Микрофлюидные чипы – это крошечные химические лаборатории, работающие с помощью системы каналов, течение жидкости в которых осуществляется за счет электрофореза, капиллярных эффектов или внешнего давления. Эти каналы позволяют эффективно смешивать или разделять вещества с разными характеристиками. Прямо на чипе можно производить исследования образцов, аналогичные лабораторным испытаниям. Для этого каналы подключают к датчикам и индикаторам для замера различных характеристик – от уровня pH до уровня сахара в крови.

Вот как описывает возможности этой технологии Скотт Стефанс (Scott Stephens), генеральный директор и основатель компании Hummingbird Nano, участника программы ANSYS Startup: «Представьте, что вы – следователь на месте преступления, и у вас есть улики, которые вы хотите отправить на ДНК-экспертизу. Микрофлюидные чипы позволяют проверить большее количество подозреваемых, чем если бы эта экспертиза производилась другим способом».

Традиционные технологии изготовления микрофлюидных чипов вызывают проблемы с надежностью конечного изделия. Течение жидкости в чипе может быть нарушено в результате различных дефектов, загрязнений и образования пробок в каналах. А поскольку размеры каналов измеряются в микрометрах, то вероятность поломки микрофлюидного чипа оказывается очень высокой.

«Клиенты жаловались, что раньше им приходилось выбрасывать половину своих чипов, потому что они засорялись и выходили из строя, – рассказывает Стефанс. – Чипы производства компании Hummingbird Nano имеют каналы круглого сечения и с более гладкой поверхностью, что обеспечивает более равномерный профиль потока и существенно уменьшает частоту засорения. И все это благодаря нашему процессу изготовления микрофлюидных чипов, который мы моделируем при помощи ANSYS».

Изготовление надежных микрофлюидных чипов со скоростью литья под давлением

На этапе разработки микрофлюидные чипы часто изготавливают путем травления каналов в слое материала с использованием химикатов или лазеров, после чего слои склеивают. Однако, при серийном производстве технология меняется на литьё под давлением, из-за чего чипы могут работать не так, как ожидалось.

Одним из ключевых требований является обеспечение ламинарного потока во всём чипе. Это сложно реализовать, когда приходится соединять слои или использовать метод изготовления, отличный от метода, использованного в процессе разработки. На работу чипов могут повлиять неровности поверхностей, пробки и загрязнения.

«Компания Hummingbird Nano выпускает микрофлюидные чипы, которые представляют собой единое целое, избегая, таким образом, проблем с соединением деталей, – объясняет Стефанс. – Более того, мы делаем каналы круглыми и более гладкими, что улучшает поток жидкости в них».

Каналы микрофлюидных чипов Hummingbird Nano формируются при помощи ферромагнитной жидкости. Требуемая форма каналов обеспечивается точно настраиваемым магнитным полем. Затем вокруг ферромагнитной жидкости выливается пластиковая оболочка. Когда пластик затвердевает, магнитное поле отключается, и ферромагнитную жидкость выводят из чипа.

«Производственный процесс обладает гибкостью 3D-печати и скоростью литья под давлением, – заявляет Стефанс. – Эта мощная комбинация обеспечивает масштабирование производственного процесса, который теперь используется и на этапе разработки, и в серийном производстве. Единство процесса устраняет проблемы, обычно присущие для смены технологий».

Разработка процесса изготовления микрофлюидных чипов с использованием компьютерного моделирования

Для расчёта управляющих воздействий на магнитное поле, необходимых для придания ферромагнитной жидкости заданной формы, компания Hummingbird Nano использует концепцию «всеобъемлющего инженерного моделирования», реализованную в программных продуктах ANSYS (подробнее о концепции «Pervasive Engineering Simulation» можно прочесть в журнале Dimensions на английском языке).

«Мы используем компьютерное моделирование на всём протяжении процесса разработки каналов. Сначала оно помогло нам определить требуемую форму и размеры каналов, – отмечает Стефанс. – Моделирование также помогло нам решить проблему проектирования пересекающихся каналов, учитывая, что пересечение магнитных полей приводит к сингулярности».

Моделирование также использовалось для оценки того, как ферромагнитная жидкость взаимодействует с жидким полимером.

«Сначала мы рассмотрели эту задачу с помощью вычислительной гидрогазодинамики (CFD – computational fluid dynamics), а затем добавили электромагнитную модель, и таким образом получили связанную задачу, – рассказывает Стефанс. – Эти расчеты были ключевым аспектом в разработке нашего процесса изготовления микрофлюидных чипов».

Одним из преимуществ этого производственного процесса является то, что ферромагнитная жидкость используется для формирования канала для другой жидкости. Стефанс считает, что в этом и есть секрет успеха чипов от Hummingbird Nano: «Мы формируем жидкость при помощи жидкости, поэтому поверхность каналов по гладкости соответствует поверхности раздела жидкостей – можете представить себе поверхность мыльного пузыря. Наши измерения показали, что каналы микрофлюидных чипов компании Hummingbird Nano в 3-5 раз более гладкие, чем у конкурентов, а значит, с большей вероятностью обеспечивают ламинарный поток в чипе».

Чтобы узнать, как концепция ANSYS Pervasive Engineering Simulation может помочь Вашему стартапу в разработке технологических процессов, ознакомьтесь с информацией о программе поддержки стартапов ANSYS Startup Program (на английском языке).

Источник: www.ansys.com
Автор: Shawn Wasserman