作者:Thamarasee Jeewandara，Phys
（同organic）有机 微流控立方体的制作工艺
学分:自然:微系统和微工程，doi: 10
1038/s 14378-020-0136-4 科学家最近设计了一个基于魔方的模块化系统来设计和重新配置微流体系统
研究小组此前一直致力于以不同的构造排列微流体块，以适应不同的实验
在这项工作中，赖和中国天津大学的一组科学家受流行的魔方启发，建立了一个三维微流体系统
该设置可以很容易地扭转和转向改变其功能
他们模仿魔方的设计，采用包含微通道布局的模块化部件，以实现相对于设备布置的紧密、防漏密封
赖等
使用单一设备进行流体混合和基于液滴的微生物培养，在资源有限的环境中作为微流体传感器、泵和阀门用于一系列实际应用
这项工作现在发表在《自然:微系统和微工程》上
微流体系统由于其反应速度和高通量功能，在包括化学分析在内的一系列活动的科学研究中非常有用
然而，该技术仍在开发中，其潜力仍有待充分开发，因为微流体制造过程仍然昂贵且耗时
为了快速部署定制的微流体系统，生物工程学家提出了模块化微流体的概念，其中各个微流体模块可以模块化设计进行工程化，并组装形成一个系统
在本研究中，赖等人
提出了一种基于魔方的可重构微流体系统，这是由于该结构具有几个独特的特征
首先，魔方包含一个巧妙的互锁机制，以防止在简单的重新配置过程中泄漏
第二，从一种状态到另一种状态的转换只需要立方体最多20次扭曲，以确保使用方便
此外，对于不同的微流体配置，立方体可以从起始位置打乱成各种状态
所提出的系统提供了一个简单且可负担的过程，为在资源有限的环境中实现高度定制的应用铺平了道路
提议的类似魔方的微流体系统的图解
立方体的整体示意图
微流体立方体的角块，包括三向入口/出口(左)、3D丁字接头(中间)
然后转向(右)
微流体立方体的边块，从左到右分别是直通道、螺旋通道、三维腔和平面腔
立方体的中心块和其他组成部分
学分:自然:微系统和微工程，doi: 10
1038/s 14378-020-0136-4 微流体立方体的设计和表征 该系统看起来像一个普通的魔方，但是所有12个边缘立方体和8个角立方体都放置有包含内部微通道的块，以执行微流体功能
每个边缘和角块保持一个独立的微流体芯片，其入口/出口位于表面的几何中心
赖等
三维打印所有这些块使用桌面立体平版印刷(SLA)打印机
他们使用透明树脂以获得易于观察的透明度，并在每个边缘块中包括两个硅橡胶O形环，以确保系统整体平稳旋转
O形环辅助密封策略确保了砌块之间的密封接触，以便自动对齐
在开发了微流体立方体模块之后，研究小组通过确定它们的尺寸和公差来评估它们的性能
他们注意到了三维打印过程中的制造误差，尽管由于O形环辅助密封策略，这些误差不会导致其活动过程中的流体泄漏
然后，他们测试了微流体系统的抗压能力，这取决于弹簧的紧密度，以保持块与防漏流体流在一起
立方体的高耐压性也是由它的结构造成的
为了实现通道和立方体之间的高质量成像
旨在定制在立方体表面附近具有偏置通道和室的模块，用于微通道的自给自足的观察
旋转结束时O形环导向对准和防漏的横截面图
(a)当角块没有旋转到正确位置时，两个块之间存在间隙，这将导致泄漏
当角块旋转到正确位置时，嵌入边缘块的O形环将自动装配到角块的凹口中，确保两个块的自动对准和防漏连接
学分:自然:微系统和微工程，doi: 10
1038/s 14378-020-0136-4 重新配置微流体立方体 科学家们通过旋转立方体的表面来重新配置微流体，并通过遵循魔方算法来检测序列——一组对立方体有特定影响的记忆动作
通常，算法的一系列移动被称为单主旋转，其中大写字母代表每个移动
每一次转变都可能在几秒钟内完成，在某些情况下，赖等人
使用更简单的算法来加速转换
该团队使用算法指定了立方体中大多数块的位置，以定制微流体，但相对于微流体排列，魔方有一些内在的限制，他们在在线魔方求解器的帮助下重新配置了微流体排列
科学家们将微流体块的最终排列设置为未整理状态，并计算出一种配置算法，作为魔方的相对优化解决方案
由于恢复魔方排列所需的最大移动次数是20次，同样的规则也适用于现在的系统
因此，如果赖等人
如果要从完全未排列的状态重新配置特定的微流体系统，20次移动就足够了
使用在线鲁比克解算器找到并应用用于定制微流体的优化算法
观察立方体的当前状态
挑选将用于微流体的模块
在这种情况下，我们对选定的块进行编号，从1到7
块1和7是入口/出口块，块2和6是直通道，块3和5是转弯，块4是螺旋通道
(二)在魔方解算器中，生成一个未解读的立方体，然后指定它将出现在最终排列中的每个块的位置
记录每个块的颜色
(c)重置卢比克解算器，然后用最终颜色绘制有用块的当前位置
在每块剩余的未使用的砖块上随机涂上合法的颜色
(五)点击求解计算算法
这个过程通常在几秒钟内完成
将显示一个算法以及求解立方体的旋转图
如果程序显示无效的加扰，则按照说明调整未使用的块，使其可解
将给定的算法应用于微流体立方体
在最终旋转后，将获得所需的微流体结构
学分:自然:微系统和微工程，doi: 10
1038/s 14378-020-0136-4 微流体立方体的应用 与之前报道的模块化微流体相比，所提出的装置有几个优点，包括防漏、易于使用和在资源有限的情况下无需拆卸即可重新配置
为了证明它的有用性，科学家们完成了一系列场景
他们形成了一个用于均匀液体混合的丁字连接块，然后重新配置微流体立方体，以创建一个液滴发生器
新的设置允许油包水液滴的收集，观察和进一步的功能
这种微流体装置允许在高通量应用中发生大量平行反应
对于现实世界的应用，赖等人
用提出的微流体立方体进行基于液滴的微生物培养实验
微生物培养对于一系列诊断、遗传学和生物工程应用来说是必不可少的，这些应用是对细菌进化的高度并行和高通量研究
在这个实验中，科学家使用大肠杆菌培养物，在室温下培养微流控立方体，并使用刃天青作为细胞生存力指标来评估培养过程中的细胞
研究小组根据液滴的颜色变化监测细胞活动，证明液滴中的细菌活动，液滴最初从蓝色变成粉红色，然后褪色
科学家们还在实验过程中估计了细菌种群的浓度
微流控立方体中基于液滴的细菌细胞培养
微流体立方体的实验装置，用于基于液滴的细菌培养
随着液滴中刃天青减少而变色的机理
不同孵育时间的液滴图像
不同孵育时间液滴中间苯二酚的估计浓度
学分:自然:微系统和微工程，doi: 10
1038/s 14378-020-0136-4 通过这种方式，赖和他的团队提出了一种通过玩微流体魔方来快速构建定制微流体系统的新方法
该装置允许通过简单地旋转立方体的表面来灵活地组装不同的微流体块
每次旋转后，团队在简单的魔方算法的指导下，自动对齐并密封所有模块，实现多功能微流体功能
作为概念的证明，他们创建了一个三维打印块来形成立方体形状的微流体系统，以实现良好的可重新配置性和快速的现场部署
科学家们的目标是提高微流体立方体在高级应用中的多功能性
本装置将有助于在资源有限的环境中定制微流体系统
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