Summary
Um novo sistema microfluídicos foi desenvolvido usando o fenômeno do bombeamento passivo e um usuário do sistema de entrega controlada de fluido. Este sistema microfluídicos tem potencial para ser usado em uma ampla variedade de aplicações biológicas dado o seu baixo custo, facilidade de uso, precisão volumétrica, alta velocidade, repetibilidade e automação.
Abstract
Um novo sistema foi desenvolvido microfluídicos que usa o fenômeno de bombeamento passivo, juntamente com um sistema controlado de gotas usuário de entrega com base fluida. Passivo de bombeamento é o fenômeno pelo qual a tensão superficial induzida pressão diferenças movimento fluido unidade em canais fechados. O sistema de entrega automática de fluido é composto de um conjunto de válvulas de tensão controlada com micro-bocais ligado a um reservatório de fluido e um sistema de controle. Estas válvulas controlado por tensão oferecem uma maneira volumetricamente precisa para entregar gotículas de fluido para a entrada de um dispositivo micro de uma maneira de alta freqüência. Com base nas dimensões demonstrado no exemplo presente estudo, o sistema é capaz de fluir quatro mililitros por minuto (através de um 2,2 milímetros por canal transversal 260um). Com base nessas dimensões mesmo canal, a troca de fluidos de um ponto dentro do canal pode ser alcançado em menos de oito milissegundos. Observa-se que existe interação entre a dinâmica do sistema (transmitida por uma combinação das gotículas criadas pelo válvulas ea velocidade do fluido no canal), e da tensão superficial do líquido. Onde o momento proporciona velocidade ao fluxo de fluidos (ou vice-versa), equilíbrio da tensão superficial na entrada fornece uma parada súbita a qualquer fluxo. Esta paragem súbita permite ao usuário controlar as características de fluxo do canal e abre a porta para uma variedade de aplicações biológicas, que variam de fornecimento de reagentes para drogas células estudos. Observa-se também que, quando bicos visam a entrada em ângulos rasos, o ímpeto de gotículas pode causar outros fenômenos fluido interessantes, como a mistura de gotículas múltiplas na entrada.
Protocol
Neste relatório nós demonstramos um método de entrega de fluido que utiliza tensão superficial de gotas pequenas para bombear um volume desejado através de um canal microfluídicos para atingir um número de fenômenos fluido diferente. Por exemplo, o usuário pode desejar um fluxo de fluido único o mais rápido possível, ou entregar fluidos múltiplos em sucessão rápida para criar padrões específicos fluídico. Para fazer isso, o usuário deve primeiramente ter um aplicativo construído em torno de um dispositivo micro. O dispositivo microflluidic não precisa ser ligado, mas deve ser feito de um material hidrofílico. Therfore, o método pode ser utilizado com praticamente qualquer dispositivo de microfluídica, com um desempenho em grande parte ditada pelas restrições geométricas do canal microfluídicos. Para ajudar a navegar as restrições geométricas deste método, uma introdução à análise numérica relevantes é apresentada em primeiro lugar.
- Métodos analíticos: De acordo com a Lei de Laplace ea Lei Washburn [1], pode-se relacionar a taxa de fluxo dentro de um canal microfluídicos para suas dimensões e as propriedades do líquido que flui como visto na equação (1),
(1)
onde Δ P é a diferença de pressão entre a entrada ea saída, γ é a tensão superficial de líquidos, R é o raio cair de entrada, Q é a vazão e K é a resistência fluídica tal como descrito pela equação (2),
(2)
onde η é a viscosidade do líquido, L 0 é o comprimento do canal, h é a altura do canal, w é a largura do canal, λ = w / h e g (λ) = 1,5, se λ> 4,45 ou
se λ <4,45. Substituindo a equação (2) na equação (1), sempre assumindo que h <w e resolvendo para Q, obtém-se a equação (3),
(3)
A mesma análise pode ser feito para a velocidade do fluido no interior de um canal por saber que Q = VA, onde V é a velocidade do fluido média e A é a área transversal ou hw. Aplicando estes valores na equação (3) que você venha com a equação (4),
(4)
Um conceito importante mecânico que é freqüentemente aplicada em biologia microfluídicos é tensão de cisalhamento, que diz respeito à vazão e velocidade pela equação (5),
(5)
Conhecer a relação entre taxa de fluxo, velocidade e suas implicações físicas em função das dimensões do canal e propriedades do fluido é crucial no projeto de um dispositivo micro para um determinado propósito. Depois que o dispositivo é criado, o usuário deve então calibrar o sistema de oferta de líquidos para atingir as características de fluxo desejado dentro do dispositivo. - Passos na criação e Calibração Sistema de distribuição:
- Criar dispositivo micro-litografia macia via técnica usando PDMS (polidimetilsiloxano, Sylgard 184, Dow Corning) [2]. Há artigos que ilustram o número JOVE métodos para a tomada de PDMS dispositivos microfluídicos [5]. Para esta demonstração, nós escolhemos um canal simples em linha reta, com dimensões da seguinte forma: 2,2 milímetros de largura, comprimento de 10mm e altura 260um. A entrada e diâmetros de saída são 1,8 milímetros e 5,1 milímetros, respectivamente (figura 1). Reversivelmente anexar dispositivo PDMS a lâmina de vidro, pressionando-a sobre uma lâmina de vidro (ou outro substrato adequado) e espremer as bolhas de ar [5]. Um anexo reversível permite que o dispositivo a ser re-utilizado várias vezes. O método também pode ser utilizado com dispositivos permanentemente ligada, mas não necessário.
- Preencha dispositivo com líquido. A natureza hidrofóbica do PDMS e da natureza hidrofílica ajuda de vidro mover uma queda que é colocado na entrada ou saída, para o canal. Se a gota de líquido não quer ir para o canal por si só ou se as bolhas se mudar para o canal, o usuário pode colocar uma gota de líquido na entrada ou saída, e usar uma pipeta na extremidade oposta para sugar o líquido através do canal. Outro método de ajudar a mover líquido para o canal é, separando o dispositivo PDMS da lâmina de vidro e suavemente limpar o dispositivo PDMS ea lâmina de vidro com etanol. Isso retorna para o PDMS ea lâmina de vidro a sua natureza hidrofílica e hidrofóbica, respectivamente, o que pode ter sido enfraquecido com o tempo e uso.
- Após o preenchimento do dispositivo com o líquido, coloque uma pequena gota na entrada e um Bigger queda na saída. Certifique-se de passivos de bombeamento está acontecendo observando a pequena queda com o colapso de entrada e observando o fluxo de fluido para a saída. Novamente, certifique-se que não há bolhas no interior do canal.
- Usando A Companhia de Lee [3] VHS micro kit dispensa de partida, reuniu uma ou mais válvulas (configuração de válvula na figura 2) que consiste na VHS Lee M / 2 24 Válvula Volt, um 0,062 Bicos MINSTAC com o tamanho do orifício de 0,0100 ", o Lee Minstac 0,062 para Adaptador Soft Tube, o Spike Lee and Hold Driver (para o controle do usuário, não mostrado) e da Assembléia do cabo (que liga a válvula para a Spike e Segure driver, não mostrado).
- Uma maneira fácil de segurar as válvulas é usando o Bioscience titulares de ferramentas em miniatura (figura 2) [4]. Estes fornecem uma maneira de precisão objetivo e manter a válvula em uma determinada posição durante a experimentação por meio de colagem a válvula para uma extremidade do titular e usando uma base magnética (não mostrado) do outro lado.
- Faça um sistema de reservatório para ser colocado a poucos metros acima do dispositivo micro PDMS (no nosso caso usamos ¾ seringas onça aberto ao ambiente, ver figura 2). O reservatório fornece uma carga de pressão para impulsionar os bicos, com a pressão de ser proporcional à altura do reservatório. Alternativamente, as válvulas de bico pode ser pressurizada por qualquer número de diferentes meios (ie, gás comprimido). Coloque uma agulha da seringa na seringa. A agulha da seringa típico facilmente anexar em tubos 1,14 mm de diâmetro interior. A tubulação milímetros 1,14, então, facilmente anexar em 1,58 milímetros (1 / 16 ") tubo de diâmetro interno que então se conecta ao" Tubo Adaptador Soft "da válvula. Para evitar vazamento de líquido no milímetros 1,14-1,58 conexão de tubulação mm, pode-se usar PDMS como um selante. Agora que há uma linha entre a agulha da seringa e da válvula de Lee Co., encher reservatórios seringa com líquido. Uma seringa extra e uma válvula pode ser usada para ajudar no processo de purga (mostradas, mas não tem nenhum nome na figura 2). Coloque um ímã para o lado da válvula, esta é a forma como estas válvulas são limpos (eles são normalmente fechado válvulas solenóides), e começar a assistir líquido que flui do reservatório através da válvula e para fora do bocal''0,0100.
- Calibrar sistema escolhendo um tempo de abertura da válvula (tempo de abertura é o tempo que a válvula permite a passagem de líquidos em uma base por pulso) e freqüência (número de pulsos por segundo). Ativar uma válvula para um período escolhido (um minuto ou assim, basta lembrar o tempo de execução total). Pesar o fluido que foi entregue a partir da válvula. Conhecendo o tempo de execução total, freqüência e por tempo de pulso aberto, calcular os gramas por milissegundo tiro para fora da válvula. Este "gramas por milissegundo" valor permitirá que você escolha um tempo aberto para qualquer volume desejado o usuário pode querer ser entregues a partir da válvula.
(1) 
(2) 
Exemplo: Sistema ativado por um minuto (60 segundos). A freqüência foi de 15 Hz (15 pulsos em um segundo). O por pulsos de tempo aberto era de 20 milissegundos (ms).
(20ms) (15Hz) (60) = 18000ms.
Isto significa que dos 60.000 ms em um minuto, a válvula foi realmente aberto para 18.000 ms.
Vamos assumir que o volume de líquido entregue pesava 5 gramas. Então,
5 gramas / 18000 ms = 2.78e gramas -4 / ms.
No caso da água, com a sua densidade ser um grama por mililitro (ml),
2.78e gramas -4 / ms = 2.78e -4 mL / ms.
Após a calibração, o volume de uma gota é dependente do tempo aberto. Por exemplo, com um tempo aberto de 20ms, e todos os restantes parâmetros da mesma, como no exemplo anterior,
(2.78e mL -4 / ms) (20 ms) = mL 5.56e -3 = 5,56 mL.
Para encontrar o tempo aberto y necessário para fazer uma gota de microlitro x volume (mL),
(X mL) / [(-4 2.78e mL / ms) (1000 mL / mL)] = y ms
8 Aim) um ou mais bocais para a entrada do dispositivo PDMS (figura 3). Ter calibrado o sistema, calcular o volume que sai de cada válvula, com base nas dimensões dispositivo micro. Para passiva de alta velocidade de bombeamento (para obter taxa máxima de fluxo), calcular o volume da gota de entrada necessários para criar uma gota de entrada que possui um ângulo de contato com a superfície de entrada 90deg [2]. Para a criação de pacotes, calcular os tempos de válvula de freqüência e abertas e os horários de válvulas necessárias para ativar duas válvulas em seqüência. Como visto na Figura 3, os dois bicos pode ser apontado na entrada. Isto pode estendido para múltiplos bicos, todos apontando para a entrada do canal.
Resultados representativos:
Quando devidamente calibrado, com tempos de válvula aberta corretamente calculados e os bicos corretamente focado na entrada, o usuário deve ser capaz de ver passivamente o fluxo bombeado (figura 4). Uma explosão de sh líquidoould sair da válvula e chegar à entrada. Como o líquido atinge a entrada, há um colapso imediato da queda de entrada para o canal, para a saída. Líquido dentro do canal só se move durante o colapso de uma gota de entrada. Movimento fluido completa dentro do canal pára no final do colapso da gota, que prevê parada instantânea fluido e bem definidas as fronteiras fluídico (no caso que o usuário está fluindo líquidos múltiplas). A duração do colapso queda depende do raio de porta de entrada eo volume da gota de entrada [1]. Em nossa configuração experimental e design, o colapso de entrada queda ocorre em questão de poucos milissegundos.
Figura 1. PDMS dispositivo micro com uma entrada, à esquerda, e uma tomada, certo. Por favor, clique aqui para ver uma versão ampliada da figura 1.
Figura 2. Sistema de reservatório e instalação da válvula. Por favor, clique aqui para ver uma versão ampliada da figura 2.
Figura 3. Duas válvulas, ambas voltadas para uma única entrada de um dispositivo micro. Por favor, clique aqui para ver uma versão ampliada da figura 3.
Figura 4. Horário passo seqüência (33 milissegundos) do colapso queda de entrada de ejeção de fluido seguintes a partir de uma válvula. Por favor, clique aqui para ver uma versão ampliada da figura 4.
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Discussion
- Para passiva de alta velocidade de bombeamento, se a combinação certa de freqüência e volume de pulso por (devido ao tempo correto aberto) é escolhido, o usuário deve ver o que parece ser uma gota estática ou shell na entrada e uma taxa de fluxo muito rápido dentro do canal. Se ocorrer estouro, o tempo de abertura e / ou a frequência são demasiado elevados.
- Para detectar interações momentum / tensão superficial, o usuário deve bombear um pulso em um tempo e observar o ambiente intra-canal, enquanto está ocorrendo de pulso (do começo ao fim). É recomendado pelos autores para usar partículas fluorescentes para fornecer uma imagem fidedigna da intra-canal comportamento do fluido. Após o colapso de uma única gota na entrada do usuário deve ver, dentro do canal, movimento de contas para a saída. Usando uma câmera de alta velocidade, o usuário pode observar que contas avançar (para saída) de uma certa distância e, em seguida, sofrem de um pequeno refluxo antes de chegar a uma parada completa e súbita. Se a queda de entrada é observado, ao mesmo tempo como o meio intra-canal, o usuário deve observar que o pequeno refluxo de contas corresponde a uma recuperação pequena, mas a queda repentina de entrada. Isto sugere que existe uma relação tensão momentum / superfície do fluido a ser bombeado passivamente, principalmente no fluido gotas entregues na entrada. O impulso é ou dinâmica actual, resultante das válvulas para a queda de entrada e / ou dinâmica criada pela queda em colapso. De qualquer forma, esta dinâmica é transferido para intra-canal velocidade do fluido. Momentum e suas implicações é algo que tem que ser estudada mais no futuro e pode ter inúmeras aplicações potenciais.
- Se os bicos visam as entradas em um ângulo muito raso, o momento de as gotas podem resultar em um número de várias mudanças nos fenômenos colapso da gota. Por exemplo, se corantes são usados no líquido, o usuário pode observar um redemoinho do líquido na entrada e, como resultado ver uma mistura de corantes, em vez de cores único corante a ser bombeado para dentro do canal, o que sugere que fluidos na entrada tem foram misturados durante o colapso. Em alguns casos isso pode ser problemático na obtenção de bolsas de fluido precisa, mas em outras aplicações, pode revelar-se benéfica para promover a mistura de fluidos. Em casos de extrema ângulos muito rasa dos bicos, combinado com gotículas de alta velocidade, o usuário pode observar as gotas 'saltar fora' da entrada, como o momento da queda se torna grande demais para permitir que ele se fundem com a queda de entrada .
- Passivamente, quando o bombeamento de líquido em um dispositivo micro, a velocidade do fluido é uma função das dimensões do dispositivo e propriedades dos fluidos, como mostrado nas equações (1) a (4). A pressão fornecida por uma gota de líquido é inversamente proporcional ao raio da gota, ou seja, um raio maior queda fornece uma menor pressão de condução. Se a largura do canal e altura proporcional crescer uns com os outros, então a maior destas dimensões, maior a velocidade pode ser. No entanto, chega um ponto onde as dimensões do canal grande ter um dispositivo micro para o mundo macrofluidic onde o limite de fluxo laminar e turbulento se encontram. Na região de números de Reynolds estas equações não funcionam mais. Então, para manter o sistema na região de fluxo laminar, uma das dimensões pode se tornar maior (largura do canal), enquanto o outro fica constante em algum lugar do micro-escala (altura do canal). A porta de entrada pode ser deixado como uma constante ou pode escala com a largura do canal. Com estas premissas em mente, se as escalas porta de entrada com a largura do canal, vai chegar um ponto em que a pressão fornecida pela queda de fluido de admissão é menor do que a resistência fluídica fornecidos por um aumento na largura do canal. Quando este ponto é alcançado, uma redução na velocidade fluídica será visto. Se a porta de entrada é constante e deixou a largura é ainda maior, então a velocidade será maior, até o ponto em que a resistência fluídica adquirida com um aumento na largura do canal overpowers a vantagem vazão fornecida por um aumento na área transversal. Há um equilíbrio delicado entre o canal e as dimensões da porta de entrada ea tensão superficial da gota de líquido. A maior velocidade para um canal pode ser alcançado quando a altura do canal é igual à largura do canal, ou seja, uma área de seção transversal quadrada. A área transversal quadrado é a dimensão que maximiza a taxa de fluxo de volume, minimizando área de superfície de contato, ou seja, maior taxa de fluxo com menor resistência fluídica.
- Diferentes aplicações biológicas provavelmente requerem diferentes projetos de dispositivos microfluídicos. O benefício de bombeamento passivo é que, enquanto há uma entrada e uma saída passiva de bombeamento irá funcionar. Também é muito conveniente na medida em que não exige que o dispositivo micro a ser ligado a seu substrato. Isso permite que ele para ser usado com praticamente qualquer tipo de substrato. Para evitar o erro humano ou altos custos, os autores usam kit da Companhia Lee VHS de partida juntamente com LabVIEW (National Instruments). Este sistema permite ao usuário controlar os fluxos volumétricos e prazos de entrega, assegurando simultaneamente um método de entrega preciso e automatizado fluido. Entradas e saídas múltiplas também podem ser usados, mas o controle da direção do fluxo é mais difícil nesses cenários.
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Acknowledgments
O financiamento foi fornecido pelo Instituto de Wisconsin Discovery.
Materials
| Name | Company | Catalog Number | Comments |
| Sylgard 184 Silicone elastometer base | Dow Corning | MSDS No.: 01064291 | |
| Sylgard 184 Silicone elastometer curing agent | Dow Corning | MSDS No.: 01064291 | |
| VHS Microdispensing Starting kit | The Lee Company | IKTX0322000A | |
| Miniature Holders | Bioscience Tools | MH-2 | |
| LabVIEW | National Instruments | Control System | |
| 1.14mm I.D. tubing | Scientific Commodities Inc. | BB31695-PE/7 | |
| 1.57mm I.D. tubing | Scientific Commodities Inc. | BB31695-PE/10 | |
| 20 mL BD™ Luer-Lok Tip Syringe, non-sterile | BD Biosciences | 301032 | |
References
- Berthier, E., Beebe, D. J. Flow rate analysis of a tension driven passive micropump. Lab Chip. 7, 1475-1478 (2007).
- Duffy, D. C., McDonald, J. C., Schueller, O. J. A., Whitesides, G. M. Rapid Prototyping of Microfluidic Systems in Poly(dimethylsiloxane). Anal. Chem. 70, 4974-4984 (1998).
- Harris, J., Lee, H., Vahidi, B., Tu, C., Cribbs, D., Cotman, C., NL, J. eon Non-plasma Bonding of PDMS for Inexpensive Fabrication of Microfluidic Devices. J Vis Exp. (9), (2007).
- Walker, G. M., Beebe, D. J. A passive pumping method for microfluidic devices. Lab Chip. 2 (3), 131-134 (2002).
