目前微通道面臨的限制,突破硅技術(shù)的一種新方法

據(jù)麥姆斯咨詢報道，麻省理工學院（MIT）的研究人員已經(jīng)將微流控技術(shù)整合到單根纖維中，從而可以以更復雜的方式處理更大量的流體。研究人員憑借這種方法得以實現(xiàn)多種新應用，尤其是在醫(yī)療測試領(lǐng)域。

由電子工程師、材料科學家和微系統(tǒng)技術(shù)專家組成的多學科團隊已經(jīng)研發(fā)出一種方法，解決微流控裝置只能在微觀尺度使用的挑戰(zhàn)。如麻省理工學院新聞稿中所述，這樣就能擴大微流控裝置的使用范圍。

目前微通道面臨的限制

微流控裝置是具有微通道的小型系統(tǒng)，可用于化學或生物醫(yī)學的測試和研究，如處理微小血滴并進行測試。通常，這些裝置被制造在類似微型芯片的結(jié)構(gòu)上，提供一種以微觀體積混合、分離和測試流體的方式。

圖片顯示了麻省理工的研究人員如何在長纖維中整合導線和微流控通道，并展示了細胞分選的能力——將活細胞從死細胞中分離開來，因為這兩種細胞對電場的反應不同。以綠色顯示的活細胞被拉向通道的外邊緣，而死細胞（以紅色顯示）則被拉到中心，允許它們被送入單獨的通道

到目前為止，微流控裝置對那些需要更大量液體來檢測微量物質(zhì)的程序而言幫助不大。然而，研究人員在新聞發(fā)布會上表示，麻省理工學院的研究工作改變了這一現(xiàn)狀，將微流控技術(shù)引入全新的“宏觀”方法。該項目的主要研究人員之一，麻省理工學院的研究生Rodger Yuan表示，這項工作也豐富了微流控裝置的尺寸和形狀選擇。

目前，微流控裝置受限于這種系統(tǒng)所使用的硅晶圓尺寸，同樣也限制了流體流過的通道形狀。Yuan指出，“過去20年內(nèi)，大多數(shù)微流控研究都采用芯片形式進行，因為微加工方法非常適用于在復雜排列下制作高精度通道?！?/p>

現(xiàn)有的微流控裝置只有正方形或矩形截面，Yuan補充道，“硅片技術(shù)非常適合制作矩形橫截面的微流控裝置，除此之外的其他要求則需要專業(yè)技術(shù)。該技術(shù)也能制作三角形橫截面的微流控裝置，但僅限于某些特定角度。”

突破硅技術(shù)的一種新方法

由Yuan及其團隊開發(fā)的基于光纖的新方法通過實現(xiàn)通道內(nèi)各種截面形狀來突破硅片技術(shù)的局限，包括星形、十字形或蝴蝶結(jié)狀。特殊應用，如那些需要在生物樣品中自動分選不同種類細胞的應用會發(fā)現(xiàn)這些新形狀將非常有用。Yuan說道，“我們介紹了一種以纖維方式制作微流控裝置的新方法，該方法與傳統(tǒng)基于芯片的形式相比具有諸多優(yōu)勢。”

研究人員使用被稱為預成型件的超大聚合物圓柱體開發(fā)纖維。它包含最終纖維所需的確切形狀和材料，但形狀更多。這樣能夠幫助研究人員以非常精確的配置完成制作。

科學家們將預成型件加熱并加載到滴塔中去。預成型件被拉過噴嘴，噴嘴將其收縮成一根直徑為預成型件直徑四分之一的窄纖維，并保留所有內(nèi)部形狀和排列。

研究人員指出，該工藝的獨特之處在于材料也被拉長了1600倍。這意味著，例如100毫米長（4英寸長）的預成型件變成160米長（約525英尺）的纖維。麻省理工學院電氣工程系教授，專注于生物微技術(shù)研究的Joel Voldman表示，該方法使得研究人員能夠克服現(xiàn)有微流控裝置固有的長度限制。

他繼續(xù)說道，“有時候，你需要加工很多材料，因為你所尋找的東西非常罕見?！边@使得該技術(shù)特別適用于檢測在流體中以非常小濃度存在的微觀物體，例如數(shù)百萬正常細胞中的少量癌細胞，因為“纖維可以任意拉長，長度允許液體留在通道內(nèi)并與之相互作用的時間變得更長。”Voldman解釋道。研究人員在《美國科學院院報》（ Proceedings of the National Academy of Sciences，PNAS）上發(fā)表了一篇與他們的研究工作相關(guān)的論文。

與傳統(tǒng)微流控裝置相比的幾處不同

麻省理工學院團隊研究人員開發(fā)的微流控裝置與傳統(tǒng)裝置有幾處不同。其一是微通道可以根據(jù)長度需求進行制作，允許不間斷的液體流動。通常的微流控裝置通過在微型芯片上來回循環(huán)的方法制作長通道，但由此產(chǎn)生的扭曲和迂回將有可能改變通道輪廓并影響液體流動的方式。

新微流控裝置系統(tǒng)允許將電子元件（如導線）整合到纖維中，使用介電泳的方法操縱細胞。細胞將受到通道兩側(cè)兩根導線之間產(chǎn)生的電場的不同影響。

Voldman表示，為了測試該裝置，研究人員使用這種辦法來控制電壓，以便以高流速推動和拉動細胞。在試驗中，他們將死亡細胞從活細胞中分選出來，驗證了該裝置執(zhí)行此類任務的效率。

Yuan表示，團隊計劃繼續(xù)開發(fā)該裝置，以增強其區(qū)分不同細胞細微差異的能力，并擴展其在其他領(lǐng)域的應用。

他繼續(xù)說道，“首先，我們正在致力于進一步開發(fā)細胞分離效率、通量和選擇性，以適用于稀有細胞分離，如從血液中分離循環(huán)腫瘤細胞。其次，我們很高興我們的光纖流控平臺能夠適應細胞分離之外的新領(lǐng)域，我們希望光纖流控系統(tǒng)的獨特性能能夠解決各種應用中的問題?！?/p>

然而，研究人員也表明了他們不期望他們的方法取代目前的微流控策略，更多地是作為對微流控技術(shù)的補充，為以前無法實現(xiàn)的特定用途鋪平道路。