Sistemi microfluidici modulari stampati in 3D

Cina: i ricercatori testano i sistemi microfluidici modulari stampati in 3D

Ricercatori cinesi della School of Mechanical and Electronic Engineering della Lingnan Normal University stanno esaminando i modi per migliorare l’uso della microfluidica, delineando le loro ricerche nel recente sistema “Microfluidic modulare modulare riconfigurabile stampato in 3D per la generazione di microsfere di gel “.

In questo studio, il team di ricerca ha sviluppato una rete interconnessa di microfluidica intesa a prevenire sfide comuni, in particolare i limiti per i progettisti nella creazione di sistemi più complessi. La microfluidica riconfigurabile ha lo scopo di formare sistemi più integrati, consentendo funzioni biochimiche come:

Generazione di emulsioni
Chip multiorgano
Generazione gradiente
Analisi biochimiche
“I sistemi esistenti utilizzano spesso un approccio monolitico, in cui reattori chimici, sensori, valvole, pompe e rivelatori sono integrati in un singolo chip”, spiegano i ricercatori. “I metodi di fabbricazione tipici dei sistemi microfluidici monolitici, che includono litografia soft, goffratura a caldo e scrittura laser a femtosecondi, richiedono tempo e sono spesso costosi. Inoltre, i complicati processi di fabbricazione richiederebbero maggiore attenzione al controllo di qualità. “

Una rottura all’interno di un sistema monolitico richiede quindi una ricostruzione completa dell’intero sistema microfluidico, aggiungendo tempo e spese a un progetto di ricerca. Con un sistema modulare, parti specifiche possono essere sostituite quando si presenta un problema e possono anche essere progettate e testate separatamente prima dell’integrazione nell’intero sistema. I dispositivi modulari possono essere costruiti rapidamente, in pochi minuti, ma devono anche essere rifiniti con ulteriore incollaggio e sigillatura, che richiedono tempo, spese ed esperienza aggiuntivi.

Il sistema modulare specifico per questo studio offre microfluidica avanzata con geometrie diverse. Costituiscono un sistema complesso ma sono semplici da assemblare costituiti da un fissaggio a vite e un modulo di assemblaggio. A ciascun modulo viene assegnata una funzione, che serva da ingresso o uscita, come canale, valvola, serbatoio o che ha un altro scopo.

Illustrazione schematica di componenti modulari microfluidici stampati in 3D. a) unità di microcanali di base. (b) unità microcanale funzionale. (c) sistema microfluidico multifunzionale. Il dispositivo è costituito da più canali di base e canali funzionali mediante connettore a vite.

I ricercatori hanno progettato i campioni del modello 3D (che misurano 10 x 10 x 10 mm 3 ) con SolidWorks e quindi li hanno stampati in 3D su un ProJet ® D3510 SD , utilizzando materiale in cristallo VisiJet ® (e VisiJet ® S300 per materiale di supporto ceroso). Dopo la stampa 3D, i moduli sono stati collegati tramite connettori a vite.

Micrografie della qualità della superficie del chip. a) qualità e rugosità della superficie prima del trattamento. (b) qualità della superficie e rugosità superficiale dopo la lucidatura e il trattamento con polidimetilsilossano (PDMS). (c) immagine dei componenti del modulo stampati in 3D.

La qualità della superficie è stata considerata eccellente e sia la lucidatura della superficie sia l’uso del rivestimento PDMS sono stati “molto efficaci”.

Connettività del sistema microfluidico modulare. (a) schema del montaggio modulare delle connessioni integrate. (b) illustrazione schematica del gruppo modulare con connessioni filettate. (c) esperimento di perdita del sistema microfluidico collegato incorporato. (d) esperimento di perdita del sistema microfluidico collegato filettato (filo non serrato). e) esperimento di perdita del sistema microfluidico collegato filettato (filetto serrato).

Il test ha comportato anche la valutazione del fissaggio a vite mediante l’impiego di una connessione incorporata, il “serraggio” e il serraggio della filettatura. I manometri digitali sono stati utilizzati anche per verificare la presenza di perdite.

a) illustrazione schematica del sistema microfluidico con modulo a canali misti. (b) simulazione di effetti di missaggio per moduli di canali dritti e di canali mixer. (c) concentrazione normalizzata dell’uscita per i moduli del canale dritto e del canale del mixer, rispettivamente (il terminale del microcanale). (d, e) effetti di miscelazione di fluidi nei moduli di canale dritto e canale di miscelazione.

“… il metodo di connessione a vite era semplice e veloce”, hanno spiegato i ricercatori. “Potrebbe essere disassemblato e riassemblato ripetutamente per creare diverse funzioni del nuovo sistema microfluidico. È ampiamente applicato in campi biochimici come la miscelazione di fluidi e la generazione di goccioline. È importante sottolineare che la connessione filettata ha fornito un’elevata pressione del fluido, evitando problemi di perdite di fluido ed espandendo la sua applicazione. “

Il mixer sintonizzabile con (a) due, (b) tre e (c) quattro uscite. (d, e) confronto di modelli di circuito equivalenti per configurazioni in parallelo a due e tre uscite del sistema di miscelazione sintonizzabile.

La gamma di moduli campione erano tutti collegati con il dispositivo di fissaggio a vite e, alla fine, a causa della facilità di montaggio, i ricercatori hanno affermato che questo sistema sarebbe stato adatto per utenti non esperti.

“Inoltre, il dispositivo microfluidico integrato è stato applicato anche come miscelazione multi-analita e generazione multi-emulsione. Questo sistema microfluidico modulare ha un enorme potenziale per la realizzazione di complessi di produzione di massa e sistemi multiplex per la commercializzazione della piattaforma microfluidica “, hanno concluso i ricercatori.

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