本帖最后由 冰墩熊 于 2023-12-12 17:06 編輯
2023年12月12日,,南極熊獲悉,麻省理工學(xué)院的研究人員已成功利用3D打印技術(shù)制造一款簡易自加熱微流體設(shè)備,,該研究有潛力用于快速制備成本低廉但高度準(zhǔn)確的疾病檢測工具,。
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2023-12-12 16:55 上傳
△研究人員使用多材料3D打印機一步生產(chǎn)自加熱微流體裝置
微流體是一種微型機器,用于操控流體并促進化學(xué)反應(yīng),,可用于檢測微小血液或流體樣本中的疾病,。舉例來說,家用COVID-19測試套件采用了一種簡化版的微流體技術(shù),。
然而,,許多微流體應(yīng)用需要在特定溫度下進行化學(xué)反應(yīng)。通常,這些復(fù)雜的微流體裝置需要在潔凈室中制造,,配備由金或鉑制成的加熱元件,,采用復(fù)雜而昂貴的制造工藝,難以實現(xiàn)大規(guī)模生產(chǎn),。然而,麻省理工學(xué)院的創(chuàng)新使用了3D打印技術(shù),,大大降低了成本和復(fù)雜性,。
麻省理工學(xué)院微系統(tǒng)技術(shù)實驗室(MTL)的首席科學(xué)家,也是論文高級作者 Luis Fernando Velásquez-García 表示:“潔凈室的建造和運行成本通常非常高昂,,但我們可以通過增材制造技術(shù),,制造功能強大的自加熱微流體設(shè)備,而且速度更快,、成本更低,。”
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絕緣體變得導(dǎo)電
相反,,麻省理工采用多材料3D打印技術(shù),,結(jié)合了兩種材料:常見的3D打印材料聚乳酸(PLA)和含銅納米粒子的改良PLA。銅納米粒子的添加使PLA變成電導(dǎo)體,,從而可以在電流通過時產(chǎn)生熱量,。這樣,微流體設(shè)備就能夠在微觀通道中加熱流體,,達到所需的反應(yīng)溫度,。
這種經(jīng)濟高效的方法只需約2美元的材料費用,就能夠在幾分鐘內(nèi)生產(chǎn)出微流體設(shè)備,。這些設(shè)備尺寸小巧,,通道寬度約500微米,高度約400微米,,適用于各種化學(xué)反應(yīng),。
Velásquez-García解釋說,改良的聚乳酸中混入了銅納米粒子,,將這種絕緣材料轉(zhuǎn)化為電導(dǎo)體,。當(dāng)電流通過由這種銅摻雜的PLA組成的電阻器時,能量以熱量的形式耗散,。
他表示:“這種PLA材料本身是一種電介質(zhì),,但當(dāng)你加入這些納米顆粒雜質(zhì)時,它的物理特性就完全改變了,。這是我們尚未完全理解的事情,,但它確實發(fā)生了,而且確實如此。并且,,這是可以重復(fù)的,。”
除了電阻器和微流體之外,,他們還使用打印機添加了一層薄薄的,、連續(xù)的PLA夾在它們之間。制造這一層具有挑戰(zhàn)性,,因為它必須足夠薄,,以便熱量可以從電阻器傳遞到微流體,但又不能太薄,,以免流體泄漏到電阻器中,。
最終的微流體設(shè)備體積相當(dāng)于一枚硬幣,最關(guān)鍵的是,,它能夠在幾分鐘內(nèi)完成生產(chǎn)過程,。該設(shè)備中微流體通道的寬度大約為500微米,高度約為400微米,,這些通道用于輸送流體并促進化學(xué)反應(yīng)的進行,。
值得注意的是,PLA材料是半透明的,,因此設(shè)備中的液體仍然可見,。Velásquez-García解釋說,許多過程依賴于可視化或使用光來推斷化學(xué)反應(yīng)中發(fā)生的情況,。
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△早些時候,,麻省理工學(xué)院開發(fā)的3D打印可穿戴健康診斷貼片
可定制的化學(xué)反應(yīng)器
該團隊表示在原型制作中,當(dāng)流體在輸入和輸出之間流動時,,可以將流體加熱到4°C,。這種創(chuàng)新的技術(shù)允許定制化設(shè)備,使其能夠按照特定模式或梯度加熱流體,。
他指出:“使用這兩種材料,,我們可以創(chuàng)建完全符合所需功能的化學(xué)反應(yīng)器。我們可以設(shè)定特定的加熱曲線,,同時保留微流體的全部特性,。”
然而,,目前,,這種微流體設(shè)備的一個限制是PLA材料的耐熱性,它在約50°C時開始降解,。因此,,對于需要更高溫度的化學(xué)反應(yīng)(如PCR測試),,研究人員正在探索結(jié)合第三種材料以實現(xiàn)溫度控制,并研究使用其他耐高溫材料,。
在解決這些限制的未來工作中,,Velásquez-García希望將磁鐵直接打印到微流體裝置中。這些磁鐵可以用于需要對顆粒進行分類或排列的化學(xué)反應(yīng),。
與此同時,,他和同事們還在研究使用能夠達到更高溫度的其它材料。他們還在深入研究PLA,,以更好地理解在聚合物中添加某些雜質(zhì)時,,為什么導(dǎo)電性會增加。
他補充道:“如果我們能夠理解與PLA導(dǎo)電性相關(guān)的機制,,這將大大增強這些設(shè)備的功能。然而,,這比其他一些工程問題更難解決,。”
總的來說,,這項3D打印技術(shù)的創(chuàng)新為生物醫(yī)學(xué)領(lǐng)域提供了一個革命性的應(yīng)用前景,,尤其是在生物樣本處理和植入式醫(yī)療應(yīng)用方面。另外,,由于PLA材料的降解時間較長,,人們甚至可以想象,這些芯片隨著時間的推移而逐漸溶解和被人體吸收,,從而實現(xiàn)植入式醫(yī)療應(yīng)用,。
該研究將于本月在PowerMEMS會議期間公布。
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