عملية تصنيع مكعب موائع جزيئية. الصورة ملك ل : Nature: Microsystems and Microengineering،
in , ,

مكعب روبيك “Rubik” لتصنيع الموائع الجزيئية

عملية تصنيع مكعب موائع جزيئية. الصورة ملك ل : Nature: Microsystems and Microengineering،

قام العلماء مؤخرًا بتصميم نظام معياري يعتمد على مكعب روبيك لتصميم وإعادة تكوين أنظمة الموائع الدقيقة. وقد اتبعت فرق البحث في السابق ترتيب كتل الموائع الدقيقة في تطابقات متنوعة لتناسب التجارب المتنوعة. في هذا العمل ، استلهم لاي اكسياوتشين وفريق من العلماء في جامعة تيانجين في الصين لغز روبيك الشهير لبناء نظام موائع ميكروية ثلاثية الأبعاد (3-D). يمكن تحريف الإعداد بسهولة وتحويله لتغيير وظيفته. لقد قاموا بمحاكاة تصميم مكعب روبيك بقطع معيارية تحتوي على تصميمات قنوات دقيقة لتحقيق ختم محكم مانع للتسرب بالنسبة لترتيب الجهاز. لاي وآخرون. استخدموا جهازًا واحدًا لأداء خلط السوائل والثقافة الميكروبية القائمة على القطرات لمجموعة من التطبيقات العملية مثل أجهزة استشعار الموائع الدقيقة والمضخات والصمامات في البيئات محدودة الموارد. نُشر العمل الآن في مجلة Nature: Microsystems and Microengineering.

تعتبر أنظمة الموائع الدقيقة مفيدة للغاية في البحث العلمي لمجموعة من الأنشطة بما في ذلك التحليل الكيميائي بسبب سرعة تفاعلها ووظائف الإنتاجية العالية. ومع ذلك ، لا تزال التكنولوجيا قيد التطوير ولا تزال إمكاناتها تستكشف بالكامل لأن عملية تصنيع الموائع الدقيقة لا تزال مكلفة وتستغرق وقتًا طويلاً. لنشر أنظمة الموائع الدقيقة المخصصة بسرعة ، اقترح المهندسون الحيويون مفهوم الموائع الدقيقة المعيارية ، حيث يمكن هندسة كتل الموائع الدقيقة الفردية في تصميم معياري وتجميعها لتشكيل نظام. في الدراسة الحالية ، Lai et al. اقترحت نظام موائع جزيئية قابلة لإعادة التشكيل مقتبسة من مكعب روبيك بسبب العديد من الميزات الفريدة للبنية. بادئ ذي بدء ، احتوى مكعب روبيك على آلية تشابك بارعة لمنع التسرب أثناء إعادة التكوين السهلة. ثانيًا ، لم يتطلب التحول من حالة إلى أخرى سوى 20 لفة كحد أقصى من المكعب لضمان سهولة الاستخدام. علاوة على ذلك ، يمكن دمج المكعب إلى مجموعة متنوعة من الحالات من وضع البداية لتكوينات موائع مجهرية متنوعة. يوفر النظام المقترح عملية سهلة ومعقولة التكلفة تمهد الطريق نحو تطبيقات مخصصة للغاية في إعدادات محدودة الموارد.

رسم توضيحي لنظام موائع ميكروية يشبه مكعب روبيك المقترح. (A) توضيح عام للمكعب. (B) كتل الزاوية لمكعب موائع جزيئية ، بما في ذلك مداخل / منافذ ثلاثية (يسار) ، تقاطع ثلاثي الأبعاد (وسط). وتحول (يمين). (C) كتل الحافة لمكعب الموائع الدقيقة ، من اليسار إلى اليمين هي القناة المستقيمة ، والقناة الحلزونية ، والحجرة ثلاثية الأبعاد ، والحجرة المستوية ، على التوالي. (D) الكتلة المركزية والمكونات الأخرى للمكعب. hgw,vm lg; gJ : Nature: Microsystems and Microengineering،

تصميم وتوصيف مكعب الموائع الدقيقة

ظهر النظام كمكعب روبيك عادي ، ولكن تم وضع جميع مكعبات الحافة الـ 12 وثمانية مكعبات مع كتل تحتوي على قنوات ميكروية داخلية لأداء وظائف الموائع الدقيقة. حافظت كل من كتل الحافة والزاوية على رقاقة ميكروفلويديك مستقلة ، حيث يوجد مدخلها / مخرجها في المركز الهندسي للسطح. لاي وآخرون. طبع ثلاثي الأبعاد كل هذه الكتل باستخدام طابعة مجسمة لسطح المكتب (SLA). استخدموا ريتنج واضح للحصول على شفافية لسهولة المراقبة وأدرجوا حلقتين من مطاط السيليكون O في كل كتلة حافة لضمان نظام متكامل مع دوران سلس. تضمن إستراتيجية الختم المدعومة بالحلقة O الاتصال المحكم بين الكتل من أجل محاذاة تلقائية.

بعد تطوير كتل المكعب ميكروفلويديك ، قام الفريق بتقييم أدائها من خلال تحديد أبعادها والاحتمالات . لاحظوا أخطاء التصنيع أثناء الطباعة ثلاثية الأبعاد ، على الرغم من أن هذه الأخطاء لم تتسبب في تسرب السوائل أثناء نشاطها بسبب استراتيجية الختم بمساعدة الحلقة. ثم قاموا باختبار مقاومة الضغط لنظام الموائع الدقيقة ، والذي اعتمد على ضيق النابض للحفاظ على الكتل مع تدفق السوائل مانعة للتسرب. مقاومة الضغط العالي في المكعب نتجت أيضًا عن هيكلها. لإنجاز تصوير عالي الجودة بين القناة والمكعب ، Lai et al. تهدف إلى بناء كتل مخصصة بقنوات وغرف متحيزة بالقرب من سطح المكعب لملاحظات الاكتفاء الذاتي للقنوات الصغيرة.

رسم توضيحي للمقطع العرضي للمحاذاة الموجّهة للحلقة O ومقاومة التسرب في نهاية التدوير. (A) عندما لا يتم تدوير كتلة الزاوية إلى الموضع الصحيح ، توجد فجوة بين كتلتين تؤدي إلى التسرب. (B) عندما يتم تدوير كتلة الزاوية إلى الموضع الصحيح ، فإن الحلقة O المضمنة في كتلة الحافة ستلائم تلقائيًا في المقعر على كتل الزاوية ، مما يضمن اتصالًا محاذاً ذاتيًا ومانعًا للتسرب من كتلتين. الصورة ملك لـ : Nature: Microsystems and Microengineering،

إعادة تكوين مكعب الموائع الدقيقة

أعاد العلماء تكوين الموائع الدقيقة عن طريق قلب وجوه المكعب واكتشاف التسلسل باتباع خوارزميات روبيك – مجموعة من الحركات المحفوظة ذات التأثير المحدد على المكعب. عادة ، يشار إلى سلسلة من حركات الخوارزمية باسم تناوب Singmaster حيث تمثل الأحرف الكبيرة كل حركة. كان كل تحويل ممكنًا في غضون ثوانٍ ، وفي بعض الحالات ، لاي وآخرون يستخدمون خوارزميات أبسط للتحويل بشكل أسرع. باستخدام الخوارزميات ، حدد الفريق موضع معظم الكتل في المكعب لتخصيص الموائع الدقيقة ، ولكن كانت هناك بعض الحدود الجوهرية لمكعب روبيك بالنسبة لترتيب الموائع الدقيقة ، والتي أعادوا تكوينها بمساعدة محلل مكعب روبيك عبر الإنترنت. حدد العلماء الترتيب النهائي لكتل ​​الموائع الدقيقة إلى الحالة غير المشفرة وحسبوا خوارزمية للتكوين كحل محسن نسبيًا لمكعب روبيك. نظرًا لأن العدد الأقصى المؤكد من التحركات المطلوبة لاستعادة أي من التباديل لمكعب روبيك  هو 20 ، فإن نفس القواعد المطبقة على النظام الحالي. لذلك ، إذا لاي وآخرون. لإعادة تكوين نظام موائع مجهرية معينة من حالة غير مرتبة تمامًا ، كانت 20 حركة كافية.

إيجاد وتطبيق الخوارزمية المحسنة لتخصيص الموائع الدقيقة باستخدام محلول Rubik عبر الإنترنت. (A) راقب الحالة الحالية للمكعب. اختر الكتل التي سيتم استخدامها في الموائع الدقيقة. في هذه الحالة ، قمنا بترقيم الكتل المحددة من 1 إلى 7. الكتل 1 و 7 عبارة عن كتل مداخل / منافذ ، وكتل 2 و 6 قنوات مستقيمة ، وكتل 3 و 5 عبارة عن خانات ، وكتلة 4 هي قناة لولبية. (B) في محلول Rubik ، قم بإنشاء مكعب غير مشفر ، ثم حدد موضع كل كتلة ستظهر في الترتيب النهائي. سجل ألوان كل كتلة. (C) قم بإعادة تعيين محلول Rubik ، ثم رسم المواضع الحالية للكتل المفيدة بألوانها النهائية. (D) رسم عشوائي للكتل المتبقية غير المستخدمة بألوان قانونية على كل كتلة. (E) انقر فوق حل لحساب الخوارزمية. عادة ما تتم هذه العملية في بضع ثوان. سيتم عرض خوارزمية مع مخطط الدوران لحل المكعب. (F) إذا أظهر البرنامج تدافعًا غير صالح ، فاتبع التعليمات لضبط الكتل غير المستخدمة لجعلها قابلة للحل. (G) تطبيق الخوارزمية المعطاة على مكعب موائع جزيئية. سوف يحقق المرء تكوين الموائع الدقيقة بعد الدوران النهائي. الصورة ملك لـ : Nature: Microsystems and Microengineering،

تطبيقات مكعب ميكروفلويديك 

يحتوي الإعداد المقترح على العديد من المزايا مقارنةً بالموائع الدقيقة المعيارية التي تم الإبلاغ عنها سابقًا ، بما في ذلك سهولة مقاومة التسرب للاستخدام وإعادة التكوين الخالية من التفكيك في الإعدادات المحدودة الموارد. لإثبات فائدته ، أكمل العلماء سلسلة من السيناريوهات. قاموا بتشكيل كتلة تقاطع لخلط السائل المتجانس ثم أعادوا تشكيل مكعب الموائع الدقيقة لإنشاء مولد قطرات. سمح الإعداد الجديد بتوليد قطرات الماء في الزيت لجمعها ومراقبتها والمزيد من الوظائف. تتيح أجهزة الموائع الدقيقة هذه حدوث كمية كبيرة من التفاعلات المتوازية لتطبيقات الإنتاجية العالية. بالنسبة للتطبيقات الواقعية ، Lai et al. أجرت تجارب استزراع ميكروبي مبني على القطيرات باستخدام مكعب ميكروفلويديك المقترح. تعد الزراعة الميكروبية ضرورية لمجموعة من تطبيقات التشخيص والوراثة والهندسة الحيوية لإجراء أبحاث متوازية وعالية الإنتاجية على التطور البكتيري. في هذه التجربة ، استخدم العلماء ثقافة الإشريكية القولونية ، وحضن مكعب الموائع الدقيقة في درجة حرارة الغرفة ، واستخدموا ريزازورين كمؤشر لقابلية الخلية لتقييم الخلايا أثناء الزراعة. راقب الفريق نشاط الخلية على أساس تغير لون القطرات التي تحولت من اللون الأزرق إلى اللون الوردي في البداية ، ثم تلاشى ، لإثبات النشاط البكتيري في القطرات. وقدر العلماء أيضًا تركيز السكان البكتيريين أثناء التجربة.

زراعة الخلايا البكتيرية القائمة على القطيرات في مكعب ميكروفلويديك. (ِA) الإعداد التجريبي لمكعب الموائع الدقيقة لزراعة بكتيرية تعتمد على القطيرات. (B) آلية تغير اللون مع تقليل resazurin في القطرات. (C) صور القطيرات مع اختلاف زمن الحضانة. (D) تركيز ريزوروفين المقدر في القطيرات في أوقات حضانة مختلفة. الصورة ملك لـ :Nature: Microsystems and Microengineering.

بهذه الطريقة ، قدم لاي اكسياوتشين “Xiaochen Lai” وفريقه طريقة جديدة لبناء أنظمة موائع جزيئية مخصصة بسرعة من خلال لعب مكعب روبيك موائع جزيئية. سمح الإعداد بتجميع مرن لكتل ميكروفلويديك متنوعة ببساطة عن طريق تدوير وجوه المكعب. بعد كل دورة ، قام الفريق بمحاذاة ذاتية وختم جميع الكتل لوظائف الموائع الدقيقة متعددة الاستخدامات بتوجيه من خوارزمية مكعب روبيك البسيطة. كدليل على المفهوم ، قاموا بإنشاء كتلة مطبوعة ثلاثية الأبعاد لتشكيل أنظمة موائع مجهرية على شكل مكعب من أجل إعادة تشكيل جيدة ونشر سريع في الموقع. يهدف العلماء إلى تحسين تعدد استخدامات مكعبات الموائع الدقيقة للتطبيقات المتقدمة. سيسهل الإعداد الحالي أنظمة الموائع الدقيقة المخصصة في الإعدادات المحدودة الموارد.

لمزيد من المعلومات  :

  •  Xiaochen Lai et al. A Rubik’s microfluidic cube, Microsystems & Nanoengineering (2020). من هنا
  • Krisna C. Bhargava et al. Discrete elements for 3-D microfluidics, Proceedings of the National Academy of Sciences (2014). من هنا
  • George M. Whitesides. The origins and the future of microfluidics, Nature (2006). من هنا

What do you think?

Comments

اترك تعليقاً

لن يتم نشر عنوان بريدك الإلكتروني. الحقول الإلزامية مشار إليها بـ *

Loading…

0

الجيوكيميائيون يحلون لغز قشرة الأرض المتلاشية

تتسبب الأمطار الشديدة في هطول الأمطار في شبكات غذائية مائية عالية الكثافة