Tecnologia Científica

Cubo microfluídico de um Rubik
Os cientistas projetaram recentemente um sistema modular baseado no cubo de Rubik projetar e reconfigurar sistemas microfluídicos.
Por Thamarasee Jeewandara - 26/06/2020


Processo de fabricação de um cubo microfluídico. Crédito: Nature: Microsystems and Microengineering, doi: 10.1038 / s41378-020-0136-4

Os cientistas projetaram recentemente um sistema modular baseado no cubo de Rubikprojetar e reconfigurar sistemas microfluídicos. As equipes de pesquisa já haviam buscado o arranjo de blocos microfluídicos em diversas conformações para atender a variadas experiências. Neste trabalho, Xiaochen Lai e uma equipe de cientistas da Universidade de Tianjin, na China, foram inspirados pelo popular quebra-cabeça de Rubik para construir um sistema microfluídico tridimensional (3D). A configuração pode ser facilmente girada e girada para alterar sua função. Eles imitaram o design do cubo de Rubik com peças modulares contendo layouts de microcanais para obter uma vedação estanque e estanque em relação à disposição do dispositivo. Lai et al. usou um único dispositivo para realizar a cultura microbiana de mistura de fluidos e gotículas para uma variedade de aplicações práticas como sensores microfluídicos, bombas e válvulas em ambientes com recursos limitados. O trabalho está agora publicado em
Natureza: Microssistemas e Microengenharia .

Os sistemas microfluídicos são altamente úteis em pesquisas científicas para uma série de atividades, incluindo análises químicas devido à sua velocidade de reação e funcionalidade de alto rendimento . No entanto, a tecnologia ainda está em desenvolvimento e seu potencial continua a ser totalmente explorado, pois o processo de fabricação microfluídica ainda é caro e demorado. Para implantar rapidamente sistemas microfluídicos personalizados, os bioengenheiros propuseram o conceito de microfluídica modular , na qual blocos microfluídicos individuais podem ser projetados em um design modular e montados para formar um sistema. No presente estudo, Lai et al. propuseram um sistema microfluídico reconfigurável adaptado do cubo de Rubik devido a várias características únicas da construção. Para começar, o cubo de Rubik continha um engenhoso mecanismo de intertravamento para evitar vazamentos durante uma 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 vários 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 configurações com recursos limitados.

Ilustração do sistema microfluídico tipo cubo de Rubik proposto. (a) Ilustração geral
do cubo. (b) Blocos de canto do cubo microfluídico, incluindo entradas / saídas de três
vias (esquerda), junção T 3D (no meio). e virando (direita). (c) Os blocos de borda do
cubo microfluídico, da esquerda para a direita, são o canal reto, o canal espiral, a
câmara 3D e a 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 microfluídico

O sistema apareceu como um cubo comum de Rubik, mas todos os 12 cubos de borda e oito cubos de canto foram colocados com blocos contendo microcanais internos para desempenhar funções microfluídicas. Cada um dos blocos de borda e canto mantinha 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 O-rings 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 o alinhamento automático.
 
Após desenvolver os blocos de cubos microfluídicos, a equipe avaliou seu desempenho determinando sua dimensão e tolerância. Eles observaram erros de fabricação durante a impressão 3D, embora esses erros não causassem 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 da tensão da mola para manter os blocos juntos 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. visava construir blocos personalizados com canais e câmaras tendenciosos próximos à superfície do cubo para observações auto-suficientes dos microcanais.

Reconfigurando o cubo microfluídico -

Os cientistas reconfiguraram os microfluídicos virando as faces do cubo e detectaram a sequência seguindo os algoritmos de Rubik - um conjunto de movimentos memorizados com um efeito específico no cubo. Geralmente, uma sequência de movimentos de um algoritmo é chamada de rotação Singmaster, onde 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 os microfluídicos, 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 de Rubik on-line. Os cientistas definiram o arranjo final dos blocos microfluídicos para o estado sem embaralhamento e calcularam um algoritmo para configuração como uma solução relativamente otimizada para o cubo de Rubik. Como o número máximo comprovado de movimentos necessários para restaurar qualquer uma das permutações do cubo de Rubik, também conhecido como número de Deus , é 20, as mesmas regras são aplicadas ao sistema atual. Portanto, se Lai et al. Para reconfigurar um sistema microfluídico específico de um estado completamente desarranjado, 20 movimentos foram suficientes.

Localizando e aplicando o algoritmo otimizado para a personalização de microfluídicos
usando um solucionador de Rubik on-line. (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 entradas / saídas, os blocos 2 e 6 são canais retos,
os blocos 3 e 5 são torneados e o bloco 4 é um canal espiral. (b) No solucionador de Rubik,
gere um cubo sem embaralhamento e, em seguida, designe a posição de cada bloco que
aparecerá no arranjo final. Registre as cores de cada bloco. (c) Redefina o solucionador
de Rubik e pinte as posições atuais dos blocos úteis com suas cores finais. (d) Pinte
aleatoriamente os restantes blocos não utilizados 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 da solução do cubo. (f)
Se o programa mostrar uma mistura inválida, siga as instruções para ajustar os blocos não
utilizados para torná-lo solucionável. (g) Aplique o algoritmo fornecido 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
Um alcançará a configuração microfluídica desejada após a rotação final. Crédito: Nature:
Microsystems and Microengineering, doi: 10.1038 / s41378-020-0136-4 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 os microfluídicos modulares relatados anteriormente, incluindo facilidade de uso à prova de vazamentos e reconfiguração livre de desmontagem em configurações com recursos limitados. Para demonstrar sua utilidade, os cientistas completaram uma série de cenários. Eles formaram um bloco de junção T para mistura homogênea de líquidos e reconfiguraram o cubo microfluídico para criar um gerador de gotículas. A nova instalação permitiu a geração de gotículas de água em óleo para sua coleta, observação e outras funcionalidades. Tais dispositivos microfluídicos permitem que ocorra uma grande quantidade de reações paralelas para aplicações de alto rendimento . Para aplicações do mundo real, Lai et al. conduziram experimentos de cultura microbiana baseados em gotículas com o cubo microfluídico proposto. Cultura microbiana é essencial para uma variedade de aplicações de diagnóstico, genética e bioengenharia para pesquisas altamente paralelas e de alto rendimento na evolução bacteriana. Nesta experiência, os cientistas usaram a cultura de Escherichia coli, incubaram o cubo microfluídico à temperatura ambiente e usaram 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 depois desapareceram, para provar a atividade bacteriana nas gotículas. Os cientistas também estimaram a concentração de populações bacterianas durante o experimento.

Cultura celular bacteriana baseada em gotículas no cubo microfluídico. (a)
Configuração experimental do cubo microfluídico para uma cultura bacteriana
baseada em gotículas. (b) Mecanismo da mudança de cor com redução de
resazurina nas gotículas. (c) Imagens das gotículas com tempo variável de incubação.
(d) Concentração estimada de resorufina nas gotículas em diferentes
tempos de incubação. Crédito: Nature: Microsystems and Microengineering,
doi: 10.1038 / s41378-020-0136-4

Dessa forma, Xiaochen Lai e a equipe apresentaram um novo método para construir rapidamente sistemas microfluídicos personalizados, jogando um cubo de Rubik microfluídico. A instalação permitiu a montagem flexível de diversos blocos microfluídicos simplesmente girando as faces do cubo. Após cada rotação, a equipe se alinhava e selava todos os blocos para funções microfluídicas versáteis, sob a orientação de um simples algoritmo de cubo de Rubik. Como prova de conceito, eles criaram um bloco impresso em 3D 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.

 

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