Microfluidic chain reaction of structurally programmed capillary flow events

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作者
Mohamed Yafia,Oriol Ymbern,Ayokunle O. Olanrewaju,Azim Parandakh,Ahmad Sohrabi Kashani,Johan Renault,Zijie Jin,Geunyong Kim,Andy Ng,David Juncker
出处
期刊:Nature [Nature Portfolio]
卷期号:605 (7910): 464-469 被引量:184
标识
DOI:10.1038/s41586-022-04683-4
摘要

Chain reactions, characterized by initiation, propagation and termination, are stochastic at microscopic scales and underlie vital chemical (for example, combustion engines), nuclear and biotechnological (for example, polymerase chain reaction) applications1-5. At macroscopic scales, chain reactions are deterministic and limited to applications for entertainment and art such as falling dominoes and Rube Goldberg machines. On the other hand, the microfluidic lab-on-a-chip (also called a micro-total analysis system)6,7 was visualized as an integrated chip, akin to microelectronic integrated circuits, yet in practice remains dependent on cumbersome peripherals, connections and a computer for automation8-11. Capillary microfluidics integrate energy supply and flow control onto a single chip by using capillary phenomena, but programmability remains rudimentary with at most a handful (eight) operations possible12-19. Here we introduce the microfluidic chain reaction (MCR) as the conditional, structurally programmed propagation of capillary flow events. Monolithic chips integrating a MCR are three-dimensionally printed, and powered by the free energy of a paper pump, autonomously execute liquid handling algorithms step-by-step. With MCR, we automated (1) the sequential release of 300 aliquots across chained, interconnected chips, (2) a protocol for severe acute respiratory syndrome-coronavirus-2 (SARS-CoV-2) antibodies detection in saliva and (3) a thrombin generation assay by continuous subsampling and analysis of coagulation-activated plasma with parallel operations including timers, iterative cycles of synchronous flow and stop-flow operations. MCRs are untethered from and unencumbered by peripherals, encode programs structurally in situ and can form a frugal, versatile, bona fide lab-on-a-chip with wide-ranging applications in liquid handling and point-of-care diagnostics.
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