科学家3D打印自加热微流控装置

麻省理工学院的研究人员已经使用3D打印技术生产了自热微流体设备，展示了一种技术，该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许多疾病。

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液体样本中的疾病。例如，Covid-19 的家用检测试剂盒包含一种简单类型的微流体。

但许多微流控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。

取而代之的是，麻省理工学院的团队使用多材料3D打印，通过单一的廉价制造工艺，制造出带有内置加热元件的自热微流体装置。他们制造的设备可以将流体加热到特定温度，因为它流经微型机器内部的微观通道。

他们的技术是可定制的，因此工程师可以创建一个微流体，将流体加热到设备特定区域内的某个温度或给定的加热曲线。低成本的制造工艺需要大约2美元的材料来生成即用型微流体。

该过程在为发展中国家的偏远地区创建自热微流体方面可能特别有用，在这些地区，临床医生可能无法获得许多诊断程序所需的昂贵实验室设备。

“特别是洁净室，你通常会在那里制造这些设备，建造和运行的成本非常高。但是我们可以使用增材制造制造出非常强大的自加热微流控器件，而且它们比这些传统方法更快、更便宜。这确实是使这项技术民主化的一种方式，“麻省理工学院微系统技术实验室（MTL）的首席科学家路易斯·费尔南多·贝拉斯克斯-加西亚（Luis Fernando Velásquez-García）说，他是描述制造技术的论文的资深作者。

他与主要作者JorgeCañadaPérez-Sala一起撰写了这篇论文，他是一名电气工程和计算机科学研究生。该研究将在本月的PowerMEMS会议上发表。

绝缘体变导电

这种新的制造工艺利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许多喷嘴喷出多种材料，以逐层构建设备。该过程是单片式的，这意味着整个设备可以在3D打印机上一步生产，而无需任何后期组装。

为了创造自热微流体，研究人员使用了两种材料 – 一种称为聚乳酸（PLA）的可生物降解聚合物，通常用于3D打印，以及PLA的改良版本。

Velásquez-García解释说，改性PLA将铜纳米颗粒混合到聚合物中，将这种绝缘材料转化为电导体。当电流被馈入由这种掺铜PLA组成的电阻器时，能量会以热量的形式消散。

“当你想到它时，这很神奇，因为PLA材料是一种电介质，但是当你放入这些纳米颗粒杂质时，它会完全改变物理性质。这是我们还不完全理解的事情，但它发生了，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打印出微流体装置，该装置具有流体可以流动的微观通道。由于这些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。

从电阻器散发的热量将加热流经微流体通道的流体。

除了电阻器和微流体外，他们还使用打印机添加一层薄而连续的PLA层，夹在它们之间。制造这一层尤其具有挑战性，因为它必须足够薄，以便热量可以从电阻传递到微流体，但又不能太薄，以至于流体可以泄漏到电阻器中。

由此产生的机器大约有美国四分之一的大小，可以在几分钟内生产出来。宽约500微米、高约400微米的通道穿过微流体，以携带流体并促进化学反应。

重要的是，PLA材料是半透明的，因此设备中的流体仍然可见。Velásquez-García解释说，许多过程依赖于可视化或使用光来推断化学反应过程中发生的事情。

可定制的化学反应器

研究人员使用这种一步式制造工艺来生成一个原型，当流体在输入和输出之间流动时，它可以将流体加热 4 摄氏度。这种可定制的技术可以使他们能够制造出以特定模式或沿特定梯度加热流体的设备。

“你可以用这两种材料来制造化学反应器，完全按照你的要求去做。我们可以设置特定的加热曲线，同时仍然具有微流体的所有功能，“他说。

然而，一个局限性来自这样一个事实，即PLA在开始降解之前只能加热到50摄氏度左右。许多化学反应，例如用于聚合酶链反应 （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进行温度传感的材料。

除了在未来的工作中解决这些限制外，Velásquez-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对齐的化学反应。

与此同时，他和他的同事们正在探索使用其他可能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某些杂质添加到聚合物中时，PLA会变得导电。

“如果我们能够理解与PLA导电性相关的机制，这将大大提高这些设备的能力，但它将比其他一些工程问题更难解决，”他补充道。

“在日本文化中，人们常说美在于简单。这种情绪与卡纳达和委拉斯开兹-加西亚的作品相呼应。他们提出的单片3D打印微流体系统体现了简单和美观，提供了我们预见到的未来的广泛潜在衍生和应用，“东京庆应义塾大学机械工程教授Norihisa Miki说，他没有参与这项工作。

“能够同时直接打印具有流体通道和电气特性的微流控芯片，在处理生物样品时开辟了非常成熟的应用，例如扩增生物标志物或驱动和混合液体。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随着时间的推移而溶解和重新吸收的植入式应用，“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。

这项研究部分由Empirico公司和La Caixa基金会的奖学金资助。