麻省理工学院的研究人员已经使用 3D 打印来生产自加热微流体设备，展示了一种技术，有朝一日可以用来快速创建廉价但准确的工具来检测多种疾病。
微流体是操纵流体并促进化学反应的微型机器，可用于检测微小血液或流体样本中的疾病。例如，Covid-19 的家用测试套件包含一种简单的微流体。
但许多微流体应用需要必须在特定温度下进行的化学反应。这些更复杂的微流体装置通常在洁净室中制造，配备了由金或铂制成的加热元件，采用复杂且昂贵的制造工艺，难以扩大规模。
相反，麻省理工学院团队使用多材料 3D 打印，通过单一、廉价的制造工艺来创建带有内置加热元件的自加热微流体设备。他们生产的设备可以在流体流经微型机器内部的微观通道时将其加热到特定温度。
他们的技术是可定制的，因此工程师可以创建一种微流体，将流体加热到特定温度或设备特定区域内的给定加热曲线。低成本制造过程需要大约 2 美元的材料来生成即用型微流体。
该过程对于为发展中国家的偏远地区创建自加热微流体特别有用，这些地区的临床医生可能无法获得许多诊断程序所需的昂贵的实验室设备。
“特别是通常用来制造这些设备的洁净室，其建造和运行成本极其昂贵。但我们可以使用增材制造技术来制造功能非常强大的自加热微流体装置，而且它们的制造速度比传统方法更快、更便宜。这确实是使这项技术大众化的一种方式。”麻省理工学院微系统技术实验室 (MTL) 的首席科学家、描述制造技术的论文的高级作者 Luis Fernando Veláuez-García 说道。
该论文的主要作者豪尔赫·卡纳达·佩雷斯·萨拉 (Jorge Cañada Pérez-Sala) 是一名电气工程和计算机科学研究生。该研究将于本月在 PowerMEMS 会议上公布。
绝缘体变得导电
这种新的制造工艺采用了一种称为多材料挤出 3D 打印的技术，其中可以通过打印机的多个喷嘴喷射多种材料，逐层构建设备。该工艺是整体式的，这意味着整个设备可以在 3D 打印机上一步生产出来，无需任何后期组装。
为了制造自加热微流体，研究人员使用了两种材料：一种常用于 3D 打印的可生物降解聚合物聚乳酸 (PLA)，以及 PLA 的改良版。
Veláuez-García 解释说，改性聚乳酸将铜纳米粒子混合到聚合物中，从而将这种绝缘材料转化为电导体。当电流输入由这种铜掺杂 PLA 组成的电阻器时，能量会以热量的形式耗散。
“仔细想想，这真是太神奇了，因为 PLA 材料是一种电介质，但当你加入这些纳米颗粒杂质时，它的物理特性就会完全改变。这是我们尚未完全理解的事情，但它确实发生了，而且是可重复的，”他说。
研究人员使用多材料 3D 打印机，用掺铜 PLA 制造加热电阻器，然后在一个打印步骤中直接在顶部打印微流体装置，该装置具有流体可以流过的微观通道。由于组件由相同的基材制成，因此它们具有相似的打印温度并且兼容。
电阻器散发的热量将使流经微流体通道的流体变暖。
除了电阻器和微流体之外，他们还使用打印机添加一层薄薄的、连续的 PLA 夹在它们之间。制造该层尤其具有挑战性，因为它必须足够薄，以便热量可以从电阻器传递到微流体，但又不能太薄，以免流体泄漏到电阻器中。
最终的机器大约有美国硬币大小，并且可以在几分钟内生产出来。约 500 微米宽、400 微米高的通道穿过微流体，以输送流体并促进化学反应。
重要的是，PLA 材料是半透明的，因此设备中的液体仍然可见。委拉斯开兹-加西亚解释说，许多过程依赖可视化或使用光来推断化学反应过程中发生的情况。
可定制的化学反应器
研究人员利用这一一步制造工艺生成了一种原型，当流体在输入和输出之间流动时，该原型可以将流体加热 4 摄氏度。这种可定制的技术可以使他们制造出能够以特定模式或沿着特定梯度加热流体的设备。
“你可以使用这两种材料来创建完全符合你要求的化学反应器。我们可以设置特定的加热曲线，同时仍然拥有微流体的所有功能，”他说。
然而，一个限制是 PLA 只能加热到 50 摄氏度左右才能开始降解。许多化学反应，例如用于聚合酶链式反应 (PCR) 测试的化学反应，需要 90 度或更高的温度。为了精确控制设备的温度，研究人员需要集成第三种能够实现温度传感的材料。
除了在未来的工作中解决这些限制之外，Veláuez-García 还希望将磁铁直接打印到微流体装置中。这些磁铁可以实现需要对颗粒进行分类或排列的化学反应。
与此同时，他和他的同事正在探索使用其他可以达到更高温度的材料。他们还在研究 PLA，以更好地了解为什么当聚合物中添加某些杂质时它会变得导电。
“如果我们能够理解与 PLA 导电性相关的机制，这将大大增强这些设备的能力，但它比其他一些工程问题更难解决，”他补充道。
“在日本文化中，人们常说美丽在于简单。卡纳达和委拉斯开兹-加西亚的作品呼应了这种观点。他们提出的整体 3D 打印微流体系统体现了简单性和美观性，提供了我们预见的未来广泛的潜在衍生和应用。”东京庆应义塾大学机械工程教授 Norihisa Miki 说道，他没有参与这项研究。这项工作。
“能够同时直接打印具有流体通道和电气特征的微流体芯片，在处理生物样品时开辟了非常现有的应用，例如放大生物标记或驱动和混合液体。此外，由于 PLA 会随着时间的推移而降解，人们甚至可以想到芯片会随着时间的推移而溶解和吸收的植入式应用。”瑞典 KTH 皇家理工学院副教授 Niclas Roxhed 补充道，他没有参与这项研究。学习。
这项研究的部分资金来自 Empiriko Corporation 和 La Caixa 基金会的奖学金。
