Des chercheurs du MIT ont utilisé l’impression 3D pour produire des dispositifs microfluidiques automobile-échauffants, démontrant ainsi une system qui pourrait un jour être utilisée pour créer rapidement des outils peu coûteux mais précis pour détecter une multitude de maladies.
La microfluidique, devices miniaturisées qui manipulent les fluides et facilitent les réactions chimiques, peuvent être utilisées pour détecter des maladies dans de minuscules échantillons de sang ou de fluides. Les kits de take a look at à domicile pour le Covid-19, par exemple, intègrent un sort uncomplicated de microfluidique.
Mais de nombreuses purposes microfluidiques nécessitent des réactions chimiques qui doivent être réalisées à des températures spécifiques. Ces dispositifs microfluidiques plus complexes, généralement fabriqués dans une salle blanche, sont équipés d’éléments chauffants en or ou en platine à l’aide d’un processus de fabrication compliqué et coûteux, difficile à mettre à l’échelle.
Au lieu de cela, l’équipe du MIT a utilisé l’impression 3D multimatériaux pour créer des dispositifs microfluidiques vehicle-chauffants avec des éléments chauffants intégrés, by means of un processus de fabrication one of a kind et peu coûteux. Ils ont généré des dispositifs capables de chauffer le fluide à une température spécifique lorsqu’il circule dans des canaux microscopiques à l’intérieur de la petite equipment.
Leur system est personnalisable, de sorte qu’un ingénieur pourrait créer un microfluidique qui chauffe le fluide à une certaine température ou à un profil de chauffage donné dans une zone spécifique de l’appareil. Le processus de fabrication à faible coût nécessite approximativement 2 bucks de matériaux pour générer un microfluidique prêt à l’emploi.
Le processus pourrait être particulièrement utile pour créer des microfluidiques auto-échauffantes pour les régions reculées des pays en développement où les cliniciens n’ont peut-être pas accès à l’équipement de laboratoire coûteux requis pour de nombreuses procédures de diagnostic.
« Les salles blanches en particulier, où l’on fabrique habituellement ces appareils, sont incroyablement coûteuses à construire et à exploiter. Mais nous pouvons fabriquer des dispositifs microfluidiques auto-chauffants très performants grâce à la fabrication additive, et ils peuvent être fabriqués beaucoup additionally rapidement et à moindre coût qu’avec « C’est vraiment un moyen de démocratiser cette technologie », déclare Luis Fernando Velásquez-García, scientifique principal aux Microsystems Engineering Laboratories (MTL) du MIT et auteur principal d’un report décrivant la approach de fabrication.
Il est rejoint dans l’article par l’auteur principal Jorge Cañada Pérez-Sala, étudiant diplômé en génie électrique et en informatique. La recherche sera présentée à la conférence PowerMEMS ce mois-ci.
Un isolant devient conducteur
Ce nouveau processus de fabrication utilise une approach appelée effect 3D par extrusion multimatériaux, dans laquelle plusieurs matériaux peuvent être projetés à travers les nombreuses buses de l’imprimante pour construire un dispositif couche par couche. Le processus est monolithique, ce qui signifie que l’ensemble du dispositif peut être produit en une seule étape sur l’imprimante 3D, sans aucun post-assemblage nécessaire.
Pour créer une microfluidique automobile-échauffante, les chercheurs ont utilisé deux matériaux : un polymère biodégradable connu sous le nom d’acide polylactique (PLA), couramment utilisé dans l’impression 3D, et une model modifiée du PLA.
Le PLA modifié contient des nanoparticules de cuivre mélangées au polymère, ce qui convertit ce matériau isolant en conducteur électrique, explique Velásquez-García. Lorsque le courant électrique est introduit dans une résistance composée de ce PLA dopé au cuivre, l’énergie est dissipée sous forme de chaleur.
« C’est étonnant quand on y pense parce que le matériau PLA est un diélectrique, mais lorsque vous y mettez ces impuretés de nanoparticules, cela modify complètement les propriétés physiques. C’est quelque chose que nous ne comprenons pas encore complètement, mais cela get there et c’est le cas. » reproductible », dit-il.
À l’aide d’une imprimante 3D multimatériaux, les chercheurs fabriquent une résistance chauffante à partir de PLA dopé au cuivre, puis impriment le dispositif microfluidique, doté de canaux microscopiques à travers lesquels le fluide peut s’écouler, directement sur le dessus en une seule étape d’impression. Étant donné que les composants sont fabriqués à partir du même matériau de base, ils ont des températures d’impression similaires et sont compatibles.
La chaleur dissipée par la résistance réchauffera le fluide circulant dans les canaux du microfluidique.
En moreover de la résistance et du microfluidique, ils utilisent l’imprimante pour ajouter une fantastic couche proceed de PLA prise en sandwich entre eux. Il est particulièrement difficile de fabriquer cette couche motor vehicle elle doit être suffisamment great pour que la chaleur puisse être transférée de la résistance au microfluidique, mais pas si fine que du liquide puisse s’infiltrer dans la résistance.
La equipment résultante a environ la taille d’un quart de dollar américain et peut être produite en quelques minutes. Des canaux d’environ 500 micromètres de big et 400 micromètres de haut traversent le microfluidique pour transporter le fluide et faciliter les réactions chimiques.
Il est vital de noter que le matériau PLA est translucide, de sorte que le liquide présent dans l’appareil reste obvious. De nombreux processus reposent sur la visualisation ou l’utilisation de la lumière pour déduire ce qui se passe lors de réactions chimiques, explique Velásquez-García.
Réacteurs chimiques personnalisables
Les chercheurs ont utilisé ce processus de fabrication en une seule étape pour générer un prototype able de chauffer le fluide de 4 degrés Celsius lorsqu’il circulait entre l’entrée et la sortie. Cette system personnalisable pourrait leur permettre de fabriquer des dispositifs qui chaufferaient les fluides selon certains modèles ou selon des gradients spécifiques.
« Vous pouvez utiliser ces deux matériaux pour créer des réacteurs chimiques qui font exactement ce que vous voulez. Nous pouvons établir un profil de chauffage particulier tout en conservant toutes les capacités du microfluidique », explique-t-il.
Cependant, une limite vient du fait que le PLA ne peut être chauffé qu’à environ 50 degrés Celsius avant de commencer à se dégrader. De nombreuses réactions chimiques, telles que celles utilisées pour les checks de réaction en chaîne par polymérase (PCR), nécessitent des températures de 90 degrés ou as well as. Et pour contrôler avec précision la température de l’appareil, les chercheurs devraient intégrer un troisième matériau permettant la détection de la température.
En moreover de s’attaquer à ces restrictions dans ses travaux futurs, Velásquez-García souhaite imprimer des aimants directement dans le dispositif microfluidique. Ces aimants pourraient permettre des réactions chimiques nécessitant le tri ou l’alignement des particules.
Parallèlement, lui et ses collègues explorent l’utilisation d’autres matériaux pouvant atteindre des températures plus élevées. Ils étudient également le PLA pour mieux comprendre pourquoi il devient conducteur lorsque certaines impuretés sont ajoutées au polymère.
« Si nous parvenons à comprendre le mécanisme lié à la conductivité électrique du PLA, cela améliorerait considérablement les capacités de ces dispositifs, mais cela sera beaucoup furthermore difficile à résoudre que certains autres problèmes d’ingénierie », ajoute-t-il.
« Dans la tradition japonaise, on dit souvent que la beauté réside dans la simplicité. Ce sentiment est repris par les travaux de Cañada et Velasquez-Garcia. Leurs systèmes microfluidiques monolithiques imprimés en 3D incarnent la simplicité et la beauté, offrant un significant éventail de dérivations et d’applications potentielles. que nous prévoyons dans le futur », explique Norihisa Miki, professeur de génie mécanique à l’Université Keio de Tokyo, qui n’a pas participé à ces travaux.
« Être capable d’imprimer directement des puces microfluidiques avec des canaux fluidiques et des caractéristiques électriques en même temps ouvre des applications très intéressantes lors du traitement d’échantillons biologiques, comme pour amplifier des biomarqueurs ou pour actionner et mélanger des liquides. De in addition, en raison du fait que le PLA se dégrade au fil du temps. avec le temps, on peut même penser à des apps implantables où les puces se dissolvent et se résorbent avec le temps », ajoute Niclas Roxhed, professeur associé à l’Institut royal de technologie KTH de Suède, qui n’a pas participé à cette étude.
Cette recherche a été financée, en partie, par Empiriko Corporation et une bourse de la Fondation La Caixa.
