Processus de fabrication d'un cube microfluidique. Crédit :Nature :Microsystèmes et Micro-ingénierie, doi:10.1038/s41378-020-0136-4
Des scientifiques ont récemment conçu un système modulaire basé sur le Rubik's cube pour concevoir et reconfigurer des systèmes microfluidiques. Les équipes de recherche avaient auparavant poursuivi l'agencement de blocs microfluidiques dans diverses conformations pour s'adapter à des expériences variées. Dans ce travail, Xiaochen Lai et une équipe de scientifiques de l'Université de Tianjin en Chine se sont inspirés du célèbre puzzle Rubik pour construire un système microfluidique en trois dimensions (3D). La configuration peut être facilement tordue et tournée pour changer sa fonction. Ils ont imité la conception du Rubik's cube avec des pièces modulaires contenant des dispositions de microcanaux pour obtenir un joint d'étanchéité par rapport à l'agencement de l'appareil. Lai et al. utilisé un seul appareil pour effectuer un mélange de fluides et une culture microbienne à base de gouttelettes pour une gamme d'applications pratiques en tant que capteurs microfluidiques, pompes et vannes dans des environnements à ressources limitées. L'ouvrage est désormais publié sur Nature :Microsystèmes et Micro-ingénierie .
Les systèmes microfluidiques sont très utiles dans la recherche scientifique pour une gamme d'activités, y compris l'analyse chimique en raison de leur vitesse de réaction et de leur fonctionnalité à haut débit. Cependant, la technologie est encore en développement et son potentiel reste à explorer pleinement car le processus de fabrication microfluidique est encore coûteux et long. Pour déployer rapidement des systèmes microfluidiques personnalisés, les bio-ingénieurs ont proposé le concept de microfluidique modulaire, dans lequel des blocs microfluidiques individuels peuvent être conçus dans une conception modulaire et assemblés pour former un système. Dans la présente étude, Lai et al. a proposé un système microfluidique reconfigurable adapté du Rubik's cube en raison de plusieurs caractéristiques uniques de la construction. Pour commencer, le Rubik's cube contenait un ingénieux mécanisme de verrouillage pour éviter les fuites lors d'une reconfiguration facile. Seconde, la transformation d'un état à un autre n'a nécessité qu'un maximum de 20 tours du cube pour assurer une facilité d'utilisation. Par ailleurs, le cube pourrait être brouillé vers une variété d'états à partir de la position de départ pour diverses configurations microfluidiques. Le système proposé fournit un processus simple et abordable qui ouvre la voie à des applications hautement personnalisées dans des environnements à ressources limitées.
Illustration du système microfluidique proposé en forme de cube de Rubik. (a) Illustration globale du cube. (b) Blocs d'angle du cube microfluidique, y compris les entrées/sorties à trois voies (à gauche), Jonction en T 3D (milieu). et en tournant (à droite). (c) Blocs de bord du cube microfluidique, de gauche à droite sont le canal droit, canal en spirale, Chambre 3D, et chambre plane, respectivement. (d) Bloc central et autres composants du cube. Crédit :Nature :Microsystèmes et Micro-ingénierie, doi:10.1038/s41378-020-0136-4
Concevoir et caractériser le cube microfluidique
Le système est apparu comme un Rubik's cube ordinaire, mais les 12 cubes de bord et les huit cubes de coin ont été placés avec des blocs contenant des microcanaux internes pour effectuer des fonctions microfluidiques. Chacun des blocs de bord et de coin maintenait une puce microfluidique indépendante, où son entrée/sortie était située au centre géométrique d'une surface. Lai et al. Tous ces blocs ont été imprimés en 3D à l'aide d'une imprimante stéréolithographique (SLA) de bureau. Ils ont utilisé de la résine transparente pour obtenir une transparence facilitant l'observation et ont inclus deux joints toriques en caoutchouc de silicone dans chaque bloc de bord pour assurer un système intégré avec une rotation en douceur. La stratégie d'étanchéité assistée par joint torique a assuré un contact étanche entre les blocs pour leur alignement automatisé.
Après avoir développé les blocs de cubes microfluidiques, l'équipe a évalué leurs performances en déterminant leur dimension et leur tolérance. Ils ont noté des erreurs de fabrication lors de l'impression 3D, bien que de telles erreurs n'aient pas causé de fuite de fluide pendant son activité en raison de la stratégie d'étanchéité assistée par joint torique. Ils ont ensuite testé la résistance à la pression du système microfluidique, qui dépendait de l'étanchéité du ressort pour maintenir les blocs ensemble avec un écoulement de fluide étanche. La résistance à la pression élevée dans le cube résulte également de sa structure. Pour réaliser une imagerie de haute qualité entre le canal et le cube, Lai et al. visait à construire des blocs sur mesure avec des canaux et des chambres biaisés près de la surface du cube pour des observations autonomes des microcanaux.
Illustration en coupe de l'alignement guidé des joints toriques et de l'étanchéité en fin de rotation. (a) Lorsque le bloc d'angle n'est pas tourné dans la bonne position, un espace existe entre deux blocs qui provoquera des fuites. (b) Lorsque le bloc d'angle est tourné vers la bonne position, le joint torique intégré dans le bloc de bord s'adaptera automatiquement dans le contre-batteur sur les blocs d'angle, assurant une liaison auto-alignée et étanche de deux blocs. Crédit :Nature :Microsystèmes et Micro-ingénierie, doi:10.1038/s41378-020-0136-4
Reconfiguration du cube microfluidique –
Les scientifiques ont reconfiguré la microfluidique en tournant les faces du cube et ont détecté la séquence en suivant les algorithmes de Rubik, un ensemble de mouvements mémorisés ayant un effet spécifique sur le cube. D'habitude, une séquence de mouvements d'un algorithme est appelée rotation Singmaster où les lettres majuscules représentent chaque mouvement. Chaque transformation était possible en quelques secondes, et dans certains cas, Lai et al. utilisé des algorithmes plus simples pour une transformation plus rapide. À l'aide d'algorithmes, l'équipe a désigné la position de la plupart des blocs du cube pour personnaliser la microfluidique, mais il y avait des limites intrinsèques au Rubik's cube par rapport à l'arrangement microfluidique, qu'ils ont reconfiguré à l'aide d'un solveur Rubik's cube en ligne. Les scientifiques ont défini l'arrangement final des blocs microfluidiques à l'état non brouillé et ont calculé un algorithme de configuration en tant que solution relativement optimisée du Rubik's cube. Étant donné que le nombre maximum prouvé de mouvements requis pour restaurer l'une des permutations d'un Rubik's cube, aussi connu comme le nombre de Dieu, a 20 ans, les mêmes règles s'appliquaient au système actuel. Par conséquent, si Lai et al. étaient de reconfigurer un système microfluidique spécifique à partir d'un état complètement non arrangé, 20 coups étaient suffisants.
Trouver et appliquer l'algorithme optimisé pour la personnalisation de la microfluidique à l'aide d'un solveur Rubik's en ligne. (a) Observez l'état actuel du cube. Choisissez les blocs qui vont être utilisés dans la microfluidique. Dans ce cas, nous avons numéroté les blocs sélectionnés de 1 à 7. Les blocs 1 et 7 sont des blocs entrées/sorties, les blocs 2 et 6 sont des canaux droits, les blocs 3 et 5 sont des tournages, et le bloc 4 est un canal en spirale. (b) Dans le solveur de Rubik, générer un cube non brouillé, puis désigner la position de chaque bloc qu'il apparaîtra dans l'arrangement final. Notez les couleurs de chaque bloc. (c) Réinitialiser le solveur de Rubik, puis peignez les positions actuelles des blocs utiles avec leurs couleurs finales. (d) Peignez au hasard les blocs inutilisés restants avec des couleurs légales sur chaque bloc. (e) Cliquez sur résoudre pour calculer l'algorithme. Ce processus se fait généralement en quelques secondes. Un algorithme sera affiché avec le diagramme de rotation de la résolution du cube. (f) Si le programme affiche un brouillage invalide, puis suivez les instructions pour ajuster les blocs inutilisés pour le rendre résoluble. (g) Appliquer l'algorithme donné au cube microfluidique. On obtiendra la configuration microfluidique souhaitée après la rotation finale. Crédit :Nature :Microsystèmes et Micro-ingénierie, doi:10.1038/s41378-020-0136-4
Applications du cube microfluidique –
La configuration proposée présente plusieurs avantages par rapport à la microfluidique modulaire précédemment rapportée, y compris la facilité d'utilisation étanche et la reconfiguration sans démontage dans les environnements à ressources limitées. Pour démontrer son utilité, les scientifiques ont réalisé une série de scénarios. Ils ont formé un bloc de jonction en T pour un mélange liquide homogène, puis ont reconfiguré le cube microfluidique pour créer un générateur de gouttelettes. La nouvelle configuration a permis la génération de gouttelettes d'eau dans l'huile pour leur collecte, observation et fonctionnalité supplémentaire. De tels dispositifs microfluidiques permettent à une grande quantité de réactions parallèles de se produire pour des applications à haut débit. Pour les applications du monde réel, Lai et al. mené des expériences de culture microbienne à base de gouttelettes avec le cube microfluidique proposé. La culture microbienne est essentielle pour une gamme de diagnostics, applications de génétique et de bio-ingénierie pour des recherches hautement parallèles et à haut débit sur l'évolution bactérienne. Dans cette expérience, les scientifiques ont utilisé la culture d'Escherichia coli, incubé le cube microfluidique à température ambiante et utilisé la résazurine comme indicateur de viabilité cellulaire pour évaluer les cellules pendant la culture. L'équipe a surveillé l'activité cellulaire en fonction du changement de couleur des gouttelettes qui sont passées du bleu au rose au début, puis s'est évanoui, pour prouver l'activité bactérienne dans les gouttelettes. Les scientifiques ont également estimé la concentration des populations bactériennes au cours de l'expérience.
Culture cellulaire bactérienne à base de gouttelettes dans le cube microfluidique. (a) Configuration expérimentale du cube microfluidique pour une culture bactérienne à base de gouttelettes. (b) Mécanisme du changement de couleur avec réduction de la résazurine dans les gouttelettes. (c) Images des gouttelettes avec un temps d'incubation variable. (d) Concentration de résorufine estimée dans les gouttelettes à différents temps d'incubation. Crédit :Nature :Microsystèmes et Micro-ingénierie, doi:10.1038/s41378-020-0136-4
De cette façon, Xiaochen Lai et son équipe ont présenté une nouvelle méthode pour créer rapidement des systèmes microfluidiques personnalisés en jouant à un Rubik's cube microfluidique. La configuration a permis un assemblage flexible de divers blocs microfluidiques en faisant simplement pivoter les faces du cube. Après chaque rotation, l'équipe a auto-aligné et scellé tous les blocs pour des fonctions microfluidiques polyvalentes sous la direction d'un simple algorithme Rubik's cube. Comme preuve de concept, ils ont créé un bloc imprimé en 3D pour former des systèmes microfluidiques en forme de cube pour une bonne reconfigurabilité et un déploiement rapide sur site. Les scientifiques visent à améliorer la polyvalence des cubes microfluidiques pour des applications avancées. La configuration actuelle facilitera les systèmes microfluidiques personnalisés dans des environnements à ressources limitées.
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