MITの研究者は3Dプリントを使用して、わずか2ドルの自己発熱型マイクロ流体デバイスを作成した。

この投稿は Bingdunxiong によって 2023-12-12 17:06 に最後に編集されました

2023年12月12日、Antarctic Bearは、MITの研究者が3Dプリント技術を使用して、シンプルな自己発熱型マイクロ流体デバイスを作成することに成功したことを知りました。この研究は、低コストでありながら非常に正確な病気検出ツールを迅速に準備するために使用できる可能性があります。

△ 研究者らは、マルチマテリアル 3D プリンターを使用して、自己発熱型マイクロ流体デバイスをワンステップで製造しました。マイクロ流体は、流体を操作して化学反応を促進するために使用される小型の機械で、微量の血液や体液サンプル内の病気の検出に使用できます。たとえば、自宅で行う COVID-19 検査キットでは、マイクロ流体技術の簡易版が使用されています。

ただし、多くのマイクロ流体アプリケーションでは、特定の温度で化学反応が発生する必要があります。通常、これらの複雑なマイクロ流体デバイスは、クリーンルームで製造する必要があり、金やプラチナ製の加熱要素を備え、大量生産が困難な複雑で高価な製造プロセスを採用しています。しかし、MIT のイノベーションでは 3D プリント技術を使用して、コストと複雑さを大幅に削減しています。

「クリーンルームの建設と運用には通常、非常に費用がかかりますが、積層造形法を使用すれば、強力な自己発熱型マイクロ流体デバイスをはるかに迅速かつ安価に製造できます」と、MITマイクロシステム技術研究所（MTL）の主任科学者で、この論文の主任著者であるルイス・フェルナンド・ベラスケス・ガルシア氏は述べている。

絶縁体が導電性になる

代わりに、MIT は、一般的な 3D 印刷材料であるポリ乳酸 (PLA) と、銅ナノ粒子を含む改良 PLA の 2 つの材料を組み合わせたマルチマテリアル 3D 印刷技術を使用しました。銅ナノ粒子を加えると、PLA は電気伝導体となり、電流が流れると熱を発生できるようになります。これにより、マイクロ流体デバイスは、微細なチャネル内の流体を加熱して、目的の反応温度に到達できるようになります。

この費用対効果の高い方法では、必要な材料は約 2 ドルだけで、わずか数分でマイクロ流体デバイスを製造できます。これらのデバイスは、チャネル幅が約 500 ミクロン、高さが約 400 ミクロンとコンパクトなサイズで、さまざまな化学反応に適しています。

ベラスケス・ガルシア氏は、改質ポリ乳酸を銅ナノ粒子と混合することで、絶縁材料が電気伝導体に変化したと説明した。この銅ドープ PLA で構成された抵抗器に電流が流れると、エネルギーが熱として放散されます。

「この PLA 素材自体は誘電体ですが、ナノ粒子の不純物を加えると、その物理的性質は完全に変わります」と彼は言います。「これはまだ完全には理解されていませんが、実際に起こります。そして、それは再現可能です。」

抵抗器とマイクロ流体に加えて、プリンターを使用して、それらの間に挟まれた PLA の薄い連続層を追加しました。この層の製造は困難です。なぜなら、熱が抵抗器からマイクロ流体に伝達できるほど薄くする必要があり、流体が抵抗器に漏れるほど薄くしてはいけないからです。

最終的なマイクロ流体デバイスはコインサイズであり、重要なことに、わずか数分で製造できます。このデバイスのマイクロ流体チャネルは幅約500マイクロメートル、高さ約400マイクロメートルで、流体を輸送し、化学反応を促進するために使用されます。

PLA 素材は半透明なので、デバイス内の液体は見えることに注意してください。ベラスケス・ガルシア氏は、多くのプロセスは、化学反応で何が起こっているかを推測するために視覚化したり光を使用したりすることに依存していると説明した。

△ 以前、MITは3Dプリントされたウェアラブル健康診断パッチを開発した。
カスタマイズ可能な化学反応器

研究チームによれば、プロトタイプでは、入力部と出力部の間を流れる流体を最大 4°C まで加熱することができたという。この革新的な技術により、特定のパターンまたは勾配で流体を加熱するようにデバイスをカスタマイズできるようになります。

「この 2 つの材料を使用することで、まさに私たちが望んでいることを実現する化学反応器を作成できます」と彼は指摘します。「マイクロ流体のすべての特性を維持しながら、特定の加熱プロファイルを設定できます。」

しかし、現在、このようなマイクロ流体デバイスの限界の 1 つは、PLA 材料の耐熱性であり、約 50°C で劣化し始めます。そのため、PCR検査など、より高温を必要とする化学反応の場合、研究者は温度制御を可能にするために第3の材料を組み込むことを検討し、他の耐高温材料の使用を調査しています。

ベラスケス・ガルシア氏は、これらの制限に対処するための今後の研究で、磁石をマイクロ流体デバイスに直接印刷することを望んでいます。これらの磁石は、粒子を分類または配置する必要がある化学反応に使用できます。

一方、彼と彼の同僚は、さらに高い温度に達することができる他の材料の使用を研究している。彼らはまた、ポリマーに特定の不純物を加えると導電性が増加する理由をより深く理解するために、PLA を詳細に研究しています。

同氏はさらにこう付け加えた。「PLA の導電性に関連するメカニズムを理解できれば、これらのデバイスの機能が大幅に向上するでしょう。しかし、これは他の工学上の問題よりも解決が難しいのです。」

全体として、3D 印刷技術におけるこの革新は、特に生物学的サンプルの処理とインプラント可能な医療用途において、バイオメディカル分野における革命的な応用の可能性を提供します。さらに、PLA 材料の分解時間が長いため、これらのチップは時間の経過とともに徐々に溶解し、人体に吸収され、インプラント可能な医療用途が実現すると考えられます。

この研究は今月開催される PowerMEMS カンファレンスで発表される予定です。

MITの研究者は3Dプリントを使用して、わずか2ドルの自己発熱型マイクロ流体デバイスを作成した。

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