دستگاه های میکرو فلوئیدیک سیستم های ریز با کانال های میکروسکوپی هستند که می توانند برای آزمایش و تحقیقات شیمیایی یا زیست پزشکی استفاده شوند. در یک پیشرفت بالقوه تغییر بازی ، محققان MIT اکنون سیستم های میکروسیالیستی را در الیاف جداگانه گنجانیده اند و این امر باعث می شود تا حجم بسیار بیشتری از مایعات به روش های پیچیده تری پردازش شود. به یک معنا ، پیشرفت دوره جدید "کلان" از ریزگردها را باز می کند.
دستگاههای سنتی ریزگردها ، که در طی چند دهه اخیر بطور گسترده توسعه یافته و مورد استفاده قرار می گیرند ، بر روی سازه های مشابه میکروچیپ ساخته می شوند و روش های اختلاط ، جداسازی و آزمایش مایعات را در حجم میکروسکوپی ارائه می دهند. برای مثال آزمایشات پزشکی که فقط به قطره خون ناچیز احتیاج دارد ، اغلب به میکروسیالیک ها متکی هستند. اما مقياس كاهش اين دستگاهها نيز محدوديت هايي را نشان مي دهد. به عنوان مثال ، آنها به طور کلی برای روشهایی که به حجم بیشتری از مایع نیاز دارند برای شناسایی مواد موجود در مقادیر دقیقه مفید نیستند.
تیمی از محققان MIT با ساختن کانال های میکروسیالی در فیبرها ، راهی را برای این امر پیدا کردند . الیاف تا زمانی که لازم باشد برای تولید توان بزرگتر ساخته می شوند و کنترل و انعطاف پذیری بالایی در مورد شکل ها و ابعاد کانال ها دارند. این مفهوم جدید در مقاله ای منتشر شده است که این هفته در مجله مجموعه مقالات آکادمی ملی علوم ، نوشته شده توسط دانشجو فارغ التحصیل MIT ، راجر یوان ، اساتید جوئل ولدمن و یوئل فینک ، و چهار نفر دیگر.
یک رویکرد چند رشته ای
این پروژه در نتیجه یک رویداد "سرعت طوفان" اتفاق افتاد (آمالگام طوفان مغزی و دوستیابی سریع ، ایده ای که توسط پروفسور جفری گراسمن آغاز شده است) که توسط فینک زمانی که وی مدیر آزمایشگاه تحقیقاتی الکترونیک MIT بود تحریک شد. این رویدادها با هدف داشتن کمک به محققان در ایجاد پروژه های مشارکتی جدید ، با داشتن یک جفت دانش آموز و طوفان مغزی postdocs به مدت شش دقیقه به طور هم زمان و صدها ایده در یک ساعت ارائه می شوند ، که توسط یک هیئت رتبه بندی و ارزیابی می شوند. در این جلسه ویژه طوفان سریع ، دانشجویان رشته مهندسی برق با دیگران در علم مواد و فناوری میکروسیستم ها همکاری کردند تا با استفاده از کلاس جدیدی از الیاف چند ماده ، یک روش جدید برای مرتب سازی سلول ها تهیه کنند.
یوان توضیح می دهد ، اگرچه فناوری میکروسیالی بسیار گسترده توسعه یافته و به طور گسترده ای برای پردازش مقادیر کمی مایع مورد استفاده قرار گرفته است ، اما از سه محدودیت ذاتی مربوط به اندازه کلی دستگاه ها ، پروفایل های کانال آنها و مشکل در ترکیب مواد اضافی مانند الکترود رنج می برد.
از آنجا که آنها به طور معمول با استفاده از روش های ساخت تراشه ساخته می شوند ، دستگاه های میکروسیالیک محدود به اندازه ویفرهای سیلیکون مورد استفاده در چنین سیستم هایی هستند که در حدود 8 اینچ بیشتر نیستند. و روشهای فوتولیتوگرافی که برای ساخت چنین تراشه هایی استفاده می شوند ، شکل کانالها را محدود می کنند. آنها فقط می توانند مقطع مربع یا مستطیل شکل داشته باشند. سرانجام ، هر ماده اضافی ، مانند الکترود برای سنجش یا دستکاری مطالب کانال ها ، باید بطور جداگانه در یک فرآیند جداگانه قرار بگیرد و پیچیدگی آنها به شدت محدود شود.
یوان که این کار را به عنوان بخشی از تحقیقات دکترای خود انجام می دهد ، می گوید: "فناوری تراشه سیلیکون در ساخت پروفایل های مستطیلی خوب است ، اما هر چیزی فراتر از آن نیاز به تکنیک های واقعاً تخصصی دارد." "آنها می توانند مثلث بسازند ، اما فقط با زوایای خاص." با روش جدید مبتنی بر الیاف وی و تیمش ، انواع مختلفی از شکل های مقطعی برای کانال ها قابل اجرا است ، از جمله اشکال ستاره ، متقاطع یا بولت که ممکن است برای برنامه های خاص مفید باشد ، مانند مرتب سازی خودکار انواع مختلف سلولها در یک نمونه بیولوژیکی
علاوه بر این ، برای ریزگردها معمولی ، عناصری از قبیل سیمهای سنجش یا گرم کردن یا دستگاههای پیزو الکتریک برای ایجاد لرزش در مایعات نمونه برداری ، باید در مرحله بعدی پردازش اضافه شوند. اما آنها می توانند کاملاً در سیستم مبتنی بر فیبر کاملاً در کانالها ادغام شوند.
رسم نمودار نحوه گرم شدن "پیش فریم" بزرگتر (در بالا) در یک کوره (با عنصر گرمایش نشان داده شده در رنگ قرمز) را نشان می دهد ، و سپس از طریق یک دهانه باریک ترسیم می شود تا فیبر تشکیل شود که اشکال ایجاد شده در پیش فرض را حفظ می کند ، اما در اندازه بسیار کاهش یافته شروع الگوی کانال های داخل فیبر را نشان می دهد. اعتبار: موسسه فناوری ماساچوست
یک نمایه کوچک
مانند سایر سیستم های فیبر پیچیده که طی سالها در آزمایشگاه نویسنده یوئل فینک ، استاد علوم و مهندسی مواد و رئیس کنسرسیوم پیشرفته کاربردی آمریکا (AFFOA) توسعه یافته است ، این الیاف با شروع با یک سیلندر بزرگ پلیمری ساخته می شوند پیش فرض نامیده می شود. این پیش سازها حاوی شکل و مواد دقیق مورد نظر برای فیبر نهایی هستند ، اما به شکل بسیار بزرگتری - که باعث می شود آنها در پیکربندی های دقیق بسیار ساده تر شوند. سپس ، پیش فرض گرم می شود و در یک قطره برج بارگذاری می شود ، جایی که به آرامی از طریق نازل کشیده می شود که آن را به یک الیاف باریک که قطر آن یک چهل و یکم است محکم می کند و در عین حال تمام شکل ها و ترتیب های داخلی را نیز حفظ می کند.
در این فرایند ، ماده نیز با ضریب 1.600 دراز می شود ، به طوری که یک پیش فرض 100 میلی متر طول (4 اینچ) ، به عنوان مثال ، به یک فیبر 160 متر طول (حدود 525 فوت) تبدیل می شود ، بنابراین به طرز چشمگیری غلبه می کند محدودیت طول ذاتی در دستگاه های ریز فلورایز موجود. این می تواند برای برخی از کاربردها ، از جمله کشف اشیاء میکروسکوپی که در غلظت های بسیار کمی در مایعات وجود دارند ، بسیار حیاتی باشد - برای مثال ، تعداد کمی از سلولهای سرطانی در بین میلیون ها سلول طبیعی.
ولدمن ، استاد مهندسی برق که متخصص میکروتکنولوژی بیولوژیکی است ، می گوید: "گاهی اوقات شما باید مواد زیادی را پردازش کنید زیرا آنچه که به دنبال آن هستید نادر است." به گفته وی ، این فن آوری جدید مبتنی بر فیبر مبتنی بر فیبر به ویژه برای چنین مواردی مناسب است ، زیرا "این الیاف به طور خودسرانه ساخته می شوند" ، اجازه می دهد زمان بیشتری برای مایع در داخل کانال باقی بماند و با آن در تعامل باشد.
در حالی که دستگاههای میکرو فلوییدی سنتی با حلقه زدن به عقب و جلو روی یک تراشه کوچک می توانند کانال های طولانی ایجاد کنند ، پیچ و تاب های حاصل باعث تغییر مشخصات کانال شده و بر نحوه گردش مایعات تأثیر می گذارد ، در حالی که در نسخه فیبر اینها می توانند تا زمانی که لازم باشد ساخته شوند. یوان می گوید ، بدون تغییر در شکل و جهت ، اجازه جریان بی وقفه را می دهد.
این سیستم همچنین اجازه می دهد تا اجزای الکتریکی مانند سیمهای رسانا در فیبر وارد شوند. اینها می توانند به عنوان مثال برای دستکاری سلولها ، با استفاده از روشی به نام دی الکتریک ، که در آن سلولها توسط یک میدان الکتریکی تولید شده بین دو سیم رسانا در طرفین کانال تحت تأثیر قرار می گیرند ، استفاده شود.
ولدمن می گوید با وجود این سیم های رسانا در میکروکانال ، می توان ولتاژ را کنترل کرد بنابراین نیروها "تحت فشار قرار می گیرند و روی سلول ها می کشند و شما می توانید آن را با سرعت زیاد انجام دهید."
به عنوان تظاهرات ، این تیم نسخه ای از دستگاه فیبر کانال طولانی را برای جداسازی سلول ها ، مرتب سازی سلول های مرده از موجودات زنده ساخت و اثربخشی خود را در انجام این کار اثبات کرد. یوان می گوید با پیشرفت بیشتر ، آنها انتظار دارند که بتوانند تبعیض ظریف تر بین انواع سلول را انجام دهند.
فینک می گوید: "برای من این یک نمونه شگفت انگیز بود که چگونگی نزدیکی بین گروه های تحقیقاتی در آزمایشگاه بین رشته ای مانند RLE منجر به تحقیقات پیشگامانه ، آغاز و توسط یک دانشجوی فارغ التحصیل شده است. ما دانشکده اساساً توسط دانش آموزان ما کشیده می شد."
محققان تأكید می كنند كه آنها روش جدید را به عنوان جایگزینی برای میكروبیها موجود نمی بینند كه برای بسیاری از كاربردها بسیار مناسب است. ولدمن می گوید ، "منظور از جایگزینی نیست ؛ منظور از تقویت آن است." روش های فعلی ، Voldman می گوید ، اجازه می دهد برخی از کارکردهای جدید برای مصارف خاص که قبلاً امکان پذیر نبوده اند.
http://socialmediastore.net/story5674218/پمپ-وکیوم-آبی
دستگاه های میکرو فلوئیدیک سیستم های ریز با کانال های میکروسکوپی هستند که می توانند برای آزمایش و تحقیقات شیمیایی یا زیست پزشکی استفاده شوند. در یک پیشرفت بالقوه تغییر بازی ، محققان MIT اکنون سیستم های میکروسیالیستی را در الیاف جداگانه گنجانیده اند و این امر باعث می شود تا حجم بسیار بیشتری از مایعات به روش های پیچیده تری پردازش شود. به یک معنا ، پیشرفت دوره جدید "کلان" از ریزگردها را باز می کند.
دستگاههای سنتی ریزگردها ، که در طی چند دهه اخیر بطور گسترده توسعه یافته و مورد استفاده قرار می گیرند ، بر روی سازه های مشابه میکروچیپ ساخته می شوند و روش های اختلاط ، جداسازی و آزمایش مایعات را در حجم میکروسکوپی ارائه می دهند. برای مثال آزمایشات پزشکی که فقط به قطره خون ناچیز احتیاج دارد ، اغلب به میکروسیالیک ها متکی هستند. اما مقياس كاهش اين دستگاهها نيز محدوديت هايي را نشان مي دهد. به عنوان مثال ، آنها به طور کلی برای روشهایی که به حجم بیشتری از مایع نیاز دارند برای شناسایی مواد موجود در مقادیر دقیقه مفید نیستند.
تیمی از محققان MIT با ساختن کانال های میکروسیالی در فیبرها ، راهی را برای این امر پیدا کردند . الیاف تا زمانی که لازم باشد برای تولید توان بزرگتر ساخته می شوند و کنترل و انعطاف پذیری بالایی در مورد شکل ها و ابعاد کانال ها دارند. این مفهوم جدید در مقاله ای منتشر شده است که این هفته در مجله مجموعه مقالات آکادمی ملی علوم ، نوشته شده توسط دانشجو فارغ التحصیل MIT ، راجر یوان ، اساتید جوئل ولدمن و یوئل فینک ، و چهار نفر دیگر.
یک رویکرد چند رشته ای
این پروژه در نتیجه یک رویداد "سرعت طوفان" اتفاق افتاد (آمالگام طوفان مغزی و دوستیابی سریع ، ایده ای که توسط پروفسور جفری گراسمن آغاز شده است) که توسط فینک زمانی که وی مدیر آزمایشگاه تحقیقاتی الکترونیک MIT بود تحریک شد. این رویدادها با هدف داشتن کمک به محققان در ایجاد پروژه های مشارکتی جدید ، با داشتن یک جفت دانش آموز و طوفان مغزی postdocs به مدت شش دقیقه به طور هم زمان و صدها ایده در یک ساعت ارائه می شوند ، که توسط یک هیئت رتبه بندی و ارزیابی می شوند. در این جلسه ویژه طوفان سریع ، دانشجویان رشته مهندسی برق با دیگران در علم مواد و فناوری میکروسیستم ها همکاری کردند تا با استفاده از کلاس جدیدی از الیاف چند ماده ، یک روش جدید برای مرتب سازی سلول ها تهیه کنند.
یوان توضیح می دهد ، اگرچه فناوری میکروسیالی بسیار گسترده توسعه یافته و به طور گسترده ای برای پردازش مقادیر کمی مایع مورد استفاده قرار گرفته است ، اما از سه محدودیت ذاتی مربوط به اندازه کلی دستگاه ها ، پروفایل های کانال آنها و مشکل در ترکیب مواد اضافی مانند الکترود رنج می برد.
از آنجا که آنها به طور معمول با استفاده از روش های ساخت تراشه ساخته می شوند ، دستگاه های میکروسیالیک محدود به اندازه ویفرهای سیلیکون مورد استفاده در چنین سیستم هایی هستند که در حدود 8 اینچ بیشتر نیستند. و روشهای فوتولیتوگرافی که برای ساخت چنین تراشه هایی استفاده می شوند ، شکل کانالها را محدود می کنند. آنها فقط می توانند مقطع مربع یا مستطیل شکل داشته باشند. سرانجام ، هر ماده اضافی ، مانند الکترود برای سنجش یا دستکاری مطالب کانال ها ، باید بطور جداگانه در یک فرآیند جداگانه قرار بگیرد و پیچیدگی آنها به شدت محدود شود.
یوان که این کار را به عنوان بخشی از تحقیقات دکترای خود انجام می دهد ، می گوید: "فناوری تراشه سیلیکون در ساخت پروفایل های مستطیلی خوب است ، اما هر چیزی فراتر از آن نیاز به تکنیک های واقعاً تخصصی دارد." "آنها می توانند مثلث بسازند ، اما فقط با زوایای خاص." با روش جدید مبتنی بر الیاف وی و تیمش ، انواع مختلفی از شکل های مقطعی برای کانال ها قابل اجرا است ، از جمله اشکال ستاره ، متقاطع یا بولت که ممکن است برای برنامه های خاص مفید باشد ، مانند مرتب سازی خودکار انواع مختلف سلولها در یک نمونه بیولوژیکی
علاوه بر این ، برای ریزگردها معمولی ، عناصری از قبیل سیمهای سنجش یا گرم کردن یا دستگاههای پیزو الکتریک برای ایجاد لرزش در مایعات نمونه برداری ، باید در مرحله بعدی پردازش اضافه شوند. اما آنها می توانند کاملاً در سیستم مبتنی بر فیبر کاملاً در کانالها ادغام شوند.
رسم نمودار نحوه گرم شدن "پیش فریم" بزرگتر (در بالا) در یک کوره (با عنصر گرمایش نشان داده شده در رنگ قرمز) را نشان می دهد ، و سپس از طریق یک دهانه باریک ترسیم می شود تا فیبر تشکیل شود که اشکال ایجاد شده در پیش فرض را حفظ می کند ، اما در اندازه بسیار کاهش یافته شروع الگوی کانال های داخل فیبر را نشان می دهد. اعتبار: موسسه فناوری ماساچوست
یک نمایه کوچک
مانند سایر سیستم های فیبر پیچیده که طی سالها در آزمایشگاه نویسنده یوئل فینک ، استاد علوم و مهندسی مواد و رئیس کنسرسیوم پیشرفته کاربردی آمریکا (AFFOA) توسعه یافته است ، این الیاف با شروع با یک سیلندر بزرگ پلیمری ساخته می شوند پیش فرض نامیده می شود. این پیش سازها حاوی شکل و مواد دقیق مورد نظر برای فیبر نهایی هستند ، اما به شکل بسیار بزرگتری - که باعث می شود آنها در پیکربندی های دقیق بسیار ساده تر شوند. سپس ، پیش فرض گرم می شود و در یک قطره برج بارگذاری می شود ، جایی که به آرامی از طریق نازل کشیده می شود که آن را به یک الیاف باریک که قطر آن یک چهل و یکم است محکم می کند و در عین حال تمام شکل ها و ترتیب های داخلی را نیز حفظ می کند.
در این فرایند ، ماده نیز با ضریب 1.600 دراز می شود ، به طوری که یک پیش فرض 100 میلی متر طول (4 اینچ) ، به عنوان مثال ، به یک فیبر 160 متر طول (حدود 525 فوت) تبدیل می شود ، بنابراین به طرز چشمگیری غلبه می کند محدودیت طول ذاتی در دستگاه های ریز فلورایز موجود. این می تواند برای برخی از کاربردها ، از جمله کشف اشیاء میکروسکوپی که در غلظت های بسیار کمی در مایعات وجود دارند ، بسیار حیاتی باشد - برای مثال ، تعداد کمی از سلولهای سرطانی در بین میلیون ها سلول طبیعی.
ولدمن ، استاد مهندسی برق که متخصص میکروتکنولوژی بیولوژیکی است ، می گوید: "گاهی اوقات شما باید مواد زیادی را پردازش کنید زیرا آنچه که به دنبال آن هستید نادر است." به گفته وی ، این فن آوری جدید مبتنی بر فیبر مبتنی بر فیبر به ویژه برای چنین مواردی مناسب است ، زیرا "این الیاف به طور خودسرانه ساخته می شوند" ، اجازه می دهد زمان بیشتری برای مایع در داخل کانال باقی بماند و با آن در تعامل باشد.
در حالی که دستگاههای میکرو فلوییدی سنتی با حلقه زدن به عقب و جلو روی یک تراشه کوچک می توانند کانال های طولانی ایجاد کنند ، پیچ و تاب های حاصل باعث تغییر مشخصات کانال شده و بر نحوه گردش مایعات تأثیر می گذارد ، در حالی که در نسخه فیبر اینها می توانند تا زمانی که لازم باشد ساخته شوند. یوان می گوید ، بدون تغییر در شکل و جهت ، اجازه جریان بی وقفه را می دهد.
این سیستم همچنین اجازه می دهد تا اجزای الکتریکی مانند سیمهای رسانا در فیبر وارد شوند. اینها می توانند به عنوان مثال برای دستکاری سلولها ، با استفاده از روشی به نام دی الکتریک ، که در آن سلولها توسط یک میدان الکتریکی تولید شده بین دو سیم رسانا در طرفین کانال تحت تأثیر قرار می گیرند ، استفاده شود.
ولدمن می گوید با وجود این سیم های رسانا در میکروکانال ، می توان ولتاژ را کنترل کرد بنابراین نیروها "تحت فشار قرار می گیرند و روی سلول ها می کشند و شما می توانید آن را با سرعت زیاد انجام دهید."
به عنوان تظاهرات ، این تیم نسخه ای از دستگاه فیبر کانال طولانی را برای جداسازی سلول ها ، مرتب سازی سلول های مرده از موجودات زنده ساخت و اثربخشی خود را در انجام این کار اثبات کرد. یوان می گوید با پیشرفت بیشتر ، آنها انتظار دارند که بتوانند تبعیض ظریف تر بین انواع سلول را انجام دهند.
فینک می گوید: "برای من این یک نمونه شگفت انگیز بود که چگونگی نزدیکی بین گروه های تحقیقاتی در آزمایشگاه بین رشته ای مانند RLE منجر به تحقیقات پیشگامانه ، آغاز و توسط یک دانشجوی فارغ التحصیل شده است. ما دانشکده اساساً توسط دانش آموزان ما کشیده می شد."
محققان تأكید می كنند كه آنها روش جدید را به عنوان جایگزینی برای میكروبیها موجود نمی بینند كه برای بسیاری از كاربردها بسیار مناسب است. ولدمن می گوید ، "منظور از جایگزینی نیست ؛ منظور از تقویت آن است." روش های فعلی ، Voldman می گوید ، اجازه می دهد برخی از کارکردهای جدید برای مصارف خاص که قبلاً امکان پذیر نبوده اند.
http://socialmediastore.net/story5674218/پمپ-وکیوم-آبی
ربات های کوچک پرواز بارهای سنگین را در اختیار دارند