们很高兴我们的光纤流控平台能够适应细胞分离之外的新领域,我们希望光纤流控系统的独特性能能够解决各种应用中的问题。”

然而,研究人员也表明了他们不期望他们的方法取代目前的微流控策略,更多地是作为对微流控技术的补充,为以前无法实现的特定用途铺平道路


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