由乐高积木开发的微流控芯片平台

麻省理工学院的工程师们刚刚在微流体中引入了一种有趣的元素。微流体领域涉及精确操纵亚毫米级流体的微小装置。这种设备通常采用平面二维芯片的形式，蚀刻有微小的通道和端口，这些通道和端口被安排来执行各种操作，例如混合、分选、泵送和在流体流动时存储流体。

现在，麻省理工学院的团队，超越了这种芯片实验室的设计，发现了一种可替代的微流体平台，即“联锁、注射成型的积木”——乐高积木。

麻省理工学院机械工程副教授阿纳斯塔西奥斯·约翰·哈特说:“乐高积木是日常制造物品中精确和模块化的迷人例子。”

事实上，乐高积木的制造是如此的一致，无论在世界上的哪个地方，任何两块积木都能保证排列整齐，并安全地固定在适当的位置，这就是为什么麻省理工学院的研究人员选择乐高积木作为新的模块化微流体设计的基础。

他们将小通道微磨成乐高积木，并将每个“流体砖块”的出口定位为与另一个砖块的入口精确对齐。然后，研究人员用粘合剂将每个改性砖的墙壁密封起来，使模块化设备能够轻松组装和重新配置。

每个砖都可以使用特定的通道模式来设计，以执行特定的任务。到目前为止，研究人员已经将砖块设计成流体电阻和混合器，以及液滴发生器。它们的流控砖可以被组合在一起或分开，形成模块化的微流控设备，执行各种生物操作，如分类细胞，混合液体，过滤出感兴趣的分子。

麻省理工学院机械工程系的研究生克里斯特尔·欧文斯说:“这样你就可以建造一个微流体系统，就像你一砖一瓦地建造乐高城堡一样。”“我们希望在未来，其他人可以使用乐高积木来制作一套微流体工具。”

模块化的力学

哈特还是麻省理工学院制造与生产力实验室和机械合成小组的主任，他的研究主要集中在新的制造工艺上，应用范围从纳米材料到大规模3d打印。

Hart说:“多年来，我一直在接触微流体领域，事实上，微流体设备的原型设计通常是一个困难、耗时、资源密集型的过程。”

欧文斯本科时曾在微流体实验室工作，他亲眼目睹了在芯片上设计实验室的艰苦努力。加入哈特的团队后，她渴望找到一种简化设计过程的方法。

大多数微流控器件包含在一个芯片上执行多个操作所需的所有通道和端口。欧文斯和哈特在寻找方法，从本质上说，爆炸这个单芯片平台，使微流体模块化，将单个操作分配到单个模块或单元。然后，研究人员可以混合和匹配微流体模块来执行各种组合和操作序列。

在寻找物理上实现模块化设计的方法时，欧文斯和哈特在乐高积木中找到了完美的模板，乐高积木大约和典型的微流控芯片一样长。

哈特说:“由于乐高积木价格低廉，易于获得，尺寸一致，安装、拆卸和组装的可重复性好，我们询问乐高积木是否可以成为一种创建微流体或流体砖工具包的方式。”

从一个想法出发

为了回答这个问题，该团队购买了一套标准的乐高积木，并尝试了各种方法将微流体通道引入每个积木中。最成功的方法是微铣削，这是一种成熟的技术，通常用于在金属和其他材料中钻出极细的亚毫米特征。

欧文斯首先使用台式微型磨机在标准乐高积木的侧壁上磨出一个简单的500微米宽的通道。然后，她在墙上贴了一层透明薄膜，将其密封，并将液体泵入砖块新磨出的通道中。她观察到，流体成功地流过了通道，证明了砖作为流动电阻的功能——一种允许非常少量的流体流过的装置。

利用同样的技术，她制造了一个流体混合器，通过铣一个水平的y形通道，并将不同的流体通过y形通道的每个臂，在两个臂相遇的地方，流体成功混合。欧文斯还把一块乐高积木变成了水滴发生器，他在积木的墙上刻上了一个t型图案。当她将液体从T的一端泵入时，她发现一些液体从中间流下来，当它离开砖块时形成了一个液滴。

为了演示模块化，Owens在由几块砖组成的标准乐高底板上构建了一个原型，每一块砖都被设计成在流体泵入时执行不同的操作。除了制造流体混合器和液滴发生器，她还为乐高积木配备了光传感器，精确定位传感器，以测量流体通过同一位置通道时的光。

欧文斯说，这个项目最困难的部分是弄清楚如何将砖块连接在一起，而不让液体泄漏出来。虽然乐高积木的设计可以安全地夹在一起，但积木之间仍然有一个100到500微米的小间隙。为了密封这个缺口，欧文斯在每个入口和出口周围用一块砖制造了一个小o形环。

“o形环与砖表面磨成的一个小圆圈相吻合。它的设计可以突出一定程度，所以当另一块砖放在它旁边时，它会压缩并在砖之间产生可靠的流体密封。只需将一块砖挨着另一块砖，”欧文斯说。“我的目标是让它易于使用。”

一种简单的构建方法

研究人员指出，他们的方法有几个缺点。目前，他们能够制造出几十微米宽的通道。然而，一些微流体操作需要更小的通道，这不能使用微铣削技术。此外，由于乐高积木是由热塑性塑料制成的，它们可能无法承受有时用于微流体系统的某些化学物质的暴露。

欧文斯说:“我们一直在试验不同的涂层，我们可以在表面上涂上，使乐高积木与不同的液体兼容。”“类似乐高积木也可以用其他材料制成，比如具有高温稳定性和耐化学性的聚合物。”

目前，基于乐高积木的微流体装置可用于操纵生物流体，并执行诸如分类细胞、过滤流体和将分子封装在单个液滴中的任务。该团队正在设计一个网站，其中将包含其他人如何使用标准乐高积木设计自己的流体砖的信息。

Hart说:“我们的方法为微流控设备的原型设计提供了一个可访问的平台。”“如果你想制造的设备类型和你使用的材料适合这种模块化设计，这是一种简单的方法来建造一个用于实验室研究的微流体设备。”

麻省理工学院

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-由克里斯·瓦夫拉编辑，制作编辑，控制工程， CFE传媒，cvavra@cfemedia.com．

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