Een microfluïdische kubus van Rubik

Abstract
In dit werk wordt een Rubiks kubus gepresenteerd als een herconfigureerbaar microfluïdisch systeem. De microfluïdische kubus bestaat uit fysiek in elkaar grijpende microfluïdische blokken en maakt het ter plaatse ontwerpen en configureren van aangepaste microfluïdica mogelijk door de vlakken van de kubus te draaien. De herconfiguratie van de microfluidica zou kunnen worden gedaan door een gewone Rubiks kubus op te lossen met behulp van Rubiks kubusalgoritmen en computerprogramma’s. Er wordt een O-ring-ondersteunde strategie gebruikt om zelfafdichting en de automatische uitlijning van de microfluïdische kubusblokken mogelijk te maken. Vanwege de in elkaar grijpende mechanica van kubusblokken, vertoont de voorgestelde microfluïdische kubus een goede herconfigureerbaarheid en robuustheid in veelzijdige toepassingen en blijkt het een veelbelovende kandidaat te zijn voor de snelle inzet van microfluïdische systemen in omgevingen met beperkte middelen.

Invoering
Het nut van microfluïdica kan in het huidige wetenschappelijke onderzoek niet worden overschat. Afgezien van het oorspronkelijke gebruik bij chemische analyse1, hebben de ongeëvenaarde voordelen van microfluïdica, zoals een laag verbruik van reagentia, een hoge reactiesnelheid en een hoge doorvoer2, eindeloze mogelijkheden opgeleverd voor een groot aantal onderwerpen, zoals chemische synthese3, materiaalkunde4, 5, biologie6 en klinische diagnose7. Niettemin bevindt microfluïdica-technologie zich in de ontwikkelingsfase en moet het potentieel van microfluïdica nog volledig worden benut. Dat wil zeggen, er is een toenemende vraag naar op maat gemaakte microfluïdische systemen met verschillende toepassingen. Het vervaardigen van een op maat gemaakte microfluïdische chip kan echter duur, arbeidsintensief en zeer tijdrovend zijn. Hoewel de opkomst van zachte lithografietechnieken en het gebruik van elastomeren de fabricage aanzienlijk hebben vereenvoudigd8, zijn dergelijke processen nog steeds sterk afhankelijk van professionele faciliteiten en deskundige operators en blijven ze daarom onbereikbaar voor veel niet-uitgeruste laboratoria, om nog maar te zwijgen van de on-site inzet van microfluïdica als hulpmiddel -beperkte instellingen.

In de afgelopen jaren is de microfluïdische gemeenschap getuige geweest van de snelle ontwikkeling van nieuwe fabricagetechnieken9,10 die geschikt zijn voor de vereenvoudigde aanpassing van microfluïdische systemen. Hiervan is driedimensionaal (3D) printen, de meest representatieve benadering die bekend staat om zijn rechtlijnige manier11,12, gebruikt om direct willekeurige microfluïdische structuren te creëren. State-of-art 3D-printtechnieken hebben kanaaldoorsneden van slechts 18 μm x 20 μm bereikt met behulp van desktop 3D-printers13 en zelfs microfluïdische structuren op submicron-schaal door twee-fotonpolymerisatie14, die fijn genoeg zijn voor de meeste microfluïdische toepassingen. 3D-printen kan echter alleen monolithische apparaten opleveren en het ontwerp van microfluïdica moet worden gedaan tijdens de prefabricatiefase. In toepassingen zoals prototyping van apparaten en point-of-care-testen, waarbij de snelle aanpassing en aanpassing van het microfluïdica-platform op locatie wenselijk is15, wordt 3D-printen inefficiënt vanwege de lange cyclustijd van ontwerp tot gebruik.

Om de snelle inzet van op maat gemaakte microfluïdische systemen mogelijk te maken, wordt het concept van “modulaire microfluïdica” voorgesteld16,17,18,19,20,21,22,23,24,25. In modulaire microfluïdica worden individuele microfluïdische blokken gemaakt in een modulair ontwerp en geassembleerd om een ​​systeem te vormen. Dankzij dit flexibele ontwerp maakt modulaire microfluïdica het ontwerp en herconfiguratie van het microfluïdica-systeem mogelijk tijdens de postfabricatiefase. In eerdere studies werden microfluïdische blokken gemaakt in de vorm van puzzelachtige blokken16,17, Lego-achtige blokken18,24,25, magnetische blokken22 en andere ontwerpen19,23 om de veelzijdige combinatie van verschillende componenten mogelijk te maken. Het modulaire microfluïdica-concept vertoont een goed aanpassingsvermogen in verschillende toepassingen en is een veelbelovende benadering geworden voor snelle aanpassing op locatie. Niettemin heeft modulaire microfluïdica beperkingen in vergelijking met monolithische microfluïdica. Het meest voorkomende maar kritische probleem is “lekkage”. Door de onstabiele verbindingen tussen discrete elementblokken neigen vloeistoffen te lekken onder invloed van hoge druk. In sommige gevallen zijn aanvullende mechanische componenten zoals metalen verbindingspennen19 en schroeven23 gebruikt om een ​​hogere druktolerantie te bereiken, maar deze componenten hebben ook de complexiteit van het herconfiguratieproces vergroot en de bruikbaarheid van het systeem beperkt. Het zou wenselijk zijn om een ​​oplossing te vinden voor modulaire microfluïdica die zowel uitstekende prestaties als goede bruikbaarheid heeft, zodat het zou kunnen voldoen aan de vereisten voor betrouwbare en in hoge mate aanpasbare microfluïdische systemen in omgevingen met beperkte middelen.

In dit werk hebben we een herconfigureerbaar microfluïdisch systeem voorgesteld, aangepast van Rubiks kubus, een 3D-combinatiespuzzelspel dat wereldwijd

rubiks kubus