Method Article

جهاز الموائع الدقيقة ثنائي الطبقة لإنتاج المكونات التوافقية

DOI:

10.3791/66154

⸱

December 1st, 2023

 ,  ,  , 
1Department of Biomedical Engineering, Institute for Complex Molecular Systems, Eindhoven University of Technology

In This Article

Summary

$$\rightleftharpoonup{xx}$$ $$\longleftharp{xx}$$, $$\longrightharp{xx}$$,

يتم تقديم تصنيع جهاز ثنائي الطبقة قائم على polydimethylsiloxane (PDMS) لإنتاج المكتبات التوافقية في مستحلبات الماء في الزيت (المقابس). يتم تفصيل الأجهزة والبرامج اللازمة لأتمتة إنتاج المكونات في البروتوكول ، كما يتم عرض إنتاج مكتبة كمية من المقابس الفلورية.

Abstract

$$\rightleftharpoonup{xx}$$ $$\longleftharp{xx}$$, $$\longrightharp{xx}$$,

Droplet microfluidics هي أداة متعددة الاستخدامات تسمح بتنفيذ عدد كبير من التفاعلات في مقصورات نانولتر متميزة كيميائيا. تم استخدام هذه الأنظمة لتغليف مجموعة متنوعة من التفاعلات الكيميائية الحيوية - من حضانة الخلايا المفردة إلى تنفيذ تفاعلات تفاعل البوليميراز المتسلسل ، من علم الجينوم إلى التخليق الكيميائي. يسمح اقتران قنوات الموائع الدقيقة بالصمامات التنظيمية بالتحكم في فتحها وإغلاقها ، مما يتيح الإنتاج السريع للمكتبات التوافقية واسعة النطاق التي تتكون من مجموعة من القطرات ذات التراكيب الفريدة. في هذا البحث ، يتم تقديم بروتوكولات لتصنيع وتشغيل جهاز الموائع الدقيقة ثنائي الطبقة القائم على الضغط PDMS والذي يمكن استخدامه لإنشاء مكتبات اندماجية لمستحلبات الماء في الزيت تسمى المقابس. من خلال دمج البرامج وأجهزة الموائع الدقيقة ، يمكن التحكم في تدفق السوائل المرغوبة في الجهاز ومعالجتها لإنشاء مكتبات سدادات اندماجية والتحكم في تكوين وكمية مجموعات المكونات المكونة. ستعمل هذه البروتوكولات على تسريع عملية إنشاء شاشات اندماجية ، خاصة لدراسة استجابة الأدوية في الخلايا من خزعات مرضى السرطان.

Introduction

$$\rightleftharpoonup{xx}$$ $$\longleftharp{xx}$$, $$\longrightharp{xx}$$,

تسمح الموائع الدقيقة بمعالجة كميات صغيرة من السوائل في القنوات الدقيقة1. يتراوح حجم تشغيل أجهزة الموائع الدقيقة النموذجية من عشرات إلى مئات الميكرومترات التي تسمح بتصغير التفاعلات الكيميائية والبيولوجية ، مما يتيح إجراء مثل هذه التفاعلات بكميات صغيرة نسبيا من الكواشف. في البداية ، تم تصنيع أجهزة الموائع الدقيقة بمواد مثل السيليكون2 والزجاج3. على الرغم من أنها لا تزال قيد الاستخدام4 ، إلا أنها تطرح بعض المشكلات ، مثل توافق المذيبات ، وارتفاع تكلفة التصنيع ، والصعوبات في دمج ضوابط تدفق السوائل 5,6. توفر منهجيات التصنيع القائمة على PDMS ، والتي يطلق عليها الطباعة الحجرية الناعمة ، بديلا غير مكلف للنماذج الأولية السريعة للأجهزة7 ووسيلة لتصنيع أجهزة معقدة متعددة الطبقات8. تسمح إضافة الصمامات والمضخات إلى أجهزة PDMS بالقدرة على التحكم في توجيه وسرعة السوائل في الأجهزة 9,10. تم تطوير عدة طرق لتصميم وتشغيل الصمامات الدقيقة بطريقة عكسية أو لا رجعة فيها - على سبيل المثال ، الصمامات ثنائية المعدن المصنوعة من السيليكون والألمنيوم ، والتي يتم تشغيلها حراريا11 أو باستخدام الغاز المتولد من تفاعل كهروكيميائي لانحراف غشاء نيتريد السيليكون12. يوضح Gu et al. استخدام المسامير الميكانيكية لشاشة برايل للضغط على القنوات الدقيقة لتنظيم التدفق13. مجموعة واحدة من الصمامات الدقيقة التي اكتسبت شعبية هي الصمامات الهوائية القائمة على PDMS التي ابتكرتها مجموعة ستيفن كويك14. عادة ، تتكون هذه الصمامات من قناتين صغيرتين متعامدتين - قناة تدفق وقناة تحكم. عند ضغط قناة التحكم ، ينحرف غشاء PDMS الرقيق على قناة التدفق ، ويغلقها وبالتالي يقطع تدفق السوائل. بمجرد إزالة الضغط ، يرتاح الغشاء ، وبالتالي يفتح قناة التدفق ويسمح باستئناف تدفق السوائل. وبالتالي تسمح صمامات PDMS بتنظيم التدفق بطريقة قوية وقابلة للعكس حيث يمكن ضغط قناة التحكم وإزالة الضغط عدة مرات15. بالإضافة إلى ذلك ، نظرا لأنه يمكن تشغيل هذه الصمامات عن طريق تطبيق الضغط ، فإنها تفتح سبلا للتحكم الرقمي والأتمتة16. علاوة على ذلك ، نظرا لأنها من نفس المادة ، يمكن دمجها بسلاسة في تصنيع الأجهزة القائمة على PDMS باستخدام تقنيات الطباعة الحجرية اللينة8،17،18. هذه الميزات تجعل صمامات PDMS خيارا جذابا لتنظيم التدفق في أجهزة الموائع الدقيقة. استخدم Thorsen et al. مبدأ هذه الصمامات لتصميم مضاعف سائل - مجموعة اندماجية من الصمامات الهوائية - لمعالجة ما يقرب من ألف قناة تدفق إدخال مع عشرين قناة تحكم19. تم توسيع هذا المبدأ لتوجيه السوائل بشكل انتقائي إلى كيموستات الموائع الدقيقة داخل الرقاقة بحيث يمكن إجراء تفاعلات فريدة في وقت واحد في كل مفاعل20،21،22،23. ومع ذلك ، فإن هذه المفاعلات الدقيقة ، على الرغم من فائدتها في الاستخدام الأمثل للكواشف المحدودة ، لا يمكن أن توازي تفاعلات متعددة ولا تكفي للدراسات عالية الإنتاجية.

الموائع الدقيقة للقطرات هي فئة فرعية من الموائع الدقيقة التي تنطوي على إنتاج قطرات من خلال معالجة تدفق السائل غير القابل للامتزاج متعدد الأطوار في أجهزة الموائع الدقيقة24. يتضمن تكوين القطيرات تفكك سائل مستمر عن طريق إدخال سائل غير قابل للامتزاج ، مما يؤدي إلى قرصة بسبب عدم الاستقرار في الطاقة البينية وفي تكوين مستحلب25. تساعد المواد الخافضة للتوتر السطحي في تكوين قطرات مستديرة عندما تغادر المستحلبات القناة الدقيقة عن طريق تثبيت الطاقات البينية26. القطرات الأكبر حجما ، والتي تسمى المقابس ، أقل استقرارا ويمكن جمعها في حجرة احتجاز (مثل طول الأنبوب) كمجموعة من المقصورات المائية متباعدة على كلا الجانبين بواحد أو أكثر من السوائل غير القابلة للامتزاج27. بالإضافة إلى التصغير والتقسيم ، توفر الموائع الدقيقة للقطرات أيضا إنتاجية متزايدة للتفاعلات البيولوجية ، حيث يمكن إنتاج عدد كبير من قطرات أحادية التشتت - كل منها بمثابة مفاعل نانوي28. يمكن أيضا أن تتعرض القطرات ، بمجرد توليدها ، لمزيد من التلاعب ، مثل تقسيم 29,30 ، والانصهار31,32 ، والفرز33,34 ، والتجميع في هياكل أعلى مرتبة35,36. أحدثت الموائع الدقيقة للقطرات ثورة في العديد من المجالات والتقنيات العلمية - من PCR37 إلى نسخ الخليةالواحدة 38 ، من اكتشاف الأدوية39,40 إلى علم الفيروسات41 ، من تسلسل الجيل التالي42 إلى التخليق الكيميائي43.

يعد دمج الطباعة الحجرية اللينة والصمامات الدقيقة القائمة على PDMS مع تقنية القطيرات مزيجا قويا يسمح بتنظيم تدفق السوائل في القنوات الدقيقة والتحكم اللاحق في محتويات القطيرات. اعتمادا على فتح وإغلاق القنوات ، من الممكن إنتاج مجموعات متميزة من القطرات ، لكل منها تركيبة محددة. يمكن لمثل هذه المنصة تصغير التفاعلات الكيميائية الحيوية وتجزئتها وموازاتها ، وبالتالي تكون تقنية مفيدة للفحص التوافقي44. الفحص التوافقي هو طريقة عالية الإنتاجية لتوليد عشرات الآلاف من مجموعات الكواشف المختارة لإنتاج مكتبات تتكون من مجموعات فردية ذات تكوين معروف. تم استخدام الفحص التوافقي لاكتشاف التأثيرات التآزرية بين الأدوية والمضادات الحيوية لتثبيط نمو البكتيريا45. في مجال علاج السرطان ، تم استخدام الفحص التوافقي لاختبار مجموعات من الأدوية المضادة للسرطان لمريض معين وبالتالي تطوير العلاج الشخصي46,47. قام Mathur et al. بالبناء على هذه التقنية من خلال دمج نهج الترميز الشريطي للحمض النووي التوافقي لتقييم تغييرات النسخ في فحص الأدوية عالي الإنتاجية48. وبالتالي ، فإن الفحص التوافقي هو تقنية قوية ولكنها ناشئة ، وهناك حاجة لتطوير تقنيات الموائع الدقيقة المتنوعة لتنفيذ وتسهيل إجراءات الفحص هذه.

الهدف من هذه المخطوطة هو تقديم مجموعة كاملة من البروتوكولات لتصنيع جهاز الموائع الدقيقة ثنائي الطبقة قادر على توليد مكتبة اندماجية من سدادات الماء في الزيت ووصف الأجهزة والبرامج اللازمة لتشغيل مثل هذا الجهاز. يتم تنظيم تدفق السوائل باستخدام صمامات هوائية قائمة على PDMS يتم التحكم فيها بالضغط ، والتي يتم التحكم فيها بدورها بواسطة برنامج LabVIEW مخصص. يتم تحقيق تدفق الكواشف في الجهاز باستخدام مضخات الضغط المتاحة تجاريا. يتم تقديم نموذج أولي من ثمانية مداخل حيث يتم تشكيل قابس من محتويات ثلاثة مداخل ، يحتوي كل منها على كاشف مائي. يلتقي الطور المائي بمرحلة الزيت المستمرة ، ويتم إنتاج المقابس عند تقاطع T بتردد 0.33 هرتز. يتم إثبات عمل النظام من خلال إنتاج مكتبة كمية تحتوي على ثلاث مجموعات متميزة من سدادات الفلورسنت. ستساعد هذه التكنولوجيا ومجموعة البروتوكولات على تسريع إنتاج المكتبات التوافقية لأغراض الفحص عالية الإنتاجية.

Protocol

$$\rightleftharpoonup{xx}$$ $$\longleftharp{xx}$$, $$\longrightharp{xx}$$,

1. الطباعة الحجرية الناعمة

ملاحظة: يتكون جهاز الموائع الدقيقة من طبقتين ، طبقة التدفق وطبقة التحكم (الشكل 1 أ) ، ويتم تشكيل كل طبقة من رقائق منقوشة بشكل فردي باستخدام مقاومة ضوئية موجبة وسالبة على التوالي (راجع جدول المواد للحصول على تفاصيل مقاومة الضوء والمطورين).

  1. قم بإجراء تصنيع الرقاقة لطبقة التدفق كما هو موضح أدناه.
    1. قم بتجفيف رقاقة السيليكون (قطرها 100 مم ، <1-0-0> ، 525) طوال الليل (12-16 ساعة) عند 250 درجة مئوية.
    2. اترك الرقاقة لتبرد قبل الشروع في الطلاء بالدوران. ضع 3-4 مل من مقاومة الضوء الإيجابية على مركز الرقاقة.
    3. تدور لمدة 40 ثانية عند 1400 دورة في الدقيقة (344 دورة في الدقيقة / ثانية) للحصول على ارتفاع ميزة يبلغ 45 ميكرومتر.
    4. تخبز لينة على لوح تسخين باستخدام منحدر درجة الحرارة ، وتزداد بمعدل 450 درجة مئوية / ساعة ، من 35 درجة مئوية إلى 105 درجة مئوية. يمكن أيضا تنفيذ هذه الخطوة على أنسجة الألياف الدقيقة لمنع الاتصال المباشر وتقليل فقاعات المقاومة للضوء. قم بإزالة الرقاقة من لوح التسخين واتركها لتبرد على أنسجة ستوكات.
    5. ضع القناع الضوئي (المنتج تجاريا) المقابل لطبقة التدفق (جانب المستحلب لأسفل) على رقاقة السيليكون المطلية بالمقاومة وقم بتعريضها تحت مصباح الأشعة فوق البنفسجية ، عند 10 ميجاوات / سم2 ، حتى يتم الوصول إلى إجمالي التعرض 200 مللي جول / سم2 .
    6. استخدم لوحين تسخين - أحدهما عند 65 درجة مئوية والآخر عند 95 درجة مئوية - لأداء خبز ما بعد التعرض - لمدة 1 دقيقة و 7 دقائق على التوالي - على الأطباق.
    7. قم بتطوير الرقاقة عن طريق نقلها إلى طبق بتري مليء بالمطور لمقاومة إيجابية للضوء. قم بتحريك طبق بتري عن طريق هزه على شاكر منضدة مع غمر الرقاقة بالكامل وتحديث حل المطور بشكل دوري حتى يتم تطوير الرقاقة بالكامل ، ويمكن رؤية الميزات بوضوح.
    8. استخدم الماء منزوع المعادن لشطف المقاومة المتبقية من الرقاقة وتحقق تحت مجهر ستيريو بحثا عن أي بقايا داخل القنوات. قم بإزالة البقايا عن طريق إعادة الرقاقة إلى حل المطور أو إضافة المطور بعناية إلى الرقاقة باستخدام ماصة دقيقة. بمجرد الانتهاء ، جفف الرقاقة باستخدام مسدس رش النيتروجين.
    9. أعد تدفق الرقاقة عن طريق وضعها على لوح تسخين مضبوط على 110 درجة مئوية لمدة 25 دقيقة. ينتج عن هذه العملية ميزات مستديرة.
    10. انتقل إلى إسكات الرقاقة كما هو مفصل في الخطوة 1.3.
      ملاحظة: يمكن أيضا إجراء ترسيب بخار Hexamethyldisilazane (HMDS) على رقائق السيليكون قبل تطبيق المقاومة لتحسين الالتصاق بين المقاومة والرقاقة.
  2. قم بإجراء تصنيع الرقاقة لطبقة التحكم كما هو موضح أدناه.
    1. خذ رقاقة سيليكون أخرى وقم بتجفيفها عن طريق وضعها على لوح تسخين على حرارة 110 درجة مئوية لمدة 15 دقيقة.
    2. قم بإزالة الرقاقة واتركها لتبرد إلى درجة حرارة الغرفة قبل الشروع في طلاء الدوران.
    3. ضع 5 مل من المقاوم الضوئي السلبي على مركز الرقاقة.
    4. استخدم بروتوكول الدوران التالي للحصول على ارتفاع ميزة يبلغ 40 ميكرومتر: 5 ثوان عند 500 دورة في الدقيقة (تسارع 100 دورة في الدقيقة / ثانية) ، 33 ثانية عند 1400 دورة في الدقيقة (300 دورة في الدقيقة / ثانية) ، وأخيرا تباطأ إلى 0 دورة في الدقيقة لمدة 5 ثوان عند 300 دورة في الدقيقة / ثانية.
    5. اخبز طريا باستخدام لوحين تسخين منفصلين مضبوطين على 65 درجة مئوية و 95 درجة مئوية لمدة 1 دقيقة و 15 دقيقة على التوالي. قم بإزالة الرقاقة من لوح التسخين واتركها لتبرد على أنسجة ستوكات.
    6. ضع القناع الضوئي (المنتج تجاريا) المقابل لطبقة التحكم (جانب المستحلب لأسفل) على الرقاقة المطلية بالمقاومة وفضح الرقاقة تحت مصباح الأشعة فوق البنفسجية ، مضبوطا على 15 ميجاوات / سم2 ، حتى يتم الوصول إلى إجمالي تعرض 250 مللي جول / سم2 .
    7. استخدم لوحين تسخين - أحدهما عند 65 درجة مئوية والآخر عند 95 درجة مئوية - وقم بخبز الرقاقة بعد التعرض لمدة 2 دقيقة ثم 5 دقائق على التوالي. قم بإزالة الرقاقة من لوح التسخين واتركها لتبرد على أنسجة ستوكات.
    8. قم بتطوير الرقاقة عن طريق نقلها إلى طبق بتري مملوء بالمطور لمقاومة الضوء السلبية لمدة 4 دقائق. قم بتحديث المطور واستمر في العملية لمدة 4 دقائق أخرى.
    9. اشطف الرقاقة باستخدام الأيزوبروبانول لإزالة المقاومة الضوئية المتبقية واستخدم مجهرا ستيريو لفحص الرقاقة بحثا عن أي بقايا داخل القنوات.
    10. قم بإزالة البقايا عن طريق إعادة الرقاقة إلى حل المطور أو إضافة المطور بعناية إلى الرقاقة باستخدام ماصة دقيقة. بمجرد الانتهاء ، جفف الرقاقة باستخدام مسدس رش النيتروجين.
    11. بمجرد اكتمال نموها ، اخبز مقاومة الضوء عن طريق وضع الرقاقة على لوح تسخين على حرارة 95 درجة مئوية لمدة 10 دقائق.
    12. انتقل إلى الإسكات كما هو مفصل في الخطوة 1.3.
  3. نفذ الإسكات كما هو موضح أدناه.
    1. ضع الرقاقة في مجفف. ضع زجاجة زجاجية في المجفف وأضف 4-5 قطرات من 1،1،3،3 رباعي ميثيل ديسيلوكسان.
      تنبيه: 1،1،3،3 رباعي ميثيل ديسيلوكسان ليس ساما ولكنه قابل للاشتعال. يمكن استخدام السيلانات الأخرى ، لكنها قد تكون سامة. يوصى بإجراء الصمت في غطاء الدخان أثناء ارتداء معدات الحماية الشخصية الضرورية (PPE) مثل معطف المختبر والنظارات وقفازات النتريل.
    2. اسحب المكنسة الكهربائية لمدة 15 دقيقة وأغلق المجفف لمدة 12-16 ساعة للسماح للسيلان بالإيداع على الرقاقة.
    3. افتح المجفف وتخلص من الزجاجة. ضع الرقاقة في طبق بتري نظيف.
  4. قم بإجراء تصنيع جهاز الموائع الدقيقة كما هو موضح أدناه.
    ملاحظة: تم تكييف البروتوكول التالي من الأعمال السابقة23.
    1. قم بإعداد حلين PDMS منفصلين - أحدهما لطبقة التدفق والآخر لطبقة التحكم. لكل محلول ، امزج العامل الأساسي وعامل المعالجة لمجموعة PDMS في دورق وحركه باستخدام قضيب الخلط. تتطلب طبقة التحكم 10 جم من العامل الأساسي و 0.5 جم من عامل المعالجة (نسبة 20: 1) بينما تتطلب طبقة التدفق 40 جم من العامل الأساسي و 8 جم من عامل المعالجة (نسبة 5: 1).
    2. قم بإزالة غاز محاليل PDMS في مجفف حتى تصبح المحاليل خالية من الغاز.
    3. ضع رقاقة طبقة التدفق المخملة في طبق بتري مغطى بورق القصدير واسكب محلول PDMS المقابل فوق الرقاقة. ضع طبق بتري مرة أخرى في المجفف واسحب المكنسة الكهربائية للتخلص من الغازات (لمدة 20 دقيقة تقريبا).
    4. قم بلف رقاقة طبقة التحكم الدوارة بمحلول PDMS المقابل لها. صب 3-4 مل من المحلول على مركز الرقاقة وقم بتدويرها لمدة 20 ثانية عند 1500 دورة في الدقيقة عند 408 دورة في الدقيقة / ثانية. ضع الرقاقة على سطح مستو في طبق بتري مغلق لمدة 20 دقيقة.
    5. ضعي طبقات التدفق والتحكم في الفرن على حرارة 80 درجة مئوية لمدة 18-20 دقيقة. راقب الطبقتين بشكل دوري للتحقق مما إذا كان قد تم علاجهما. تكون الطبقات جاهزة عندما تكون صلبة بما يكفي لتكون مرنة ولكنها لزجة قليلا ، لأن هذا يحسن الترابط بين الطبقتين.
    6. اقطع PDMS حول كل جهاز على رقاقة طبقة التدفق بمشرط. تأكد من عدم الاقتراب كثيرا من الميزات واترك مسافة 2 سم تقريبا بين الميزة وحواف PDMS. بمجرد فصلها عن رقاقة السيليكون ، قم بتغطية كتلة PDMS بشريط لاصق على جانب الميزة لتجنب أي تلوث للغبار.
    7. بمجرد قطع جميع كتل PDMS ، ضعها واحدة تلو الأخرى على رقاقة طبقة التحكم المقابلة التي تؤدي محاذاة تقريبية بالعين.
    8. بعد وضع جميع الكتل على المناطق المقابلة لها على طبقة التحكم ، اضبط موضع كل كتلة بحيث تتداخل صمامات التحكم على قنوات التدفق المقابلة لإكمال المحاذاة. ويمكن أيضا أن يتم ذلك بمساعدة المجهر ستيريو.
    9. قم بإزالة الجيوب الهوائية بين الطبقتين عن طريق الضغط. إذا كان الجيب الهوائي قيد التشغيل أو بالقرب من ميزة ، فاحرص على عدم طي القنوات أثناء الضغط.
    10. ضع الأجهزة في فرن 80 درجة مئوية واتركها لتتماسك لمدة 12-16 ساعة. ضع أوزان 100 جرام على كل جهاز لتحسين الترابط بين الطبقتين.
    11. أخرج الرقاقة واقطع كل جهاز على حدة. انزع الأجهزة من رقاقة طبقة التحكم وقم بتغطية جانب الميزة بشريط.
    12. ضع كل جهاز فردي على حصيرة قطع بحيث يكون جانب الميزة متجها لأعلى وقم بعمل ثقب لكل من مداخل طبقة التدفق الثمانية ، ومداخل قناة طبقة التحكم الثمانية ، ومداخل الزيت ، والمخرج باستخدام لكمة خزعة 0.75 مم مع توجيه جانب الميزة لأعلى.
    13. قم بتحميل آشر البلازما بشريحة مجهر وجهاز واحد مع إزالة الشريط وتوجيه جانب الميزة لأعلى. أداء رماد بلازما الأكسجين بقوة 30 واط لمدة 20 ثانية.
    14. أخرج الجهاز وانزلق الزجاج للخارج بمجرد اكتمال الرماد وضع الجهاز مع وضع جانب الميزة لأسفل على الشريحة. يجب أن يكون الالتصاق بين PDMS والزجاج مرئيا على الفور للعين المجردة. اضغط على أي مناطق بها جيوب هوائية للضغط على الهواء للخارج.
    15. ضع الأجهزة على لوح تسخين مضبوط على 110 درجة مئوية لمدة 60 دقيقة مع وجود وزن في الأعلى لتحسين ربط PDMS بالزجاج.

2. إعداد الأجهزة

ملاحظة: يظهر رسم تخطيطي للتوصيلات بجهاز الموائع الدقيقة في الشكل 1B ويظهر تحقيق مثل هذا المخطط باستخدام الأجهزة اللازمة في الشكل 2.

  1. قم بإعداد الصمامات الهوائية كما هو موضح أدناه.
    ملاحظة: يتم التحكم في كل قناة تحكم ، والتي تنظم صمام PDMS على الرقاقة ، بدورها بواسطة صمام ملف لولبي واحد. يتكون النموذج الأولي المعروض هنا من ثماني قنوات تحكم (الشكل 1 أ) ، وبالتالي يلزم وجود ثمانية صمامات ملف لولبي.
    1. يتم التحكم في صمامات الملف اللولبي باستخدام برنامج LabVIEW مخصص (برنامج الواجهة الرئيسية; الشكل 3 والملف التكميلي 1 ، الملف التكميلي 2 ، الملف التكميلي 3 ، الملف التكميلي 4). يرسل هذا البرنامج أوامر MODBUS عبر اتصال TCP (الملف التكميلي 5 ، الملف التكميلي 6) ، إلى وحدة تحكم WAGO. قم بتوصيل جهاز WAGO بالكمبيوتر باستخدام برنامج LabVIEW باستخدام كابل إيثرنت. تابع توصيل صمامات الملف اللولبي بالتتابع بالمنافذ الموجودة على وحدة تحكم WAGO. للحصول على وصف أكثر تفصيلا ، يرجى الرجوع إلى البروتوكولاتالموصوفة سابقا 23.
    2. قم بتوصيل صفيف صمام الملف اللولبي بمصدر هواء مضغوط باستخدام 1/4 بوصة من الأنابيب واضبط ضغط صفيف الصمامات على 3.5 بار. في هذا النظام ، تم استخدام الصمامات الثمانية التي تحمل علامة 9-16.
  2. قم بإعداد منظمات الضغط كما هو موضح أدناه.
    ملاحظة: يتم استخدام مضخة ضغط متاحة تجاريا للتحكم في تدفق السوائل (الشكل 2). تم استخدام مجموعة مضخات ذات ثمانية منافذ وأربعة منافذ لاستيعاب ثمانية مداخل مائية ومدخلين للزيت في الجهاز. يتم تنظيم ضغط كل منفذ عبر البرامج التي توفرها الشركات المصنعة.
    1. قم بتوصيل مضخة الضغط بمصدر هواء مضغوط لضمان ألا يتجاوز الضغط المزود الحد الأقصى للضغط المسموح به للمضخة (2.2 بار لكل من وحدات التحكم ذات الثمانية منافذ والأربعة منافذ).
    2. قم بتوصيل مضخات الضغط بجهاز كمبيوتر باستخدام موصل USB.
    3. بمجرد تشغيل المضخات ، يجب أن تكون مرئية في البرنامج المقابل. اضبط الضغوط على الصفر أثناء إعداد المضخات.
    4. قم بتوصيل ذكر luer إلى 3/32 في موصل شائكة بكل من منافذ إخراج قفل luer الأنثوية البالغ عددها 12 منفذا على وحدات التحكم.
    5. قم بتوصيل قطعة من الأنابيب الناعمة (OD: 3 مم ، ID: 1 مم ، L: 15 سم) بالشوكة. قم بتوصيل ذكر آخر ب 3/32 في موصل شائك بالطرف الآخر من الأنبوب الناعم.
    6. قم بتوصيل كعب روتين luer (23 جم ، 0.5 بوصة) بموصل الشائكة. في هذه المرحلة ، يتم إعداد منظم الضغط وجاهز للاستخدام.

3. إعداد جهاز الموائع الدقيقة

  1. قم بتوصيل أنبوب قناة التحكم كما هو موضح أدناه (الشكل 2).
    1. لكل قناة تحكم ، قم بقطع طول أنابيب PolyTetraFluoroEthylene (PTFE) (OD: 0.042 بوصة ، المعرف: 0.022 بوصة). أدخل دبوس 23 G ، 0.5 في كعب luer في نهاية واحدة.
    2. قم بتوصيل كعب luer بذكر luer إلى 3/32 في موصل النايلون الشائك. أدخل شوكة الموصل في طول أنابيب البولي يوريثين (OD: 4 مم ، المعرف: 2.5 مم). قم بتوصيل الطرف الآخر من أنبوب البولي يوريثين مباشرة بصمام الملف اللولبي.
    3. املأ حقنة بالماء وقم بتوصيل 23 جم ، 0.5 في كعب لوير في النهاية.
    4. قم بتوصيل الطرف الحر لأنبوب PTFE بهذه المحقنة وحقن الماء حتى منتصف الطريق تقريبا عبر الأنبوب.
    5. افصل الأنبوب عن المحقنة وأدخل الطرف الحر للأنبوب في فتحة مثقوبة لقناة التحكم المقابلة (الشكل 1A-C 1-8). كرر حتى يتم توصيل كل قناة تحكم بصمام الملف اللولبي المقابل لها.
      ملاحظة: في هذه الورقة ، تم توصيل صمامات الملف اللولبي 9-16 بقنوات التحكم المقابلة ل C1 إلى C8 ، على التوالي. بينما يمكن توصيلها بأي شكل من الأشكال ، من المهم تذكر ترتيب وتسلسل الاتصالات ، خاصة أثناء تشغيل برنامج الواجهة الرئيسية.
    6. استخدم برنامج الواجهة الرئيسية (الشكل 3) لفتح جميع صمامات الملف اللولبي (الضغط على جميع قنوات التحكم). سيؤدي ذلك إلى دفع السائل من الأنبوب إلى قنوات التحكم في جهاز الموائع الدقيقة وبالتالي ملئه. يوضح الشكل 4 مثالا على الصمامات المضغوطة ومزيلة الضغط.
  2. قم بتوصيل الكواشف وقم بتجهيز الجهاز كما هو موضح أدناه.
    1. تأكد من ضغط جميع قنوات التحكم بالضغط على زر الضغط على جميع قنوات التحكم في برنامج الواجهة الرئيسية (الشكل 3).
    2. لكل من الكواشف المائية ، قم بقطع جزء من أنابيب PTFE (OD: 0.042 بوصة ، المعرف: 0.022 بوصة) لفترة كافية لتوصيل المضخات بمداخل مداخل جهاز الموائع الدقيقة. قم بتوصيل أحد الأنابيب بكعب الروتين من الخطوة 2.2.6.
    3. املأ حقنة بالكاشف المطلوب وقم بتوصيل 23 جم ، 0.5 في كعب لوير في النهاية.
    4. قم بحقن الكاشف في أنبوب PTFE المقابل حتى يمتلئ الأنبوب. احرص على عدم دخول الكاشف إلى منفذ الإخراج في مجموعة المضخات.
    5. أدخل الطرف الحر للأنبوب في مدخل مطابق في شريحة الموائع الدقيقة.
    6. قم بتطبيق ضغط 400 ملي بار على كل من الكواشف المائية الداخلة باستخدام البرنامج المقدم.
    7. قم بخفض ضغط قنوات التحكم بالتتابع بشكل فردي باستخدام برنامج الواجهة الرئيسية (الشكل 3) لضمان وصول جميع الكواشف إلى تقاطع T للجهاز. قم بتشغيل الصمامات الفردية ، إذا لزم الأمر ، عن طريق الضغط على الأزرار المقابلة في البرنامج في المربع قنوات التحكم الضغط اليدوي.
    8. كرر الخطوات من 3.2.3 إلى 3.2.5 لكواشف الزيت. ضع ضغطا قدره 400 ملي بار على كل من كواشف الزيت الداخل.
    9. قم بتخفيف الضغط عن جميع قنوات التحكم في نفس الوقت عن طريق الضغط على إزالة الضغط على جميع قنوات التحكم (الشكل 3) حتى تتم إزالة كل الهواء من الجهاز. يمكن ملاحظة ذلك بالعين المجردة أو تحت المجهر.
    10. اضغط على جميع قنوات التحكم بالضغط على زر الضغط على جميع قنوات التحكم (الشكل 3). في هذه المرحلة ، تم توصيل جميع الكواشف والجهاز جاهز وجاهز للاستخدام.
  3. برمجة التجربة وتنفيذها كما هو موضح أدناه.
    1. قم بترميز التكوين والتسلسل والنسخ المتماثلة لكل مجموعة قابس ليتم إنتاجها في ملف .csv كما هو موضح في الملف التكميلي 7 الذي يعمل كمدخل للتجربة التلقائية في برنامج الواجهة الرئيسية (الشكل 3). ضع علامة على قنوات التحكم الضرورية ب 0 إذا كان يجب أن يكون المقابل للمدخل مفتوحا و 1 إذا كان يجب إغلاقه. يتوافق كل صف في ملف .csv مع مجموعة قابس مميزة واحدة.
    2. قم بتحميل .csv إلى برنامج الواجهة الرئيسية بالنقر فوق مجلد زر في علامة التبويب ملف التجربة .
    3. أدخل الحقول ذات الصلة في البرنامج مثل تكرارات التجربة (لتحديد عدد المرات التي يتم فيها إنتاج تسلسل معين من المقابس) ، وقت إزالة الضغط (لتحديد المدة التي تحتاجها قنوات المدخل لتكون مفتوحة وقناة التحكم المقابلة تحتاج إلى إزالة الضغط بالمللي ثانية) ، وقت الضغط (لتحديد المدة التي يجب فيها إغلاق المداخل بين تسلسلات عدد المكونات بالمللي ثانية).
    4. حدد قناة (قنوات) المدخل المقابلة لإنتاج الباركود في قسم مداخل الباركود (حتى 3 قنوات) مع المدة التي يجب أن تكون مفتوحة فيها (وقت الترميز الشريطي (مللي ثانية)). بدلا من ذلك ، يمكن أيضا ترميز هذه الرموز الشريطية في ملف الإدخال .csv كما هو موضح في الملف التكميلي 7.
    5. تقليل ضغط كواشف الزيت الداخل إلى 200 ملي بار.
    6. قم بتوصيل أنبوب PTFE (OD: 0.042 بوصة ، المعرف: 0.022 بوصة) بالطول المطلوب عند المخرج لجمع المقابس. من أجل ضمان إنتاج موحد للسدادات ، استخدم أنابيب من حوالي 100 سم مملوءة مسبقا بمقابس للتجميع. هذا لتحييد الفرق في الضغط عند المخرج الذي يمارسه جمع المقابس في الأنبوب.
    7. اضغط على تشغيل التجربة لبدء البرنامج وتوصيل الإنتاج.
  4. قم بإجراء تسجيل البيانات وتحليلها كما هو موضح أدناه (انظر الشكل 5).
    ملاحظة: يوضح هذا القسم على وجه التحديد طريقة لتحليل سدادات الفلورسنت. اعتمادا على طبيعة المقابس التي تم إنشاؤها ، يمكن تغيير هذا القسم حسب الحاجة.
    1. املأ حقنة بالزيت (إما زيت معدني أو زيت مفلور) وقم بتوصيل 23 جم 0.5 في كعب لوير في النهاية. اربط المحقنة بمضخة.
    2. قم بتوصيل أحد طرفي أنبوب التجميع المملوء بكعب التجويف الموجود على المحقنة. ضع الطرف الآخر من أنبوب التجميع المملوء فوق العدسة الموضوعية للمجهر.
    3. ضع خزان نفايات أسفل نهاية الأنبوب بالقرب من الهدف.
    4. ركز المجهر على منطقة معينة من الأنبوب واضبطه لتسجيل التألق في القناة (القنوات) المطلوبة.
    5. اضبط المضخة على معدل تدفق 50 ميكرولتر / دقيقة.
    6. سجل فيديو قناة الفلورسنت كملف .avi.
    7. قم بتحليل ملف .avi باستخدام برنامج python النصي المقدم (الملف التكميلي 8) لاستخراج متوسط التألق في منطقة اهتمام محددة مسبقا (ROI) لكل إطار من ملف .avi (مثال على ذلك في الملف التكميلي 9).
    8. استخدم البرنامج النصي R المخصص المقدم (الملف التكميلي 10) لاستخراج الشروط ورسم البيانات الأولية وارتفاعات الذروة.
      ملاحظة: استخدم النص R في الملف التكميلي 10 للتحليل في هذه الورقة. يتم توفير وظائف R المخصصة المستخدمة في هذا البرنامج النصي لقطع البيانات واكتشاف الظروف باستخدام الرموز الشريطية وتحليل ارتفاعات الذروة للمقابس الفردية والتخطيط في الملف التكميلي 11.

Results

$$\rightleftharpoonup{xx}$$ $$\longleftharp{xx}$$, $$\longrightharp{xx}$$,

واحدة من الميزات الحاسمة لرقاقة الموائع الدقيقة هي صمامات PDMS وقدرتها على تنظيم تدفق السوائل تميزت بأنها تؤثر على النموذج التشغيلي للجهاز. تحقيقا لهذه الغاية ، تم تسجيل معدل تدفق الماء المقطر (المقاس باستخدام مستشعر معدل التدفق التجاري) عبر قنوات المدخل كدالة لضغوط الإدخال المختلفة أثناء الضغط بشكل دوري (3.5 بار ل 2000 مللي ثانية) وإزالة الضغط (1000 مللي ثانية) صمامات PDMS (الشكل 6 أ). لوحظ أن الصمامات كانت قادرة على تنظيم تدفق السوائل حتى حوالي 800 ملي بار من ضغط الدخل ، كما يتضح من انخفاض معدل التدفق إلى الصفر عند تشغيل الصمامات (الشكل 6 B-D). هذا يؤكد صحة استخدام هذه الصمامات القائمة على PDMS لتنظيم تدفق الكواشف داخل القنوات. علاوة على ذلك ، عند 1200 ملي بار ، يكون ضغط الدخل مرتفعا جدا بحيث لا تستطيع الصمامات تنظيم التدفق ، كما يتضح من عدم انخفاض معدل التدفق إلى الصفر (الشكل 6E). في حين يمكن تعديل مدة الضغط وإزالة الضغط لصمامات PDMS ، تم حساب معدل تغير تدفق السوائل على الظروف الحالية للضغط (2000 مللي ثانية) وإزالة الضغط (1000 مللي ثانية). بالنسبة لضغط دخل يبلغ 400 ملي بار ، يمكن تشغيل وإيقاف التدفق بمعدل 1.26 هرتز و 1.44 هرتز على التوالي (الشكل 6C).

تضمنت التكرارات السابقة لجهاز الموائع الدقيقة التوافقي عالي الإنتاجية أيضا قناة نفايات مقترنة بكل قناة تدفق46,47. تم تشغيل هذه الأجهزة في نظام معدل تدفق ثابت (حيث تم حقن الكواشف في الجهاز بمعدلات تدفق ثابتة بدلا من الضغط الثابت) ، وتمت برمجة قنوات النفايات لتفتح عند إغلاق قنوات المدخل المقابلة لها للتخفيف من أي تراكم للضغط. هذه القنوات ، على الرغم من فائدتها ، تؤدي إلى فقدان الكواشف لأن محتويات قناة النفايات لا تساهم في تكوين القابس. وعلاوة على ذلك، هناك حاجة أيضا إلى قنوات تحكم إضافية - وبالتالي مضخات إضافية - لتنظيم فتح وإغلاق قنوات النفايات. في النموذج الأولي المقدم هنا ، تمت إزالة قنوات النفايات ، وتم إنشاء نموذج تشغيلي يسمح بتقليل هدر الكواشف وتقليل التصميم والتعقيد التشغيلي. يتضمن ذلك حقن الكواشف المائية في وضع الضغط الثابت بدلا من وضع معدل التدفق الثابت. لفهم النظامين بشكل أفضل ، تم تقييم العلاقة بين الضغط ومعدل التدفق في القنوات أثناء تشغيل الصمام في كل حالة (باستخدام نفس الإعداد كما هو موضح في الشكل 6 أ) ، والتي تظهر نتائجها في الشكل 7. في الشكل 7 أ ، تم قياس معدل تدفق الماء المقطر أثناء حقنه عند ضغط ثابت (300 ملي بار) ولوحظ أنه أثناء تشغيل الصمام ، ينخفض معدل التدفق إلى الصفر وعند إزالة ضغط الصمام ، يتعافى معدل التدفق إلى مستويات ما قبل التشغيل. ومع ذلك ، في نظام معدل التدفق الثابت ، حيث تم تسجيل الضغط في القنوات أثناء حقن الماء المقطر بمعدل تدفق ثابت (2.5 ميكرولتر / دقيقة ؛ 2.5 ميكرولتر / دقيقة ؛ 2.5 ميكرولتر / دقيقة ؛ 2.5 ميكرولتر / دقيقة ؛ الشكل 7 ب) ، لم يؤد تشغيل الصمام إلى إغلاق مدخل كامل - كما يتضح من عدم انخفاض معدل التدفق إلى الصفر - ولوحظ تراكم الضغط في القناة. هذا هو الضغط الذي يتم تخفيفه عن طريق فتح قنوات النفايات. نظرا لأن نظام ضغط الإدخال الثابت يسمح بتشغيل الجهاز دون ضغط خلفي عند تشغيل الصمام ، مما يلغي الحاجة إلى قنوات النفايات ، فقد تم اعتماد هذا النظام لتشغيل رقاقة الموائع الدقيقة.

لإثبات وظائف جهاز الموائع الدقيقة ، تم إنشاء مكتبة اندماجية كمية من سدادات الفلورسنت. إلى المداخل الثمانية للجهاز ، ثلاثة كواشف مائية - فلوريسئين (50 ميكرومتر) في أربعة مداخل (I1أنا3, أنا5, أنا7) ، الماء المقطر في ثلاثة مداخل (I4أنا6, أنا8) ، مدخل واحد بصبغة زرقاء اللون (I2; ليكون بمثابة رمز شريطي) - واثنين من كواشف الزيت - الزيت المفلور (FC-40) والزيوت المعدنية (MO) في المداخل O1 و O2، على التوالي - تم توصيلها (الشكل 1 أ, الشكل 8 أ). يعمل الزيت المفلور كمرحلة حاملة يتم فيها تشتيت المقابس المائية ، ويساعد الزيت المعدني في استقرار السدادة ويقلل من التصاق محتوى السدادة بالجدران ، وبالتالي تقليل التلوث المتبادل بين المقابس46. مع ثلاثة مداخل تساهم في تكوين مجموعة قابس واحدة ، يمكن لهذا التكوين أن يولد ثلاث مجموعات فلورية متميزة: FFF - يتكون من الفلوريسئين من ثلاث قنوات ، FFW - يتكون من الفلوريسئين من قناتين ، والماء من قناة واحدة ، و FWW - يتكون من الفلوريسئين من قناة واحدة والماء من قناتين. مع هذا الإعداد ، هناك 12 شرطا متميزا (مجموعات المكونات المنتجة بمزيج متميز من ثلاثة مداخل) يمكنها إنتاج مقابس FWW ، و 18 حالة مميزة يمكنها إنتاج مقابس FFW ، وأربعة شروط متميزة يمكن أن تنتج مقابس FFF. لذلك ، تمت برمجة الشريحة لإنتاج هذه الظروف المختلفة ال 34 مع خمسة مقابس نسخ مختلفة لكل منها ، إلى جانب خمسة نسخ متماثلة من مقابس الباركود التي تفصل بينها. يوصى بتخلل مجموعات سدادات الفلورسنت مع مجموعة من الباركود ، أي مجموعة من المقابس الملونة (المثالية غير الفلورية) (في هذه الحالة تتشكل عن طريق فتح قنوات المدخل المقابلة للصبغة الزرقاء وقناتين مائيتين مقطرتين) والتي تكون مرئية للعين المجردة. يسمح للمستخدم بمراقبة إنتاج القابس بحثا عن مشكلات مثل تفكك المكونات أو الانصهار ويساعد في تحليل المصب للمقابس. لذلك ، تم إنشاء وجمع ما مجموعه 340 قابسا - 170 قابسا تجريبيا و 170 قابس تشفير شريطي يفصل بين الظروف المختلفة - في أنابيب PTFE ، وتظهر عينة منها في الشكل 8 ب. تم تحديد وقت إزالة الضغط ووقت الضغط عند 1000 مللي ثانية و 2000 مللي ثانية على التوالي. تم تحليل مضان المقابس وتنوعها داخل وعبر الظروف التجريبية المختلفة ، والتي تظهر نتائجها في الشكل 8 ج، د. الشكل 8 ج يظهر التألق لكل إطار من ملف .avi الذي تم إنشاؤه في الخطوة 3.4.6 ، والذي يسلط الضوء على الظروف التجريبية ال 34 في الاعتبار (محددة بخط أزرق). يظهر متوسط القيمة الفلورية للقمم داخل حالة باللون الأحمر ، وتشير الخطوط المتقطعة إلى الخطأ القياسي داخل هذا الشرط. تم رسم ارتفاعات قمم جميع المقابس في كل مجموعة ، والتي تم الحصول عليها عن طريق طرح مضان خط الأساس من الحد الأقصى للتألق المكتشف في كل قمة ، في الشكل 8 د. تم إهمال الذروة الأخيرة في كل حالة للحسابات لأنها كانت سدادة ملوثة بسبب اختلاط الكواشف عند تقاطع T (نظرا لأن مضان المقابس تم تسجيله بترتيب عكسي لإنتاج المكونات ، فإن القابس الأول في السكان أثناء الإنتاج هو آخر قابس في السكان أثناء التحليل). كان من الواضح أن ارتفاع مقابس FWW يبلغ حوالي الثلث (المتوسط = 40.9 ، الانحراف المعياري = 3.1) وأن ارتفاع مقابس FFW يبلغ حوالي الثلثين (المتوسط = 78.4 ، الانحراف المعياري = 5) من ارتفاع مقابس FFF (المتوسط = 117 ، الانحراف المعياري = 10). تتطابق هذه النتائج مع النسب المتوقعة من التألق في مجموعات مختلفة من سدادات FFF / FFW / FWW ، مما يسلط الضوء على متانة الجهاز وعمله.

figure-results-1
الشكل 1: رسم تخطيطي لتصميم الجهاز وإعداد الموائع الدقيقة. (أ) تظهر طبقة تدفق الرقاقة باللون الأزرق وتظهر طبقة التحكم باللون الأحمر. يمكن أن يتدفق ما مجموعه ثمانية كواشف مائية فريدة عبر المداخل (I1-8) نحو تقاطع T ، حيث يواجهون مراحل الزيت من مداخل الزيت (O1-2) لتشكيل سدادات يتم جمعها في المخرج. تخضع كل قناة تدفق مدخل لسيطرة قناة تحكم فريدة (C1-8). (ب) يظهر رسم تخطيطي لرقاقة الموائع الدقيقة مع وصلات الأنابيب بالمداخل وقنوات التحكم وكواشف الزيت مع أنبوب المخرج. تشير الأسهم إلى اتجاه تدفق السوائل في الأنبوب. يظهر الجزء الداخلي مبدأ عمل صمامات PDMS. تشير الخطوط المتقطعة إلى أن طبقة التحكم تقع أسفل طبقة التدفق. تم تعديل هذا الرقم من Dubuc et al49. يرجى النقر هنا لعرض نسخة أكبر من هذا الرقم.

figure-results-2
الشكل 2: رسم تخطيطي لإعداد الأجهزة لإنتاج المقابس. تتحكم مضخات الضغط في تدفق الكواشف (المائية والزيتية) في قنوات المدخل ، وتتحكم صمامات الملف اللولبي في تشغيل صمامات PDMS. يرجى النقر هنا لعرض نسخة أكبر من هذا الرقم.

figure-results-3
الشكل 3: برنامج الواجهة الرئيسية للتحكم في جهاز الموائع الدقيقة. يتيح هذا البرنامج المصمم خصيصا الضغط اليدوي للصمامات الهوائية الفردية (اللوحة البيضاء). كما يسمح بتنفيذ تجربة كاملة (لوحة زرقاء) حيث يقبل ملف .csv مع مجموعات المكونات المطلوبة والمعلمات الضرورية مثل ضغط الصمام وأوقات إزالة الضغط ويعرض حالة تنفيذ التجربة ، بما في ذلك قنوات التحكم المضغوطة وليس ، في الوقت الفعلي. يرجى النقر هنا لعرض نسخة أكبر من هذا الرقم.

figure-results-4
الشكل 4: تشغيل الصمام المدفوع بالضغط. صور مجهرية ساطعة المجال ل (A) صمام PDMS (أفقي) يتم إزالة الضغط منه وقناة المدخل (عمودية) مفتوحة و (B) صمام PDMS يتم ضغطه وإغلاق قناة المدخل. يرجى النقر هنا لعرض نسخة أكبر من هذا الرقم.

figure-results-5
الشكل 5: رسم تخطيطي لإعداد تسجيل البيانات. يتم توصيل أنبوب التجميع بحقنة بالزيت ، يتم لصقها على مضخة. يتم نقل المقابس عبر أنابيب التجميع ، ويتم التقاط الصور / مقاطع الفيديو باستخدام مجهر مضان. يرجى النقر هنا لعرض نسخة أكبر من هذا الرقم.

figure-results-6
الشكل 6: تأثير تشغيل الصمام على معدل التدفق عند ضغط دخل معين. (أ) رسم تخطيطي لإعداد الأجهزة المستخدمة لمراقبة معدل التدفق في قنوات الموائع الدقيقة. استجابة معدل التدفق في القنوات عند تشغيلها عند ضغوط دخل مختلفة (B) 200 mbar و (C) 400 mbar و (D) 800 mbar و (E) 1200 mbar. تظهر مدة تشغيل الصمام في المنطقة المظللة باللون الأحمر. تم استخدام الماء المقطر لجميع التجارب. يظهر الانحراف المعياري لثلاثة قياسات مستقلة بواسطة المنطقة المظللة باللون الأخضر. يرجى النقر هنا لعرض نسخة أكبر من هذا الرقم.

figure-results-7
الشكل 7: العلاقة بين الضغط ومعدل تدفق الكواشف في قنوات المدخل عند تشغيل الصمام. (أ) في صمام نظام ضغط الدخل الثابت (300 ملي بار) ، ينخفض معدل التدفق إلى الصفر عند تشغيل الصمام. (ب) في نظام معدل التدفق الثابت (2.5 ميكرولتر / دقيقة) ، يؤدي تشغيل الصمام إلى تراكم ضغط سريع في القناة حتى يتم إزالة ضغط الصمام. تظهر مدة تشغيل الصمام في المنطقة المظللة باللون الأحمر. تم استخدام الماء المقطر لجميع التجارب. يرجى النقر هنا لعرض نسخة أكبر من هذا الرقم.

figure-results-8
الشكل 8: إنتاج تجمعات سدادات الفلورسنت. (أ) رسم تخطيطي للإعداد التجريبي يصور اتصال الكواشف المختلفة بالجهاز. الاختصارات: F = فلوريسئين ، W = ماء مقطر ، B = صبغة طعام زرقاء ، FC-40 = زيت مفلور ، و MO = زيت معدني. (ب) صورة نموذجية لأنابيب تجميع تحتوي على سدادات. (ج) تظهر البيانات الأولية التي تم الحصول عليها من التحليل متوسط شدة التألق المقاسة في منطقة اهتمام محددة (ROI) مقابل رقم إطار ملف الفيديو. تظهر الخطوط الحمراء متوسط ذروة التألق لكل حالة (عدد المقابس المنتجة بمجموعة محددة من ثلاثة مداخل) ، وتظهر الخطوط المتقطعة الخطأ القياسي المقابل. (د) قطع مربعة لارتفاع القمم في الظروف المختلفة. تتوافق النقاط مع القمم الفردية ، وتتراوح المربعات لكل حالة من الربع الأول إلى الربع الثالث من توزيع القمم المقابلة ، ويتم استخدام الخط السميك للقيمة المتوسطة. يرجى النقر هنا لعرض نسخة أكبر من هذا الرقم.

الملف التكميلي 1: برنامج الواجهة الرئيسية لتشغيل الجهاز. واجهة التحكم للضغط اليدوي لقنوات التحكم وتشغيل تجربة تلقائية في الجهاز ذي الثمانية مداخل. الرجاء الضغط هنا لتنزيل هذا الملف.

الملف التكميلي 2: برنامج الواجهة الرئيسية البديلة لتشغيل الجهاز. واجهة التحكم لتشغيل جهاز ذو ثمانية مداخل بدون وظيفة الترميز الشريطي. الرجاء الضغط هنا لتنزيل هذا الملف.

الملف التكميلي 3: برنامج LabVIEW الفرعي مع المتغيرات العالمية. SubVI من برنامج الواجهة الرئيسية سرد وعرض حالة المتغيرات العالمية في برنامج الواجهة الرئيسية ، وهي قنوات التحكم. الرجاء الضغط هنا لتنزيل هذا الملف.

الملف التكميلي 4: برنامج LabVIEW لحفظ قيم المتغيرات العالمية. SubVI من برنامج الواجهة الرئيسية الذي يحفظ الحالة الحالية للصمامات كمصفوفة ، والتي سيتم استخدامها للحفاظ على نفس حالة الصمامات في حالة عدم نشاط المستخدم لأكثر من 30 ثانية. الرجاء الضغط هنا لتنزيل هذا الملف.

الملف التكميلي 5: برنامج LabVIEW لبروتوكول التحكم في الإرسال (TCP). SubVI للحفاظ على اتصال TCP بين برنامج الواجهة الرئيسية ووحدة تحكم WAGO. الرجاء الضغط هنا لتنزيل هذا الملف.

الملف التكميلي 6: البرنامج الفرعي LabVIEW المتغير العالمي TCP. برنامج لتخزين متغير إخراج TCP. الرجاء الضغط هنا لتنزيل هذا الملف.

الملف التكميلي 7: مدخلات لإجراء التجربة التلقائية. .csv ملف ترميز التكوين والتسلسل والنسخ المتماثلة من مجموعات المكونات لإجراء تجارب لإنتاج سدادات الفلورسنت الكمية ، كما هو مفصل في هذه الورقة. الرجاء الضغط هنا لتنزيل هذا الملف.

الملف التكميلي 8: برنامج Python النصي لتحليل عدد المكونات الفلورية. برنامج نصي بيثون مخصص لقراءة قيم التألق من تسجيل المقابس (ملف .avi). الرجاء الضغط هنا لتنزيل هذا الملف.

الملف التكميلي 9: ناتج تحليل مضان المقابس. الإخراج من البرنامج النصي Python الذي يحتوي على قيم مضان لعائد استثمار 5x5 من تسجيل المقابس. الرجاء الضغط هنا لتنزيل هذا الملف.

الملف التكميلي 10: برنامج R لقراءة ملف الإخراج. برنامج مخصص يستخدم في هذا العمل لقراءة قيم الفلورسنت الناتجة ورسم البيانات الأولية وارتفاعات الذروة والانحرافات المعيارية. الرجاء الضغط هنا لتنزيل هذا الملف.

الملف التكميلي 11: وظائف R لتحليل ورسم بيانات الفلورسنت. وظائف R المخصصة التي تستخدم ل 1. قطع البيانات الأولية لقيم الفلورسنت ، 2. تعريف الظروف التجريبية المختلفة ، 3. تحديد القمم من الظروف المحددة ، 4.ارسم البيانات الأولية والظروف المكتشفة المتداخلة ، و 5. ارسم القمم المحددة وتداخلت البيانات الأولية. الرجاء الضغط هنا لتنزيل هذا الملف.

Discussion

$$\rightleftharpoonup{xx}$$ $$\longleftharp{xx}$$, $$\longrightharp{xx}$$,

في هذه الورقة ، تم تقديم مجموعة من البروتوكولات لتصنيع وتشغيل جهاز الموائع الدقيقة القائم على PDMS للتوليد الآلي للمكتبات التوافقية في مقصورات الماء في الزيت تسمى المقابس. يوفر الجمع بين الموائع الدقيقة وتقنية القطيرات تقنية قوية لتغليف كمية صغيرة من الكواشف في عدد كبير من المقصورات ، وبالتالي فتح طرق للفحص التوافقي على نطاق واسع.

في السابق ، تم وصف العديد من التقنيات لتوليد مقصورات متميزة كيميائيا باستخدام الموائع الدقيقة ، ولكل منها مزاياها وقيودها. وصف Kulesa et al.50 استراتيجية لتغليف الخلايا بالرموز الشريطية في قطرات باستخدام ألواح المعايرة الدقيقة ودمج هذه القطرات باستخدام مجال كهربائي لإنشاء مكتبة توافقية. في حين أن مثل هذا النهج يمكن أن يولد الكثير من مجموعات القطرات ، إلا أنه محدود بالحاجة إلى خطوات المعالجة اليدوية في سير العمل. طور Tomasi et al.51 منصة الموائع الدقيقة لدمج قطرة كروية (مجاميع الخلايا العائمة الحرة) المحتوية مع قطرة محفزة ، مما يسمح بمعالجة البيئة المكروية الكروية. تسمح هذه الطريقة بدراسة الظواهر المهمة مثل تفاعلات الخلايا والخلايا وتأثير الأدوية ، ولكنها إنتاجية منخفضة نسبيا. طور Eduati et al.46 و Utharala et al.47 منصة قائمة على صمام الموائع الدقيقة يمكنها إنشاء مكتبات اندماجية عالية الإنتاجية بطريقة آلية. ومع ذلك ، في هذه الدراسات ، يتم تشغيل الصمامات باستخدام جهاز برايل ، مما يتطلب خطوات محاذاة مرهقة بين الصمام الدقيق وشريحة الموائع الدقيقة. الميزة الرئيسية للنظام الموصوف في هذا البحث هي تنفيذ صمامات PDMS الهوائية لتنظيم تدفق السوائل في قنوات الإدخال. نظرا لأن هذه الصمامات تعتمد على PDMS ، فيمكن دمجها بسلاسة في خطوات تصنيع رقاقة الموائع الدقيقة. بالإضافة إلى ذلك ، فهي خيار مباشر نسبيا للتحكم في تدفق السوائل في قنوات المدخل ، حيث يمكن تشغيلها عن طريق الضغط من خلال مصدر غاز خارجي. أخيرا ، يمكن برمجة مدة وتسلسل الضغط وإزالة الضغط من هذه الصمامات ، وبالتالي أتمتة إنتاج مجموعات متميزة من المقابس بطريقة عالية الإنتاجية. ميزة أخرى مهمة هي استخدام أنظمة الضغط المستمر لحقن الكواشف من خلال المدخل ، مما يسمح للمرء بإلغاء الاشتراك في دمج قنوات النفايات لتخفيف أي تراكم للضغط ينشأ في نظام معدل التدفق المستمر. هذا يبسط تصميم الجهاز ، ويقلل من الحاجة إلى صمامات وأجهزة إضافية للتحكم في صمامات قناة النفايات ، ويقلل من هدر الكاشف.

في حين أن تصنيع الأجهزة المزودة بنظام PDMS غير معقد نسبيا ، فإن تنفيذ مثل هذه الأجهزة يتطلب استخدام أدوات أجهزة واسعة النطاق مثل صمامات الملف اللولبي الهوائية (للتحكم في تشغيل صمامات PDMS) ومضخات الضغط (للتحكم في تدفق الكواشف الداخلية والزيتية) والبرامج (لتنظيم صمامات الملف اللولبي). في حين أنها تمثل استثمارا كبيرا ، فإن هذا الإعداد يوفر الاتساق والموثوقية للتشغيل الناجح للجهاز. بالإضافة إلى ذلك ، يتم إعداد مكونات الأجهزة والبنية الموضحة في هذا البروتوكول بطريقة معيارية. لذلك ، يمكن استخدام بدائل لبعض الوحدات لتقليل التكاليف أو لتكييفها مع حاجة معينة. على سبيل المثال ، هناك مجموعة متنوعة من المضخات التي يمكن استخدامها بناء على المرافق والميزانية والتوافر والراحة52،53،54. يمكن دمج مكونات إضافية مثل خزانات السوائل ومنظمات درجة الحرارة لكواشف المدخل الحساسة23. علاوة على ذلك ، يمكن توسيع نطاق هذا التصميم أو تصغيره لتلبية احتياجات علمية محددة. على سبيل المثال ، في هذه الورقة ، تم وصف نموذج أولي من ثمانية مداخل يسمح بدمج ثمانية كواشف فريدة لإنتاج المقابس. يمكن ترقية هذا إلى جهاز مكون من 16 مدخلا يسمح بعدد أكبر من المداخل ومجموعات أكبر منها. وبالتالي ، ستحتاج إلى قنوات تحكم إضافية وصمامات ملف لولبي لمعالجة المداخل ، لكن مثل هذا النموذج الأولي يسمح بإنشاء مكتبات اندماجية أكبر وأكثر تنوعا. أخيرا ، في هذه الورقة ، يتم إنتاج كل مجموعة سدادة عن طريق فتح ثلاثة من أصل ثمانية مداخل مائية لجهاز الموائع الدقيقة. وقد لوحظ أنه بالنسبة لمثل هذا التكوين ، فإن الضغط البالغ حوالي 200 ملي بار لكواشف الزيت و 400 ملي بار للكواشف المائية يتوافق مع نظام إنتاج المكونات ، والذي يتم تشغيله فقط عن طريق تشغيل الصمام. عندما تم تطبيق ضغوط أعلى على الزيت (الزيتات) ، لوحظ تفكك المقابس ، وأدى تطبيق ضغوط أقل إلى اندماج المقابس. يعتمد نظام الضغط الأمثل لإنتاج المكونات على مجموعة واسعة من العوامل ، مثل عدد المداخل التي تساهم في تكوين القابس ، وطبيعة ولزوجة السوائل ، وأبعاد القنوات ، ويجب تحسينها عند الضرورة.

أحد عيوب العمل في نظام الضغط الثابت هو أن السوائل ذات اللزوجة المختلفة لها معدلات تدفق مختلفة تحت ضغط ثابت. لذلك ، يجب التأكد من أن الكواشف المائية التي تتدفق عبر المداخل ذات لزوجة مماثلة. لن يؤثر استخدام السوائل ذات اللزوجة المختلفة على تدفق السوائل في قنوات المدخل فحسب ، بل سيؤثر أيضا على تكوين السدادة عند تقاطع T ، مما يضر بتكوين مجموعات القابس. عيب آخر هو تلوث مجموعة المكونات من الكواشف المتبقية عند تقاطع T. عندما ينتقل الجهاز بين إنتاج مجموعات سدادة مختلفة ، يميل القابس الأول / الأخير في تسلسل كل مجموعة سكانية إلى أن يكون ملوثا بالسكان السابقين أو التاليين. يمكن التغلب على ذلك عن طريق إنتاج نسخ متماثلة إضافية لكل مجموعة وخصم القابس الملوث أثناء التحليل. أخيرا ، هناك أيضا احتمال حدوث تباين بين الأجهزة الفردية الناشئة عن التناقضات في التصنيع و / أو المصادر الخارجية (تقلبات الضغط). يمكن التخفيف من هذه المشكلة عن طريق إعادة استخدام شريحة ميكروفلويديك واحدة عدة مرات والتأكد من إجراء تشغيل كامل لمكتبة اندماجية على شريحة واحدة لتقليل تأثير هذه التناقضات.

تم استخدام جهاز الموائع الدقيقة والمجموعة المصاحبة من البروتوكولات التشغيلية المقدمة في هذه الورقة لإثبات إنتاج مكتبة اندماجية كمية من المقابس. وبالتالي ، يمكن لهذه المنصة أن تولد بسرعة مكتبات اندماجية لمجموعات توصيل متميزة بطريقة عالية الإنتاجية. نتيجة لذلك ، يمكن استخدام هذه التقنيات لمجموعة متنوعة من أغراض الفحص بما في ذلك ، على سبيل المثال لا الحصر ، فحص الأدوية التوافقي على عينات خزعة المريض - حيث يمكن توزيع عدد صغير من الخلايا المسترجعة من الخزعة في عدد كبير من القطرات ومعالجتها بمزيج كبير من الدواء المضاد للسرطان لتحسين العلاج الفردي لعينة معينة من المريض - وبالتالي تسريع علاج السرطان الشخصي46 ، 48,55.

Disclosures

$$\rightleftharpoonup{xx}$$ $$\longleftharp{xx}$$, $$\longrightharp{xx}$$,

F. E. هو مستقل ل TheraMe! أ.غ. يعلن المؤلفون أنه ليس لديهم مصالح مالية متنافسة.

Acknowledgements

$$\rightleftharpoonup{xx}$$ $$\longleftharp{xx}$$, $$\longrightharp{xx}$$,

نود أن نشكر ستايسي مارتينا من NanoLab TuE للمساعدة في ترسب بخار HMDS. تم تمويل هذا البحث من قبل معهد الأنظمة الجزيئية المعقدة (ICMS) في TU / e ومن قبل المنظمة الهولندية للبحث العلمي (NWO) برنامج الجاذبية IMAGINE! (رقم المشروع 24.005.009).

Materials

List of materials used in this article
NameCompanyCatalog NumberComments
1،1،3،3 رباعي ميثيل ديسيلوكسانميرك لايف ساينس NVMFCD00008256
4 قنوات وحدة إدخال / إخراج رقميةWAGO Kontakttechnik GmbH750-504
برنامج تحليل BOOMSKEUZW3مختبرات
أيندهوفن للتكنولوجياhttps://github.com/SysBioOncology/BilayerMicrofluidicsAnalysis_JoVE
AZ 40XT 11DMerck Life Science NV 212299  مقاومة الضوء الإيجابية 
مطور AZ 726 MIFMerck Life Science NV10055824960مطور لكمة خزعة إيجابية
مقاومة للضوء ، Rapid CoreWorld Precision Instruments Germany ، GMBH5045290.75 مم ID ، W / Plunge
Blue Food صبغPMEFC1036
وحدة نهاية وحدة التحكم   ؛WAGO Kontakttechnik GmbH 750-600
وحدة تحكم إيثرنت WAGO Kontakttechnik GmbH 750-881
FC-40Merck MilliporeF9755-100ML
وحدة تدفق FluigentFluigentFlu-S-D
  ؛Fluigent MFCS-EZ 0 - 2 بار
فلورسينميرك لايف ساينس NVMFCD00005050
لوحة ساخنة توري باينز العلمية مجهر مقلوب HP61
 آلات نيكون للصناعات Eclipse Ti-E
IsopropanolBoom LabsBOOMSKEUZE3
LabVIEW (إصدار البرنامج 20)جامعة أيندهوفن للتكنولوجياhttps://github.com/SysBioOncology/BilayerMicrofluidicsAnalysis_JoVE/tree/main/LabVIEW_8_inlet_device_
VERSION_1		تم حفظ جميع الملفات للإصدار 20 من LabVIEW. ينصح باستخدام هذا الإصدار أو أعلى لفتح الملفات.
بذرة Luer مختبرات Instech, Inc. LS2323 ga, 0.5 "
ذكر Luer إلى موصلات شوكة كول بارمر 45505-32 3/32 "معرف
MasterFlex PTFE الأنابيبAvator / VWR48634
شرائح المجهرVWR470150-480
شرائح المجهر,  عاديCorning2947-75X50
زيت معدنيMerck Millipore330760-1L
mr DEV 600Micro resist TechnologyR815100مطور لفرن مقاوم للضوء
السلبي Thermo Scientific  ؛ Heraeus T6P 50045757
أكسجين بلازما asherQuorum TechnologiesK1050X
PhotomaskCAD / Art Services، Inc.
تصميم قناع ضوئي، جامعة أيندهوفن للتكنولوجيا (مقتبس من Merten Lab ، EPFL)https://github.com/SysBioOncology/BilayerMicrofluidicsAnalysis_JoVE/blob/main/8_inlet_JoVE_device_design.dwg
مصفوفة الصمامات الهوائيةFESTO1x 8 ، مصفوفة الصمامات المغلقة عادة ،
رقائق السيليكون، مواد< ؛ 1-0-0> ، قطر 100 مم ، 525 مو ؛ m سمك
شفرات حافة واحدة GEM Scientific
Soft TubingFluigent1 مم ID ، 3 مم OD
Spin coater   ؛شركة Laurell Technologies Corporation WS-650MZ-23NPPB
مجهر ستيريو شركة أوليمبوس  SZ61
SU-8 3050Kayakli AdvancedMaterials Y311075 1000L1GLسلبي مقاوم للضوء
Sylgard 184 مجموعة مطاط سيليكون (PDMS)حقنة داو1317318
B براون Injekt - F حقنة الجرعة الدقيقة10303002
نظام التعرض للأشعة فوق البنفسجيةفراغ IdonusUV-EXP150S-SYS
& nbsp ؛ Vacuumbrand GmbH موازين MD1C
 Sartorius إم إثبات
الأسيتون جامعة نظام الضغط مختبرات السيليكون LED مضخة

References

$$\rightleftharpoonup{xx}$$ $$\longleftharp{xx}$$, $$\longrightharp{xx}$$,
  1. The origins and the future of microfluidics. Nature. 442 (7101), 368-373 (2006).">Whitesides, G. M. The origins and the future of microfluidics. Nature. 442 (7101), 368-373 (2006).
  2. A gas chromatographic air analyzer fabricated on a Silicon wafer. IEEE Transactions on Electron Devices. 26 (12), 1880-1886 (1979).">Terry, S. C., Herman, J. H., Angell, J. B. A gas chromatographic air analyzer fabricated on a Silicon wafer. IEEE Transactions on Electron Devices. 26 (12), 1880-1886 (1979).
  3. Fully integrated glass microfluidic device for performing high-efficiency capillary electrophoresis and electrospray ionization mass spectrometry. Anal Chem. 80 (18), 6881-6887 (2008).">Mellors, J. S., Gorbounov, V., Ramsey, R. S., Ramsey, J. M. Fully integrated glass microfluidic device for performing high-efficiency capillary electrophoresis and electrospray ionization mass spectrometry. Anal Chem. 80 (18), 6881-6887 (2008).
  4. Maskless, rapid manufacturing of glass microfluidic devices using a picosecond pulsed laser. Sci Rep. 9 (1), 20215(2019).">Wlodarczyk, K. L., Hand, D. P., Maroto-Valer, M. M. Maskless, rapid manufacturing of glass microfluidic devices using a picosecond pulsed laser. Sci Rep. 9 (1), 20215(2019).
  5. Microfluidics: innovations in materials and their fabrication and functionalization. Anal Chem. 92 (1), 150-168 (2020).">Nielsen, J. B., et al. Microfluidics: innovations in materials and their fabrication and functionalization. Anal Chem. 92 (1), 150-168 (2020).
  6. Advances in microfluidic materials, functions, integration, and applications. Chem Rev. 113 (4), 2550-2583 (2013).">Nge, P. N., Rogers, C. I., Woolley, A. T. Advances in microfluidic materials, functions, integration, and applications. Chem Rev. 113 (4), 2550-2583 (2013).
  7. Rapid prototyping of microfluidic systems in poly(dimethylsiloxane). Anal Chem. 70 (23), 4974-4984 (1998).">Duffy, D. C., McDonald, J. C., Schueller, O. J. A., Whitesides, G. M. Rapid prototyping of microfluidic systems in poly(dimethylsiloxane). Anal Chem. 70 (23), 4974-4984 (1998).
  8. Monolithic microfabricated valves and pumps by multilayer soft lithography. Science. 288 (5463), 113-116 (2000).">Unger, M. A., Chou, H. P., Thorsen, T., Scherer, A., Quake, S. R. Monolithic microfabricated valves and pumps by multilayer soft lithography. Science. 288 (5463), 113-116 (2000).
  9. A review of microvalves. Journal of Micromechanics and Microengineering. 16 (5), R13(2006).">Oh, K. W., Ahn, C. H. A review of microvalves. Journal of Micromechanics and Microengineering. 16 (5), R13(2006).
  10. Microvalves and micropumps for BioMEMS. Micromachines. 2 (2), 179-220 (2011).">Au, A. K., Lai, H., Utela, B. R., Folch, A. Microvalves and micropumps for BioMEMS. Micromachines. 2 (2), 179-220 (2011).
  11. Electrically-activated, normally-closed diaphragm valves. J. Micromech. Microeng. 4 (4), 210(1994).">Jerman, H. Electrically-activated, normally-closed diaphragm valves. J. Micromech. Microeng. 4 (4), 210(1994).
  12. An electrochemical microactuator: principle and first results. J microelectromechanical sys. 5 (1), 2-9 (1996).">Neagu, C. R., Gardeniers, J. G. E., Elwenspoek, M., Kelly, J. J. An electrochemical microactuator: principle and first results. J microelectromechanical sys. 5 (1), 2-9 (1996).
  13. Computerized microfluidic cell culture using elastomeric channels and Braille displays. Proc Natl Acad Sci U S A. 101 (45), 15861-15866 (2004).">Gu, W., Zhu, X., Futai, N., Cho, B. S., Takayama, S. Computerized microfluidic cell culture using elastomeric channels and Braille displays. Proc Natl Acad Sci U S A. 101 (45), 15861-15866 (2004).
  14. Scaling properties of a low-actuation pressure microfluidic valve. J Appl Phys. 95 (1), 393-398 (2004).">Studer, V., et al. Scaling properties of a low-actuation pressure microfluidic valve. J Appl Phys. 95 (1), 393-398 (2004).
  15. Systematic investigation of protein phase behavior with a microfluidic formulator. Proc Natl Acad Sci U S A. 101 (40), 14431-14436 (2004).">Hansen, C. L., Sommer, M. O. A., Quake, S. R. Systematic investigation of protein phase behavior with a microfluidic formulator. Proc Natl Acad Sci U S A. 101 (40), 14431-14436 (2004).
  16. RNA-protein binding kinetics in an automated microfluidic reactor. Nucleic Acids Res. 37 (21), e142(2009).">Ridgeway, W. K., Seitaridou, E., Phillips, R., Williamson, J. R. RNA-protein binding kinetics in an automated microfluidic reactor. Nucleic Acids Res. 37 (21), e142(2009).
  17. An integrated microfabricated cell sorter. Anal Chem. 74 (11), 2451-2457 (2002).">Fu, A. Y., Chou, H. P., Spence, C., Arnold, F. H., Quake, S. R. An integrated microfabricated cell sorter. Anal Chem. 74 (11), 2451-2457 (2002).
  18. A nanoliter rotary device for polymerase chain reaction. Electrophoresis. 23 (10), 1531-1536 (2002).">Liu, J., Enzelberger, M., Quake, S. A nanoliter rotary device for polymerase chain reaction. Electrophoresis. 23 (10), 1531-1536 (2002).
  19. Microfluidic large-scale integration. Science. 298 (5593), 580-584 (2002).">Thorsen, T., Maerkl, S. J., Quake, S. R. Microfluidic large-scale integration. Science. 298 (5593), 580-584 (2002).
  20. A nanoliter-scale open chemical reactor. Lab Chip. 13 (3), 415-423 (2013).">Galas, J. C., Haghiri-Gosnet, A. M., Estévez-Torres, A. A nanoliter-scale open chemical reactor. Lab Chip. 13 (3), 415-423 (2013).
  21. Implementation of cell-free biological networks at steady state. Proc Natl Acad Sci U S A. 110 (40), 15985-15990 (2013).">Niederholtmeyer, H., Stepanova, V., Maerkl, S. J. Implementation of cell-free biological networks at steady state. Proc Natl Acad Sci U S A. 110 (40), 15985-15990 (2013).
  22. Sigma factor-mediated tuning of bacterial cell-free synthetic genetic oscillators. ACS Synth Biol. 7 (12), 2879-2887 (2018).">Yelleswarapu, M., et al. Sigma factor-mediated tuning of bacterial cell-free synthetic genetic oscillators. ACS Synth Biol. 7 (12), 2879-2887 (2018).
  23. A multilayer microfluidic platform for the conduction of prolonged cell-free gene expression. J Vis Exp. (152), 59655(2019).">van der Linden, A. J., et al. A multilayer microfluidic platform for the conduction of prolonged cell-free gene expression. J Vis Exp. (152), 59655(2019).
  24. Emerging droplet microfluidics. Chem Rev. 117 (12), 7964-8040 (2017).">Shang, L., Cheng, Y., Zhao, Y. Emerging droplet microfluidics. Chem Rev. 117 (12), 7964-8040 (2017).
  25. Droplet based microfluidics. Rep Prog Phys. 75, 016601(2012).">Seemann, R., Brinkmann, M., Pfohl, T., Herminghaus, S. Droplet based microfluidics. Rep Prog Phys. 75, 016601(2012).
  26. Surfactants in droplet-based microfluidics. Lab Chip. 12 (3), 422-433 (2012).">Baret, J. C. Surfactants in droplet-based microfluidics. Lab Chip. 12 (3), 422-433 (2012).
  27. Droplet-based microfluidic platforms for the encapsulation and screening of mammalian cells and multicellular organisms. Chem Biol. 15 (5), 427-437 (2008).">Clausell-Tormos, J., et al. Droplet-based microfluidic platforms for the encapsulation and screening of mammalian cells and multicellular organisms. Chem Biol. 15 (5), 427-437 (2008).
  28. Monodisperse emulsion generation via drop break off in a coflowing stream. Langmuir. 16 (2), 347-351 (2000).">Umbanhowar, P. B., Prasad, V., Weitz, D. A. Monodisperse emulsion generation via drop break off in a coflowing stream. Langmuir. 16 (2), 347-351 (2000).
  29. One-step formation of multiple emulsions in microfluidics. Lab Chip. 11 (2), 253-258 (2011).">Abate, A. R., Thiele, J., Weitz, D. A. One-step formation of multiple emulsions in microfluidics. Lab Chip. 11 (2), 253-258 (2011).
  30. Three-dimensional splitting microfluidics. Lab Chip. 16 (8), 1332-1339 (2016).">Chen, Y., Gao, W., Zhang, C., Zhao, Y. Three-dimensional splitting microfluidics. Lab Chip. 16 (8), 1332-1339 (2016).
  31. Electrocoalescence of drops synchronized by size-dependent flow in microfluidic channels. Appl Phys Lett. 88 (26), 264105(2006).">Ahn, K., Agresti, J., Chong, H., Marquez, M., Weitz, D. A. Electrocoalescence of drops synchronized by size-dependent flow in microfluidic channels. Appl Phys Lett. 88 (26), 264105(2006).
  32. Surface-induced droplet fusion in microfluidic devices. Lab Chip. 7 (8), 984-986 (2007).">Fidalgo, L. M., Abell, C., Huck, W. T. S. Surface-induced droplet fusion in microfluidic devices. Lab Chip. 7 (8), 984-986 (2007).
  33. In vitro compartmentalization by double emulsions: Sorting and gene enrichment by fluorescence activated cell sorting. Anal Biochem. 325 (1), 151-157 (2004).">Bernath, K., et al. In vitro compartmentalization by double emulsions: Sorting and gene enrichment by fluorescence activated cell sorting. Anal Biochem. 325 (1), 151-157 (2004).
  34. High-throughput screening of enzyme libraries: thiolactonases evolved by fluorescence-activated sorting of single cells in emulsion compartments. Chem Biol. 12 (12), 1281-1289 (2005).">Aharoni, A., Amitai, G., Bernath, K., Magdassi, S., Tawfik, D. S. High-throughput screening of enzyme libraries: thiolactonases evolved by fluorescence-activated sorting of single cells in emulsion compartments. Chem Biol. 12 (12), 1281-1289 (2005).
  35. Monodisperse uni- and multicompartment liposomes. J Am Chem Soc. 138 (24), 7584-7591 (2016).">Deng, N. N., Yelleswarapu, M., Huck, W. T. S. Monodisperse uni- and multicompartment liposomes. J Am Chem Soc. 138 (24), 7584-7591 (2016).
  36. Microfluidic assembly of monodisperse vesosomes as artificial cell models. J Am Chem Soc. 139 (2), 587-590 (2016).">Deng, N. N., Yelleswarapu, M., Zheng, L., Huck, W. T. S. Microfluidic assembly of monodisperse vesosomes as artificial cell models. J Am Chem Soc. 139 (2), 587-590 (2016).
  37. High-throughput droplet digital PCR system for absolute quantitation of DNA copy number. Anal Chem. 83 (22), 8604-8610 (2011).">Hindson, B. J., et al. High-throughput droplet digital PCR system for absolute quantitation of DNA copy number. Anal Chem. 83 (22), 8604-8610 (2011).
  38. Highly parallel genome-wide expression profiling of individual cells using nanoliter droplets. Cell. 161 (5), 1202-1214 (2015).">Macosko, E. Z., et al. Highly parallel genome-wide expression profiling of individual cells using nanoliter droplets. Cell. 161 (5), 1202-1214 (2015).
  39. Droplet-based microfluidics in drug discovery, transcriptomics and high-throughput molecular genetics. Lab Chip. 16 (8), 1314-1331 (2016).">Shembekar, N., Chaipan, C., Utharala, R., Merten, C. A. Droplet-based microfluidics in drug discovery, transcriptomics and high-throughput molecular genetics. Lab Chip. 16 (8), 1314-1331 (2016).
  40. Drug screening of cancer cell lines and human primary tumors using droplet microfluidics. Sci Rep. 7 (1), 9109(2017).">Wong, A. H., et al. Drug screening of cancer cell lines and human primary tumors using droplet microfluidics. Sci Rep. 7 (1), 9109(2017).
  41. Droplet microfluidics for high-resolution virology. Anal Chem. 94 (23), 8085-8100 (2022).">Jing, W., Han, H. Droplet microfluidics for high-resolution virology. Anal Chem. 94 (23), 8085-8100 (2022).
  42. From single-molecule detection to next-generation sequencing: microfluidic droplets for high-throughput nucleic acid analysis. Microfluid Nanofluidics. 21 (3), 58(2017).">Ding, Y., Choo, J., deMello, A. J. From single-molecule detection to next-generation sequencing: microfluidic droplets for high-throughput nucleic acid analysis. Microfluid Nanofluidics. 21 (3), 58(2017).
  43. A stable droplet reactor for high temperature nanocrystal synthesis. Lab Chip. 11 (7), 1221-1227 (2011).">Nightingale, A. M., et al. A stable droplet reactor for high temperature nanocrystal synthesis. Lab Chip. 11 (7), 1221-1227 (2011).
  44. The impact of microfluidics in high- throughput drug-screening applications. Biomicrofluidics. 16 (3), 031501(2022).">De Stefano, P., Bianchi, E., Dubini, G. The impact of microfluidics in high- throughput drug-screening applications. Biomicrofluidics. 16 (3), 031501(2022).
  45. Prevalence and patterns of higher-order drug interactions in Escherichia coli. NPJ Syst Biol Appl. 4, 31(2018).">Tekin, E., et al. Prevalence and patterns of higher-order drug interactions in Escherichia coli. NPJ Syst Biol Appl. 4, 31(2018).
  46. A microfluidics platform for combinatorial drug screening on cancer biopsies. Nat Commun. 9 (1), 2434(2018).">Eduati, F., et al. A microfluidics platform for combinatorial drug screening on cancer biopsies. Nat Commun. 9 (1), 2434(2018).
  47. A microfluidic Braille valve platform for on-demand production, combinatorial screening and sorting of chemically distinct droplets. Nat Protoc. 17 (12), 2920-2965 (2022).">Utharala, R., et al. A microfluidic Braille valve platform for on-demand production, combinatorial screening and sorting of chemically distinct droplets. Nat Protoc. 17 (12), 2920-2965 (2022).
  48. Combi-seq for multiplexed transcriptome-based profiling of drug combinations using deterministic barcoding in single-cell droplets. Nat Commun. 13 (1), 4450(2022).">Mathur, L., et al. Combi-seq for multiplexed transcriptome-based profiling of drug combinations using deterministic barcoding in single-cell droplets. Nat Commun. 13 (1), 4450(2022).
  49. Cell-free microcompartmentalised transcription–translation for the prototyping of synthetic communication networks. Curr Opin Biotechnol. 58, 72-80 (2019).">Dubuc, E., et al. Cell-free microcompartmentalised transcription–translation for the prototyping of synthetic communication networks. Curr Opin Biotechnol. 58, 72-80 (2019).
  50. Combinatorial drug discovery in nanoliter droplets. Proc Natl Acad Sci U S A. 115 (26), 6685-6690 (2018).">Kulesa, A., Kehe, J., Hurtado, J. E., Tawde, P., Blainey, P. C. Combinatorial drug discovery in nanoliter droplets. Proc Natl Acad Sci U S A. 115 (26), 6685-6690 (2018).
  51. Individual control and quantification of 3D spheroids in a high-density microfluidic droplet array. Cell Rep. 31 (8), 107670(2020).">Tomasi, R. F. X., Sart, S., Champetier, T., Baroud, C. N. Individual control and quantification of 3D spheroids in a high-density microfluidic droplet array. Cell Rep. 31 (8), 107670(2020).
  52. Controller for microfluidic large-scale integration. HardwareX. 3, 135-145 (2018).">White, J. A., Streets, A. M. Controller for microfluidic large-scale integration. HardwareX. 3, 135-145 (2018).
  53. An open-source, programmable pneumatic setup for operation and automated control of single- and multi-layer microfluidic devices. HardwareX. 3, 117-134 (2018).">Brower, K., et al. An open-source, programmable pneumatic setup for operation and automated control of single- and multi-layer microfluidic devices. HardwareX. 3, 117-134 (2018).
  54. A Compact control system to enable automated operation of microfluidic bioanalytical assays. Biosensors. 12 (12), 1160(2022).">Gonzalez-Suarez, A. M., Long, A., Huang, X. H., Revzin, A. A Compact control system to enable automated operation of microfluidic bioanalytical assays. Biosensors. 12 (12), 1160(2022).
  55. Microfluidics as an enabling technology for personalized cancer therapy. Small. 16 (9), e1904321(2020).">Mathur, L., Ballinger, M., Utharala, R., Merten, C. A. Microfluidics as an enabling technology for personalized cancer therapy. Small. 16 (9), e1904321(2020).

Reprints and Permissions

Request permission to reuse the text or figures of this JoVE article

Request Permission

Tags

Bilayer MicrofluidicsCombinatorial Plug ProductionDroplet MicrofluidicsPDMS DevicePressure Driven MicrofluidicsQuake ValvesPlug Library GenerationTumor MicroenvironmentHigh Throughput ScreeningPrecision Oncology

Related Articles