麻省理工研究人員利用3D打印技術(shù)創(chuàng)建成本僅需2美元的自加熱微流體裝置

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。

△研究人員使用多材料3D打印機(jī)一步生產(chǎn)自加熱微流體裝置

微流體是一種微型機(jī)器，用于操控流體并促進(jìn)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(jìn)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(shí)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(shí)驗(yàn)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(yùn)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(qiáng)大的自加熱微流體設(shè)備，而且速度更快、成本更低�！�

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(dá)到所需的反應(yīng)溫度。

這種經(jīng)濟(jì)高效的方法只需約2美元的材料費(fèi)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(shí)發(fā)生了，而且確實(shí)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(jī)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?yàn)樗�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(jìn)化學(xué)反應(yīng)的進(jìn)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。

△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(tuán)隊(duì)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(shí)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(jìn)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(dá)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(bǔ)充道：“如果我們能夠理解與PLA導(dǎo)電性相關(guān)的機(jī)制，這將大大增強(qiáng)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(xiàng)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(shí)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。