Os engenheiros do MIT acabam de introduzir um elemento divertido na microfluídica.

O campo da microfluídica envolve dispositivos minúsculos que manipulam fluidos com precisão em escalas submilimétricas. Esses dispositivos normalmente assumem a forma plana, chips bidimensionais, gravado com pequenos canais e portas que são organizadas para realizar várias operações, como misturar, Ordenação, bombeando, e armazenamento de fluidos à medida que fluem.

Agora a equipe do MIT, olhando além desses designs de laboratório em um chip, encontrou uma plataforma de microfluídica alternativa em "intertravamento, blocos moldados por injeção "—ou, como a maioria de nós os conhece, Peças de Lego.

"LEGOs são exemplos fascinantes de precisão e modularidade em objetos manufaturados do dia a dia, "diz Anastasios John Hart, professor associado de engenharia mecânica no MIT.

De fato, Os tijolos de LEGO são fabricados de forma tão consistente que não importa onde eles sejam encontrados, quaisquer dois tijolos têm a garantia de se alinhar e se encaixar com segurança no lugar. Dado este alto grau de precisão e consistência, os pesquisadores do MIT escolheram os blocos de LEGO como base para um novo design microfluídico modular.

Em um artigo publicado na revista Lab on a Chip, a equipe descreve a micro-fresagem de pequenos canais em LEGOs e o posicionamento da saída de cada "tijolo fluídico" para se alinhar precisamente com a entrada de outro tijolo. Os pesquisadores então selaram as paredes de cada tijolo modificado com um adesivo, permitindo que dispositivos modulares sejam facilmente montados e reconfigurados.

Cada tijolo pode ser projetado com um padrão particular de canais para realizar uma tarefa específica. Os pesquisadores até agora projetaram tijolos como resistores de fluido e misturadores, bem como geradores de gotas. Seus tijolos fluídicos podem ser encaixados ou desmontados, para formar dispositivos microfluídicos modulares que realizam várias operações biológicas, como células de classificação, misturar fluidos, e filtrar as moléculas de interesse.

"Você poderia então construir um sistema microfluídico de forma semelhante a como construiria um castelo de LEGO - tijolo por tijolo, "diz o autor principal Crystal Owens, um estudante de graduação no Departamento de Engenharia Mecânica do MIT. "Esperamos no futuro, outros podem usar peças de LEGO para fazer um kit de ferramentas microfluídicas. "

Mecânica modular

Hart, que também é diretor do Laboratório de Fabricação e Produtividade e Grupo de Mecanossíntese do MIT, concentra principalmente sua pesquisa em novos processos de fabricação, com aplicações que variam de nanomateriais a impressão 3-D em grande escala.

"Ao longo dos anos, Tive uma exposição periférica ao campo da microfluídica e o fato de que a prototipagem de dispositivos microfluídicos costuma ser difícil, demorado, processo de uso intensivo de recursos, "Hart diz.

Owens, que trabalhou em um laboratório de microfluídica como estudante de graduação, tinha visto em primeira mão os esforços meticulosos empregados na engenharia de um laboratório em um chip. Depois de entrar no grupo de Hart, ela estava ansiosa para encontrar uma maneira de simplificar o processo de design.

A maioria dos dispositivos microfluídicos contém todos os canais e portas necessários para realizar várias operações em um chip. Owens e Hart procuraram maneiras de, em essência, explodir esta plataforma de um chip e tornar a microfluídica modular, atribuir uma única operação a um único módulo ou unidade. Um pesquisador poderia então misturar e combinar módulos microfluídicos para realizar várias combinações e sequências de operações.

Ao procurar maneiras de realizar fisicamente seu design modular, Owens e Hart encontraram o modelo perfeito em peças de LEGO, que são quase tão longos quanto um chip microfluídico típico.

"Porque LEGOs são tão baratos, amplamente acessível, e consistente em seu tamanho e repetibilidade de montagem, desmontagem, e montagem, perguntamos se os tijolos de LEGO poderiam ser uma maneira de criar um kit de ferramentas de tijolos microfluídicos ou fluídicos, "Hart diz.

Construindo a partir de uma ideia

Para responder a esta pergunta, a equipe comprou um conjunto de padrões, tijolos LEGO prontos para uso e tentamos várias maneiras de introduzir canais microfluídicos em cada tijolo. O método de maior sucesso acabou sendo o micromilling, uma técnica bem estabelecida comumente usada para perfurar extremamente fino, submilímetro em metais e outros materiais.

Owens usou um micromill de mesa para fresar um simples, Canal de 500 mícrons na parede lateral de um bloco de LEGO padrão. Ela então colou uma película transparente sobre a parede para selá-la e bombeou fluido através do canal recém-fresado do tijolo. Ela observou que o fluido fluiu com sucesso através do canal, demonstrando que o tijolo funcionava como um resistor de fluxo - um dispositivo que permite que quantidades muito pequenas de fluido fluam.

Usando esta mesma técnica, ela fabricou um misturador de fluidos fresando uma horizontal, Canal em forma de Y, e enviar um fluido diferente através de cada braço do Y. Onde os dois braços se encontravam, os fluidos foram misturados com sucesso. Owens também transformou um bloco de LEGO em um gerador de gotas, fresando um padrão em forma de T em sua parede. Enquanto ela bombeava fluido através de uma extremidade do T, ela descobriu que parte do líquido caiu pelo meio, formando uma gota ao sair do tijolo.

Para demonstrar a modularidade, Owens construiu um protótipo em uma placa de base LEGO padrão composta por vários tijolos, cada um projetado para realizar uma operação diferente conforme o fluido é bombeado. Além de fazer o misturador de fluido e gerador de gotas, ela também equipou um tijolo de LEGO com um sensor de luz, posicionar precisamente o sensor para medir a luz conforme o fluido passa por um canal no mesmo local.

Owens diz que a parte mais difícil do projeto foi descobrir como conectar os tijolos, sem vazamento de fluido. Embora as peças de LEGO sejam projetadas para se encaixar com segurança no lugar, no entanto, há uma pequena lacuna entre os tijolos, medindo entre 100 e 500 mícrons. Para selar essa lacuna, Owens fabricou um pequeno O-ring em torno de cada entrada e saída em um tijolo.

"O O-ring se encaixa em um pequeno círculo fresado na superfície do tijolo. Ele é projetado para se destacar em uma certa quantidade, então, quando outro tijolo é colocado ao lado dele, ele comprime e cria uma vedação de fluido confiável entre os tijolos. Isso funciona simplesmente colocando um tijolo próximo ao outro, "Owens diz." Meu objetivo era torná-lo fácil de usar. "

"Uma maneira fácil de construir"

Os pesquisadores observam apenas algumas desvantagens de seu método. No momento, eles são capazes de fabricar canais com dezenas de mícrons de largura. Contudo, algumas operações microfluídicas requerem canais muito menores, que não pode ser feito usando técnicas de micromilling. Também, como os tijolos de LEGO são feitos de termoplásticos, eles provavelmente não podem resistir à exposição a certos produtos químicos que às vezes são usados ​​em sistemas microfluídicos.

"Temos experimentado diferentes revestimentos que poderíamos colocar na superfície para fazer tijolos de LEGO, como eles são, compatível com diferentes fluidos, "Owens diz." Os tijolos do tipo LEGO também podem ser feitos de outros materiais, como polímeros com estabilidade de alta temperatura e resistência química. "

Por enquanto, um dispositivo microfluídico baseado em LEGO pode ser usado para manipular fluidos biológicos e realizar tarefas como classificação de células, filtrando fluidos, e encapsular moléculas em gotículas individuais. A equipe está atualmente desenvolvendo um site que conterá informações sobre como outras pessoas podem projetar seus próprios tijolos fluídicos usando peças LEGO padrão.

"Nosso método fornece uma plataforma acessível para prototipagem de dispositivos microfluídicos, "Hart diz." Se o tipo de dispositivo que você quer fazer, e os materiais com os quais você trabalha, são adequados para este tipo de design modular, esta é uma maneira fácil de construir um dispositivo microfluídico para pesquisa de laboratório. "

Esta história foi republicada por cortesia do MIT News (web.mit.edu/newsoffice/), um site popular que cobre notícias sobre pesquisas do MIT, inovação e ensino.