3D-печать для производства самонагревающихся микрофлюидных устройств

Ученые из Массачусетского технологического института (США) использовали 3D-печать для создания самонагревающихся микрофлюидных устройств.

Микрофлюидика используется для обнаружения маркеров заболеваний в крошечных образцах крови или жидкостей, как, например, в наборах для тестирования COVID-19.

Многие микрофлюидные приложения требуют проведения химических реакций при определенных температурах. В более сложных устройствах такого рода нагревательные элементы создаются в ходе трудоемкого процесса изготовления. Чтобы решить эту проблему, команда МТИ использовала многостороннюю 3D-печать для создания самонагревающихся микрофлюидных устройств со встроенными нагревательными элементами. Устройства могут нагревать жидкость до определенной температуры, пока она течет по микроскопическим каналам внутри него.

С помощью настраиваемой методики можно создать микрофлюидное устройство, которое нагревает жидкость до определенной температуры или задает профиль нагрева в определенной области устройства. Команда разработчиков говорит, что этот недорогой процесс производства требует около 2 долларов на материалы для создания готового к использованию микрофлюидного устройства.

Ученые использовали технологию, называемую многосторонней экструзионной 3D-печатью. В этом методе несколько материалов могут проходить через множество сопел принтера, создавая устройство слой за слоем. Монолитный процесс создает все устройство за один шаг на принтере без необходимости последующей сборки.

Ученые использовали два материала — полимолочную кислоту (PLA) и модифицированную версию PLA. Модифицированный PLA включает в себя наночастицы меди, которые превращают изоляционный материал в электрический проводник. Когда электрический ток проходит через резистор, изготовленный из модифицированного PLA, энергия рассеивается в виде тепла.

Используя нескольких материалов при 3D-печати, команда изготовила нагревательный резистор и напечатала микрофлюидное устройство. Устройство имеет микроскопические каналы шириной около 500 микрометров, по которым может течь жидкость, созданные прямо на поверхности за один шаг печати. Тепло, рассеиваемое от резистора, нагревает жидкость в каналах устройства. Команда также использовала принтер, чтобы добавить тонкий, непрерывный слой PLA между резистором и микрофлюидным устройством.

Благодаря полупрозрачному дизайну устройства жидкость остается видимой — это помогает в процессах, которые зависят от визуализации или использования света, чтобы понять, что происходит во время химических реакций.

Прототип, созданный в этом процессе, мог нагревать жидкость на четыре градуса Цельсия, когда она текла между входом и выходом. Ученые считают, что с помощью этого метода можно создавать устройства, которые нагревают жидкости по определенным схемам или под определенным углом.

С одной оговоркой: PLA можно нагревать только до 50°C, прежде чем он начнет разрушаться. По данным MIT, многие химические реакции, в том числе используемые для полимеразной цепной реакции (ПЦР), требуют температуры 90°C и выше. Кроме того, чтобы точно контролировать температуру устройства, ученым придется использовать третий материал для температурного зондирования.

Помимо решения проблемы температуры, команда также хочет печатать магниты непосредственно на устройствах. Магниты могут помочь в реакциях, требующих сортировки или выравнивания частиц. Ученые также могут использовать другие материалы, которые достигают более высоких температур.