麻省理工研究人员利用3D打印技术创建成本仅需2美元的自加热微流体装置

2023年12月12日，南极熊获悉，麻省理工学院的研究人员已成功利用3D打印技术制造一款简易自加热微流体设备，该研究有潜力用于快速制备成本低廉但高度准确的疾病检测工具。

△研究人员使用多材料3D打印机一步生产自加热微流体装置

微流体是一种微型机器，用于操控流体并促进化学反应，可用于检测微小血液或流体样本中的疾病。举例来说，家用COVID-19测试套件采用了一种简化版的微流体技术。

然而，许多微流体应用需要在特定温度下进行化学反应。通常，这些复杂的微流体装置需要在洁净室中制造，配备由金或铂制成的加热元件，采用复杂而昂贵的制造工艺，难以实现大规模生产。然而，麻省理工学院的创新使用了3D打印技术，大大降低了成本和复杂性。

麻省理工学院微系统技术实验室（MTL）的首席科学家，也是论文高级作者 Luis Fernando Velásquez-García 表示：“洁净室的建造和运行成本通常非常高昂，但我们可以通过增材制造技术，制造功能强大的自加热微流体设备，而且速度更快、成本更低。”

绝缘体变得导电

相反，麻省理工采用多材料3D打印技术，结合了两种材料：常见的3D打印材料聚乳酸（PLA）和含铜纳米粒子的改良PLA。铜纳米粒子的添加使PLA变成电导体，从而可以在电流通过时产生热量。这样，微流体设备就能够在微观通道中加热流体，达到所需的反应温度。

这种经济高效的方法只需约2美元的材料费用，就能够在几分钟内生产出微流体设备。这些设备尺寸小巧，通道宽度约500微米，高度约400微米，适用于各种化学反应。

Velásquez-García解释说，改良的聚乳酸中混入了铜纳米粒子，将这种绝缘材料转化为电导体。当电流通过由这种铜掺杂的PLA组成的电阻器时，能量以热量的形式耗散。

他表示：“这种PLA材料本身是一种电介质，但当你加入这些纳米颗粒杂质时，它的物理特性就完全改变了。这是我们尚未完全理解的事情，但它确实发生了，而且确实如此。并且，这是可以重复的。”

除了电阻器和微流体之外，他们还使用打印机添加了一层薄薄的、连续的PLA夹在它们之间。制造这一层具有挑战性，因为它必须足够薄，以便热量可以从电阻器传递到微流体，但又不能太薄，以免流体泄漏到电阻器中。

最终的微流体设备体积相当于一枚硬币，最关键的是，它能够在几分钟内完成生产过程。该设备中微流体通道的宽度大约为500微米，高度约为400微米，这些通道用于输送流体并促进化学反应的进行。

值得注意的是，PLA材料是半透明的，因此设备中的液体仍然可见。Velásquez-García解释说，许多过程依赖于可视化或使用光来推断化学反应中发生的情况。

△早些时候，麻省理工学院开发的3D打印可穿戴健康诊断贴片

可定制的化学反应器

该团队表示在原型制作中，当流体在输入和输出之间流动时，可以将流体加热到4°C。这种创新的技术允许定制化设备，使其能够按照特定模式或梯度加热流体。

他指出：“使用这两种材料，我们可以创建完全符合所需功能的化学反应器。我们可以设定特定的加热曲线，同时保留微流体的全部特性。”

然而，目前，这种微流体设备的一个限制是PLA材料的耐热性，它在约50°C时开始降解。因此，对于需要更高温度的化学反应（如PCR测试），研究人员正在探索结合第三种材料以实现温度控制，并研究使用其他耐高温材料。

在解决这些限制的未来工作中，Velásquez-García希望将磁铁直接打印到微流体装置中。这些磁铁可以用于需要对颗粒进行分类或排列的化学反应。

与此同时，他和同事们还在研究使用能够达到更高温度的其它材料。他们还在深入研究PLA，以更好地理解在聚合物中添加某些杂质时，为什么导电性会增加。

他补充道：“如果我们能够理解与PLA导电性相关的机制，这将大大增强这些设备的功能。然而，这比其他一些工程问题更难解决。”

总的来说，这项3D打印技术的创新为生物医学领域提供了一个革命性的应用前景，尤其是在生物样本处理和植入式医疗应用方面。另外，由于PLA材料的降解时间较长，人们甚至可以想象，这些芯片随着时间的推移而逐渐溶解和被人体吸收，从而实现植入式医疗应用。

该研究将于本月在PowerMEMS会议期间公布。