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微流体 博客文章

开发用于按需DNA合成的硅MEMS芯片

2020年 1月 21日

体细胞基因组编辑逐渐表现出能够治疗多种遗传疾病的能力。随着功能强大的基因组编辑工具 CRISPR-Cas9 的不断发展,人们对 DNA 合成技术的需求也越来越多。一家总部位于英国的初创公司正在开发一个平台,用于高度平行、精确以及可扩展的 DNA 合成,这将大大拓宽合成生物学的应用前景。 DNA 研究的新领域 传统的 DNA 合成技术是通过化学构建一串碱基,以形成一条单链的一个片段,然后将这些片段连接在一起,形成双链DNA。这种方法造价昂贵且非常耗时,这就限制了合成生物学的应用前景。一个可以合成整个基因序列的 DNA 平台将会改变每个实验室中 DNA 合成的格局。现今,总部位于英国剑桥的初创公司 Evonetix 正在开发一种芯片系统,以实现这一目标。 Evonetix 正在开发的平台上包含有多个反应位点的硅芯片,每个反应位点都可以并行合成一条不同的 DNA 链。各个位点都有一层金,上面会发生生化反应。同时也有一些保护区域,这些保护区域将位点与之间的被动区域热隔离。 在芯片实验室里做的晶片硅上的单个反应位点。图片由 Evonetix 提供。 热控制是芯片最重要的方面之一。可以通过热控制来加速或减速芯片上各个位置的反应,就像电灯开关一样打开或关闭这些位置。热控制还可以精确且独立地控制反应位点处流体体积的温度,这种控制可以创建 “虚拟热井” ,从而消除反应位点之间的物理屏障,并允许试剂可以同时流过数千个位置。这样,当含化学试剂的液体流过这些位点时,取决于温度的反应就可以以高度并行的格式进行或者关闭。 该芯片的另一个方面是其专有的错误检测方法,这种方法可以提高良率。反应位点上生长的 DNA 序列会自动纯化以消除错误,然后再将它们组合成更长的高保真基因序列。 设计目标 为了使硅芯片可以尽可能有效地合成 DNA,Evonetix 团队想到需要优化其几何形状和材料。他们对该芯片有三个主要设计目标: 反应位点处温度均匀 反应位点上单位功率的高温升速率 流体流动过程中稳定的温度分布 首先,反应位点处保证其温度均匀很重要,因为温度可以精确控制反应。Evonetix 物理负责人 Andrew Ferguson 说:“化学反应是随着温度变化而开启的,我们希望可以精确地控制反应速率。” 其次,反应位点上单位功率的高温升速率可以使芯片的总功率保持在较低的水平。最后,芯片上稳定的温度分布确保了反应可以在流体流动条件下发生。 在 COMSOL Multiphysics® 中为硅 MEMS 芯片建模 Evonetix 团队使用 COMSOL Multiphysics® 软件在其硅芯片设计上模拟 DNA 合成。Evonetix的高级工程师 Vijay Narayan 说,“我很喜欢 COMSOL Multiphysics 的用户界面。它可以让我们专注于物理学,同时确保方程的数值结果能得到很好的后处理。”他们使用 COMSOL Multiphysics 中的内置材料以及来自文献的外部材料数据,建立了具有真实材料参数的模型。 首先,该团队使用 COMSOL Multiphysics 构建芯片的单个单元(包括反应部位和加热器)的几何形状,以满足上述三个设计要求。该 ECAD导入模块 使他们能够轻松地将他们的设计从 GDS(CAD 文件格式)导入到 COMSOL Multiphysics 软件中。Narayan说:“系统的设计,尤其是对加热器的设计,可以非常精确,并且具有非常严格的设计规则,同时 ECAD 导入模块提供了更多的灵活性。” 这一功能也使设计团队能够在原型制作阶段直接向制造商提供设计图样。 包括一个反应位点的几何模型图。图片由 Evonetix 提供。 为了分析系统的稳态和瞬态热响应,研究小组使用了传热模块。他们通过使用 电磁加热 接口,让电流流经加热器来评估系统的温度控制能力。为了扩展热分析,该团队通过添加 层流 和 非等温流 多物理场耦合来描述流体流动。 […]

熵捕获中的DNA快速分离过程模拟

2019年 5月 9日

在调查犯罪时,法医专家有时会使用DNA证据来识别犯罪嫌疑人。然而,DNA不仅包含识别信息,还有我们基因构成的线索。DNA分离可以用来深入研究DNA链,但是传统方法很耗时。为了加快DNA的分离,密苏里科技大学的研究人员使用了COMSOL Multiphysics®软件。

设计可实现材料精确沉积的喷墨打印头

2017年 1月 4日

不管是 2D 或 3D 喷墨打印机,喷嘴设计都是保证装置实现精确材料沉积的重要前提,具有重要意义。

借助仿真设计高效的透皮给药贴片

2016年 11月 29日

透皮给药(transdermal drug delivery,简称 TDD)贴片的作用是在一段时间内将药物持续渗透到患者体内。然而,人体的皮肤是阻止外来物质(也包括药物在内)入侵的天然屏障。为了制造出可有效穿透皮肤的 TDD 贴片,研究人员利用仿真对药物的释放过程和皮肤的吸收过程进行了研究。Veryst 工程公司(Veryst Engineering)在 COMSOL Multiphysics® 软件中创建了 TDD 贴片模型,并将仿真结果与实验数据进行了比较。

治疗糖尿病的胰岛素微泵设计

2016年 7月 21日

对于所有的治疗方式,人们总是希望可以在确保安全性和有效性的前提下,尽可能地减少治疗过程给患者带来的不适。对于糖尿病患者来说,注射胰岛素仍然是一种重要的治疗方式,然而注射过程却会伴随着疼痛。来自安大略理工大学(University of Ontario Institute of Technology)的研究团队,希望借助多物理场仿真开发出一种以 MEMS(微机电系统)为基础的微泵,这种微泵可以以一种安全无痛苦的方式来进行胰岛素的注射。

利用全新的相场接口模拟三相流

2015年 12月 16日

在 COMSOL Multiphysics 5.2 版本中,对“CFD模块”和“微流体模块”各添加了一个全新的流体流动接口,实现分离三相流的建模。这个流体流动接口中模型可以考虑每两种流体之间的表面张力、与壁的接触角,以及每种流体的密度与黏度等因素。相场法可计算三相流之间的界面形状,以及考虑其与壁之间的相互作用。

聚焦电润湿透镜

2015年 8月 31日

调整相机镜头的焦距可以改变视角。微型镜头也可以通过一种称之为电润湿 的方法来实现这种变化。电润湿方法通过施加电压来改变自由表面与固体表面接触点的受力平衡。然而,由于自由面会产生振动,致使我们无法立即捕捉到焦点。在本文中,我们将探讨施加电压时,维持自由面临界阻尼所需的最佳粘度值。

借助 LED 实现超快速聚合酶链式反应检测

2015年 8月 26日

聚合酶链式反应检测在医学和生物学研究领域有着广泛的应用。然而在过去,此类检测由于耗电量高且检测结果交付速度缓慢,因而只能在实验室中进行。加州大学伯克利分校的研究人员开发出了一种基于 LED (发光二极管)的新型聚合酶链式反应系统,此系统操作简便且结果交付速度较快,可被用于即时检测。


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