Cientistas desenvolveram recentemente um sistema modular baseado no cubo de Rubik para projetar e reconfigurar sistemas microfluídicos. As equipes de pesquisa haviam buscado anteriormente o arranjo de blocos microfluídicos em diversas conformações para se adequar a experimentos variados. Nesse trabalho, Xiaochen Lai e uma equipe de cientistas da Universidade Tianjin, na China, foram inspirados pelo popular quebra-cabeça de Rubik para construir um sistema microfluídico tridimensional (3-D). A configuração pode ser facilmente torcida e girada para alterar sua função. Eles imitaram o design do cubo de Rubik com peças modulares contendo layouts de microcanais para conseguir um selo à prova de vazamento em relação ao arranjo do dispositivo. Lai et al. usou um único dispositivo para realizar a mistura de fluidos e cultura microbiana à base de gotículas para uma gama de aplicações práticas como sensores microfluídicos, bombas e válvulas em ambientes com recursos limitados. O trabalho agora está publicado em Nature:Microsystems and Microengineering .
Os sistemas microfluídicos são altamente úteis na pesquisa científica para uma variedade de atividades, incluindo análise química, devido à sua velocidade de reação e funcionalidade de alto rendimento. Contudo, a tecnologia ainda está em desenvolvimento e seu potencial ainda precisa ser totalmente explorado, uma vez que o processo de fabricação microfluídica ainda é caro e demorado. Para implantar rapidamente sistemas microfluídicos personalizados, bioengenheiros propuseram o conceito de microfluídica modular, em que blocos microfluídicos individuais podem ser projetados em um design modular e montados para formar um sistema. No presente estudo, Lai et al. propôs um sistema microfluídico reconfigurável adaptado do cubo de Rubik devido a várias características únicas do construto. Começar com, o cubo de Rubik continha um engenhoso mecanismo de intertravamento para evitar vazamentos durante a fácil reconfiguração. Segundo, a transformação de um estado para outro exigia apenas um máximo de 20 voltas do cubo para garantir a facilidade de uso. Além disso, o cubo pode ser embaralhado para uma variedade de estados a partir da posição inicial para diversas configurações microfluídicas. O sistema proposto fornece um processo fácil e acessível que abre caminho para aplicativos altamente personalizados em ambientes com recursos limitados.
Ilustração do sistema microfluídico em forma de cubo de Rubik proposto. (a) Ilustração geral do cubo. (b) Blocos de canto do cubo microfluídico, incluindo entradas / saídas de três vias (esquerda), Junção em T 3D (meio). e virando (à direita). (c) Blocos de borda do cubo microfluídico, da esquerda para a direita estão o canal direto, canal espiral, Câmara 3D, e câmara plana, respectivamente. (d) Bloco central e outros componentes do cubo. Crédito:Nature:Microsystems and Microengineering, doi:10.1038 / s41378-020-0136-4
Projetando e caracterizando o cubo de microfluídica
O sistema apareceu como um cubo de Rubik comum, mas todos os 12 cubos de borda e oito cubos de canto foram colocados com blocos contendo microcanais internos para executar funções microfluídicas. Cada um dos blocos de borda e canto manteve um chip microfluídico independente, onde sua entrada / saída estava localizada no centro geométrico de uma superfície. Lai et al. 3-D imprimiu todos esses blocos usando uma impressora de estereolitografia de mesa (SLA). Eles usaram resina transparente para obter transparência para facilitar a observação e incluíram dois anéis de vedação de borracha de silicone em cada bloco de borda para garantir um sistema integrado com rotação suave. A estratégia de vedação auxiliada por O-ring garantiu o contato vedado entre os blocos para seu alinhamento automatizado.
Depois de desenvolver os blocos de cubo microfluídico, a equipe avaliou seu desempenho determinando sua dimensão e tolerância. Eles observaram erros de fabricação durante a impressão 3-D, embora tais erros não tenham causado vazamento de fluido durante sua atividade devido à estratégia de vedação auxiliada por O-ring. Eles então testaram a resistência à pressão do sistema microfluídico, que dependia do aperto da mola para manter os blocos junto com o fluxo de fluido à prova de vazamentos. A alta resistência à pressão no cubo também resultou devido à sua estrutura. Para obter imagens de alta qualidade entre o canal e o cubo, Lai et al. objetivou construir blocos personalizados com canais enviesados e câmaras perto da superfície do cubo para observações autossuficientes dos microcanais.
Ilustração da seção transversal do alinhamento guiado pelo O-ring e à prova de vazamentos no final de uma rotação. (a) Quando o bloco de canto não é girado para a posição certa, existe uma lacuna entre dois blocos que causará vazamento. (b) Quando o bloco de canto é girado para a posição certa, o O-ring embutido no bloco de borda se encaixará automaticamente no côncavo nos blocos de canto, garantindo uma conexão autoalinhada e estanque de dois blocos. Crédito:Nature:Microsystems and Microengineering, doi:10.1038 / s41378-020-0136-4
Os cientistas reconfiguraram a microfluídica girando as faces do cubo e detectaram a sequência seguindo os algoritmos de Rubik - um conjunto de movimentos memorizados com um efeito específico no cubo. Usualmente, uma sequência de movimentos de um algoritmo é chamada de rotação Singmaster, em que letras maiúsculas representam cada movimento. Cada transformação foi possível em segundos, e em alguns casos, Lai et al. usou algoritmos mais simples para uma transformação mais rápida. Usando algoritmos, a equipe designou a posição da maioria dos blocos no cubo para personalizar a microfluídica, mas havia alguns limites intrínsecos ao cubo de Rubik em relação ao arranjo microfluídico, que eles reconfiguraram com a ajuda de um solucionador de cubos Rubik online. Os cientistas definiram o arranjo final dos blocos microfluídicos para o estado não embaralhado e calcularam um algoritmo de configuração como uma solução relativamente otimizada para o cubo de Rubik. Uma vez que o número máximo comprovado de movimentos necessários para restaurar qualquer uma das permutações de um cubo de Rubik, também conhecido como o número de Deus, é 20, as mesmas regras aplicadas ao sistema atual. Portanto, se Lai et al. deviam reconfigurar um sistema microfluídico específico a partir de um estado completamente desordenado, 20 movimentos foram suficientes.
Encontrar e aplicar o algoritmo otimizado para a personalização da microfluídica usando um solucionador de Rubik online. (a) Observe o estado atual do cubo. Escolha os blocos que serão usados na microfluídica. Nesse caso, numeramos os blocos selecionados de 1 a 7. Os blocos 1 e 7 são blocos de entrada / saída, os blocos 2 e 6 são canais retos, os blocos 3 e 5 são viragens, e o bloco 4 é um canal em espiral. (b) No solucionador de Rubik, gerar um cubo não embaralhado, e então designar a posição de cada bloco que aparecerá no arranjo final. Registre as cores de cada bloco. (c) Reinicialize o solucionador de Rubik, e então pinte as posições atuais dos blocos úteis com suas cores finais. (d) Pinte aleatoriamente os blocos não utilizados restantes com cores legais em cada bloco. (e) Clique em resolver para calcular o algoritmo. Esse processo geralmente é feito em alguns segundos. Um algoritmo será mostrado junto com o diagrama de rotação de resolução do cubo. (f) Se o programa mostra uma codificação inválida, em seguida, siga as instruções para ajustar os blocos não usados para torná-lo solucionável. (g) Aplique o algoritmo dado ao cubo microfluídico. Um alcançará a configuração microfluídica desejada após a rotação final. Crédito:Nature:Microsystems and Microengineering, doi:10.1038 / s41378-020-0136-4
Aplicações do cubo microfluídico -
A configuração proposta tem várias vantagens em comparação com a microfluídica modular relatada anteriormente, incluindo facilidade de uso à prova de vazamentos e reconfiguração livre de desmontagem em ambientes com recursos limitados. Para demonstrar sua utilidade, os cientistas completaram uma série de cenários. Eles formaram um bloco de junção em T para mistura de líquido homogêneo e, em seguida, reconfiguraram o cubo microfluídico para criar um gerador de gotículas. A nova configuração permitiu a geração de gotículas de água no óleo para sua coleta, observação e outras funcionalidades. Esses dispositivos microfluídicos permitem que uma grande quantidade de reações paralelas ocorram para aplicações de alto rendimento. Para aplicativos do mundo real, Lai et al. conduziu experimentos de cultura microbiana à base de gotículas com o cubo microfluídico proposto. A cultura microbiana é essencial para uma série de diagnósticos, aplicações de genética e bioengenharia para pesquisas altamente paralelas e de alto rendimento sobre a evolução bacteriana. Neste experimento, os cientistas usaram a cultura Escherichia coli, incubou o cubo microfluídico à temperatura ambiente e usou a resazurina como um indicador de viabilidade celular para avaliar as células durante a cultura. A equipe monitorou a atividade celular com base na mudança de cor das gotículas que passaram de azul para rosa no início, e então desapareceu, para provar a atividade bacteriana nas gotículas. Os cientistas também estimaram a concentração de populações bacterianas durante o experimento.
Desta maneira, Xiaochen Lai e sua equipe apresentaram um novo método para construir rapidamente sistemas microfluídicos personalizados jogando um cubo de Rubik microfluídico. A configuração permitiu a montagem flexível de diversos blocos microfluídicos simplesmente girando as faces do cubo. Após cada rotação, a equipe autoalinhou e selou todos os blocos para funções microfluídicas versáteis sob a orientação de um algoritmo simples de cubo de Rubik. Como prova de conceito, eles criaram um bloco impresso em 3-D para formar sistemas microfluídicos em forma de cubo para boa reconfigurabilidade e rápida implantação no local. Os cientistas pretendem melhorar a versatilidade dos cubos microfluídicos para aplicações avançadas. A configuração atual facilitará sistemas microfluídicos personalizados em configurações com recursos limitados. p © 2020 Science X Network
