يتطلب اشتراك JoVE لعرض هذا المحتوى. تسجيل الدخول أو ابدأ نسخة تجريبية مجانية

مقالة منهجية

أجهزة ميكروفلويديك منخفضة التكلفة مطبوعة ثلاثية الأبعاد للنماذج الأولية السريعة والتطبيقات البيولوجية

580 مشاهدة

⸱

DOI:

10.3791/69494

⸱

مارس 20, 2026

 ,  , 
1Department of Biology, University of Saskatchewan

في هذه المقالة

ملخص

لقد طورنا جهاز ميكروفلويديك منخفض التكلفة مطبوع ثلاثي الأبعاد وبرنامج مفتوح المصدر يعتمد على بايثون يمكنه توليد تدرجات تركيز قابلة للبرمجة. لقد قمنا بالتحقق من صحة هذه المنصة القابلة للتخصيص باستخدام القياس الأسموزي والتحليل اللوني، مما أتاح دراسات التعرض الأسموزي القابلة للتكرار والاختبارات الطبية الحيوية باستخدام مواد أقل من 5 دولارات وطباعة ثلاثية الأبعاد للمستهلكين.

الملخص

توفر الأجهزة الميكروفلويدية تحكما دقيقا في خلط المحاليل وتوليد التدرج، وهو أمر ضروري للاختبارات القائمة على الخلايا في علم الأحياء التجميد والأبحاث الطبية الحيوية. ومع ذلك، فإن طرق التصنيع التقليدية تستغرق وقتا طويلا، مكلفة، وتتطلب خبرة متخصصة، مما يحد من سهولة الوصول. لمواجهة هذه التحديات، طورنا سير عمل لأجهزة ميكروفلويديك فعالة من حيث التكلفة وموثوقة ومطبوعة بالكامل بتقنية ثلاثية الأبعاد لتسهيل النمذجة الأولية السريعة وغير المكلفة باستخدام طابعة مخصصة للمستهلكين وراتنجات بلاستيكية متوافقة حيويا. هنا، نعرض هذا السير من خلال جهاز خلط سائل قادر على توليد تدرجات تركيز قابلة للبرمجة وتركيبات محلول. أجهزة الخلط التجارية تكلف أكثر من 300 دولار لكل واحدة ولا يمكن تخصيصها. من خلال استخدام مواد راتنج ميسورة التكلفة وتصميم مبتكر للقناة المفتوحة مغلق بشريط لاصق شفاف، تغلبنا على مشاكل التصنيع الشائعة مثل انسداد القنوات، مما أتاح تصنيع سريع وقابل للتكرار لهياكل ميكروفلويديك معقدة، وكل ذلك بتكلفة مواد أقل من 5 دولارات. هنا نعرض هذا السير العملي، حيث يتم دمج مضخات الحقن المزدوجة لإنشاء تدرجات أسموزية خطية، تتراوح من ظروف متساوية الأسموزية (~300 mOsm/kg) إلى فرط الأسموز (~9,000 mOsm/kg)، تليها عودة إلى التساوي على فترات محددة. لضمان الأتمتة وقابلية التكرار، طورنا أداة برمجية مفتوحة المصدر تعتمد على بايثون تنظم بدقة تفعيل مضخة الحقنة، ومعدلات التدفق، وتوقيت التدرج. تم التحقق من أداء الجهاز من خلال قياسات الأسمومترية المستمرة، التي أكدت خطية ودقة توليد التدرج، وقياسات الألوان لتأكيد فعالية الخلط. تحسن هذه المنصة الميكروفلويدية الميسرة والفعالة من حيث التكلفة بشكل كبير قابلية تكرار دراسات التعرض للأوزوز وتظهر إمكانات لتطبيقات طبية حيوية متنوعة، بما في ذلك فحص الأدوية والتعديل الكيميائي الدقيق.

المقدمة

أصبحت الأجهزة الميكروفلويدية ضرورية للتحكم في التركيزات والبيئات الكيميائية في الاختبارات المعتمدة على الخلايا، ودراسات الإجهاد الأسموزي، وتجارب إدارة الأدوية في الأبحاث الطبية الحيوية، وعلم الأحياء البريدية، وتطبيقات تشخيصية أخرى 1,2. تسمح هذه الأجهزة بالتحكم الدقيق في تدفق السوائل وتركيزها على مستوى الميكرومتر. على سبيل المثال، تم استخدام أجهزة ميكروفلويديك لإضافة وإزالة عوامل الحماية من التبريد أثناء الحفظ بالتبريد للخلايا لمنع الضرر الأسموزي3. وبالمثل، تستخدم هذه الأجهزة الميكروفلويدية أيضا لتحديد تخفيف متسلسلات للمضادات الحيوية لاختبار قابلية مضادات الميكروبات ضد الكائنات المقاومة4. يتيح ذلك تحديد تركيبات الأدوية المثلى لعلاج عدوى مقاومة الميكروبات (AMR). علاوة على ذلك، يتيح تصوير الخلايا الحية والمراقبة، ويقلل من استهلاك الكواشف، ويسهل الدقة في تدرجات التركيز، على عكس التقنيات الماكروسكوبية مثل غرفة بويدن التي توفر تدرجات أكثر خشونة وثابتة دون مراقبة خلوية في الوقت الحقيقي 1,5. تمكن هذه القدرات من تقليد بيئات كيميائية شبيهة بالجسم الحي في المختبر لدراسات عالية الدقة لسلوك الخلية، وهجرة الخلايا، واختبارات غزو الخلايا، واستجابة الأدوية، واختبارات السمية.

على الرغم من مزايا الأجهزة الميكروفلويدية، فإن تقنيات التصنيع الدقيق التقليدية لهذه الأجهزة (مثل الطباعة الضوئية وتشكيل بولي ديميثيل سيلوكسان (PDMS)) غالبا ما تستغرق وقتا طويلا، مكلفة، وتتطلب معداتوخبرة متخصصة. لذلك، قد يستغرق إنشاء جهاز جديد من خلال الطباعة الحجرية الناعمة أياما من العمل، كما أن التغييرات التصميمية التكرارية تتطلب جهدا كبيراأيضا. مؤخرا، أصبحت الطباعة ثلاثية الأبعاد بديلا سريع للنماذج الأولية لتجاوز هذه القيود. ومع ذلك، كان التبني المبكر للميكروفلويدكس المطبوعة ثلاثية الأبعاد محدودا بتكلفة الطابعات عالية الدقة (غالبا ≥ 10,000 دولار)، والوحدات الرخيصة لا توفر دقةكافية 7. لقد أدى التحسن في التصوير الستيريوليثوجي منخفض التكلفة المعتمد على LCD إلى تقدم هذا المجال بشكل كبير، حيث تقدم الطابعات الاستهلاكية (غالبا ~$150-$500) الآن دقة ميكروسكيس (~20-50 ميكرومتر)، وهي كافية للعديد من تطبيقات الميكروفلويديك5. وبالنظر إلى هذه التطورات، كان الهدف العام من عملنا هو إنشاء سير عمل فعال من حيث التكلفة وكفاءة لأجهزة الميكروفلويديك المطبوعة بالكامل ثلاثية الأبعاد، والتي يمكنها توليد تدرجات تركيز محكومة دون الحواجز المعتادة لتعقيد التصنيع8. هدفنا إلى تطوير طريقة سريعة وموثوقة لإنتاج أنظمة نماذج ميكروفلويدية مخصصة من خلال استخدام طابعة LCD ثلاثية الأبعاد بمستوى المستهلك وراتنج متوافق حيويا، مما يجعلها متاحة لمجموعة واسعة من المختبرات.

هنا، نقدم جهازا ميكروفلويديا مطبوعا ثلاثي الأبعاد قادر على خلط المحاليل، وتوليد تدرجات تركيز مستمرة وقابلة للبرمجة، وتشكيل تركيبات المحاليل وتدرجات تركيز قابلة للبرمجة. يتم تصنيع الجهاز من خلال التصوير الستيريوليثوجي المكتبي وتجميعه بالكامل، باستخدام تصميم قناة مفتوحة مغلق تماما بطبقة لاصقة شفافة ناتجة عن راتنج، ويعد انسداد القناة الذي يمثل تحديا شائعا في التصوير الستيريوليثوجي الميكروفلويد 9,10; ومع ذلك، يطور هذا النهج جهازا ميكروفلويديا قويا ومقاوما للتسرب دون الحاجة إلى معدات معالجة سطحية متخصصة أو ربط، ويتغلب على المشكلة الشائعة وهي انسداد الراتنج غير المعالج في القنوات الصغيرة أثناء الطباعة11. علاوة على ذلك، باستخدام راتنجات رخيصة وقابلة للمعالجة بالأشعة فوق البنفسجية، يمكن إنتاج كل جهاز بسرعة ببضعة دولارات فقط من المواد. ميزة أخرى هي أن تصميمه ليس ثابتا؛ يمكن تعديلها وإعادة طباعتها بسهولة، على عكس الأجهزة التجارية التي تكلف مئات الدولارات لكل منها ولا يمكن تخصيصها 12,13,14.

للتحكم في تركيز المحلول، تم دمج الجهاز المطبوع ثلاثي الأبعاد مع مضختين مزدوجتين للحقنة (واحدة لكل محلول مدخل) يتم التحكم بها بواسطة سكريبت بايثون مفتوح المصدر، كما هو موضح سابقا لتطبيقات الميكروفلويديك15. يتيح ذلك التنظيم الدقيق لمعدلات التدفق، وخطوات التدرج، والتوقيت بطريقة آلية. 15 معدلات التدفق في نظامنا عادة ما تتراوح بين بضعة ميكرولتر إلى 30 ميكرولتر/دقيقة لكل مدخل، حيث تم تحقيق خلط منتظم باستمرار مع الحفاظ على إجهاد قصي أدنى. باستخدام هذا النظام، قمنا بإنشاء ملفات تركيز خطية تمتد من ظروف متساوية الأسموز تقريبا (~300 mOsm/kg) إلى حالات فرط التناضح المفرط (~9,000 mOsm/kg) ثم إلى متساوية التوتر على فترات زمنية محددة. أكدت قراءات الأوزمومتر المستمرة أن التدرجات المولدة كانت خطية ودقيقة، كما أكد اختبار الألوان البسيط خلط المحاليل العامل بكفاءة في الاختبار. تؤكد هذه النتائج أن تدرجات التركيز المعقدة والمتغيرة زمنيا يمكن تحقيقها بشكل متكرر باستخدام منصتنا المطبوعة بالكامل ثلاثية الأبعاد، مما يبرز إمكاناتها في تحسين معدل الإنتاجية وتوحيد دراسات التعرض الأسموزي بتكلفة أقل بكثير من التكلفة المعتادة.

تظهر هذه المنصة الميكروفلويدية المطبوعة ثلاثية الأبعاد التقدم الأخير نحو حلول "مختبر على شريحة" توفر دقة كافية للعديد من تطبيقات الميكروفلويديات الخلوية 16,17. علاوة على ذلك، يتوقع الخبراء أن يصبح التصنيع الإضافي من المتوقع أن يصبح طريقة رائدة في تصنيع الأجهزة الدقيقة مع استمرار التقدم في تكنولوجيا ومواد الطابعات.6. ميزة رئيسية في نهجنا هي أن سهولة الوصول لا تأتي على حساب الأداء. تماشيا مع الدراسات السابقة التي أظهرت استراتيجيات تصنيع الميكروفلويديك منخفضة التكلفة18,19، تنتج هذه الطابعات الميسورة التكلفة ميزات أجهزة تقارن بالعديد من الأنظمة الصناعية التجارية من حيث الموثوقية والدقة7. وبالتالي يمكن للباحثين تبني هذه الطريقة بثقة من أنها ستلبي متطلبات الدقة لمعظم التطبيقات. يمكن تخصيص هذه المنصة لتلبية احتياجات متنوعة، بدءا من أتمتة إضافة وإزالة الواقيات من التبريد متعددة الخطوات، إلى فحص استجابات الأدوية لمستويات تركيز مختلفة وتقديم تعديل كيميائي دقيق في نماذج الأعضاء على الشريحة16. على وجه الخصوص، أحجام الدقة المطبوعة (حوالي أبعاد القنوات 100 ميكرومتر) كافية للعديد من الاختبارات البيولوجية16، مما يوفر نطاقا جيدا لمقاييس طول الخلايا أو الجسيمات النموذجية. باختصار، من خلال تقليل وقت التصنيع والتكلفة ومتطلبات الخبرة، تتيح هذه المنصة الميكروفلويدية المطبوعة بالكامل ثلاثية الأبعاد للباحثين نمذجة وتنفيذ حلول ميكروفلويدية مخصصة بكفاءة. بينما لا تزال خطوات المعالجة اليدوية مثل تلميع الأسطح وختم الشريط اللاصق مطلوبة، يظل سير العمل العام متاحا وموفرا للوقت مقارنة بطرق التصنيع الدقيق التقليدية.

الوصول مقيد. يرجى تسجيل الدخول أو بدء فترة تجريبية لعرض هذا المحتوى.

البروتوكول

1. تصميم شريحة الخلط الميكروفلويدية

  1. باستخدام برنامج CAD مناسب (مثل AutoCAD 3D أو TinkerCAD، AutoDesk, Inc)، صمم قناة دقيقة متعرجة مع مداخل ثنائية القناتين وتقاطع خلط على شكل Y، يتبعه مسار لتسهيل المزج الفعال وتوفير طول قناة كاف للانتشار. اجمع عناصر القناة في منطقة واحدة.
  2. أنشئ شريحة مستطيلة (85 مم × 28 مم × 3 مم) لتكون ركيزة الأساس. ثم نطرح القناة الدقيقة المتعرجة المصممة مسبقا من السطح العلوي للشريحة لتشكيل هيكل قناة مفتوحة بعمق وعرض مناسبين.
  3. أنشئ كل منفذ موصل ملولب (1/4"-28 UNF) لأنابيب OD بقطر 1/16" كميزة منفصلة ودمجها مع جسم الشريحة، لضمان تطابق خيوط UNF الداخلية مع الوصلات بدقة.

2. إعداد التصميم للطباعة

  1. للتحضير لعملية الطباعة ثلاثية الأبعاد، قم باستيراد ملفات STL المصممة من مجموعة شرائح الميكروفلويديك إلى برامج تقطيع مفتوحة المصدر، مثل CHITUBOX Basic v2.3.1 (شركة شينزين CBD Technology المحدودة، الصين).
  2. قم بتحميل إعدادات إعدادات ملفات تعريف الراتنج الخاصة بالطابعة (Phrozen_Sonic_Mini_8K_Power_Resin_SG_00.cfgx) في برنامج التقطيع. استورد ملف إعدادات الطابعة والراتنج بالكامل من مستودع GitHub المرافق من خلال: إعدادات الشريحة > إعدادات الاستيراد.
    ملاحظة: دليل كامل للطباعة ثلاثية الأبعاد بالراتنج خارج نطاق هذا العمل؛ ومع ذلك، توفر معظم شركات تصنيع الطابعات ثلاثية الأبعاد أدلة حول كيفية ضبط إعدادات الراتنج وتحديد موقع الطباعة لتحقيق النجاح، أي https://phrozen3d.com/blogs/tutorials/resin-print-failures.
  3. قم بضبط اتجاه النموذج إلى حوالي 45-50° بالنسبة للوحة البناء (46.67° المستخدمة هنا)، للحصول على أفضل نتائج الطباعة. هذا الموقع يمنع مشاكل الشفط أثناء الطباعة ويحافظ على القنوات الصغيرة والثقوب خالية من الوضع.
    ملاحظة: بمجرد استيراد شريحة الخلط STL، توضع الشريحة بشكل مسطح على سطح الطباعة. يجب بعد ذلك تدوير اتجاه الشريحة للسماح بتصريف الراتنج وتقليل خطر فروق الضغط التي قد تسببها تكون ميزات مجوفة على سطح مستو.
  4. أضف الدعم الهيكلي للشريحة باستخدام ميزة الدعم التلقائي في برنامج التقطيع. تأكد من أن القناة تواجه بعيدا عن رأس الطباعة الظاهر في نافذة Chitubox الرئيسية. ثم زد المسافة بين الشريحة ولوحة الطباعة إلى 5 مم باستخدام زر الترجمة والقائمة الموجودة على الجانب الأيسر من شاشة Chitubox الرئيسية. ستسمح هذه الفجوة بوجود هياكل دعم وطوف دعم للجزء المائل.
  5. ثم تضيف الدعامات الإضافية يدويا، مما يزيد كثافة قطع الدعم عند النقطة الأقرب إلى رأس الطباعة، ويضيف دعامات على جانبي الشريحة لضمان بقاء الجزء في وضعه الثابت أثناء رفعه عبر الراتنج اللزج.
  6. راجع الدعامات التي يتم توليدها تلقائيا بعناية، وأضف دعامات إضافية يدويا حسب الحاجة لتعزيز الاستقرار، خاصة حول الميزات المعقدة مثل الحواف والقنوات.
  7. قم بتقطيع النموذج وفحص كل طبقة بعناية، مع التأكد من عدم وجود فجوات ظاهرة بين الشريح.
  8. انقر على زر اكتشاف الجزيرة من خلال: Slice > Island Detection للعثور على المناطق غير المدعومة التي قد تسبب أخطاء الطباعة. إذا تم اكتشاف مناطق معزولة، كرر عملية التقطيع.
  9. بمجرد اجتياز النموذج فحص الجزيرة دون اكتشاف مناطق معزولة، حفظ ملف النموذج المعد كملف ".ctb" على وحدة USB، ليكون جاهزا للطباعة ثلاثية الأبعاد.
    ملاحظة: تم استيراد إعدادات الراتنج بناء على توصية الشركة المصنعة واختبارها باستخدام طراز XP Finder المقدم من الشركة ويمكن العثور عليها على https://phrozen3d.com/pages/phrozens-xp-finder-and-rp-tester-test-model-download-and-tutorials. نظرا لأن الإعدادات قد تختلف حسب ظروف المختبر المحيطة وبين الطابعات، فمن المهم اختبار هذه الإعدادات وفي بعض الحالات إجراء تعديلات لمراعاة الظروف داخل المختبر. يمكن العثور على ملف إعدادات كامل للطابعة والراتنج في مستودع GitHub الذي يرافق هذا النص، مع جميع الكود وأي ملف .stl مذكور. لاحظ أن الانكماش والتشوه يمكن أن يحدث أيضا أثناء الطباعة. يمكن تعويض ذلك إلى حد ما عن طريق تعديل إعدادات الراتنج، وزاوية الطباعة، وتوزيع أعمدة الدعم لتتناسب مع ظروف المختبر المحيطة. لاحظ أن شفافية الشريحة تتأثر بشكل كبير بالزاوية التي تتكون بها الطبقات؛ ومع ذلك، بما أن هذه الشريحة تستخدم فقط للخلط وليس للتصوير، فكان ذلك مجرد قلق لضمان وضوح كاف لقياس الألوان أثناء الخلط. تم تحقيق ذلك من خلال ضمان أن يكون أسفل الشريحة بين 20 و60 درجة بالنسبة للوحة رأس الطباعة. في هذه الحالة، تم استخدام زاوية 46.67 درجة لأن هذه الزاوية وفرت درجة عالية من الوضوح البصري بناء على محاذاة الطبقات، دون أن تكون شديدة الانحدار بحيث تؤدي إلى ميزات غير مدعومة أثناء عملية الطباعة، كما تم تعديلها باستخدام زر التحقق من Chitubox للجزر ، والذي يمكن العثور عليه في شاشة التقطيع التي تظهر بعد النقر على زر التقطيع .

3. الطباعة والمعالجة اللاحقة

  1. اختر ملف .ctb المقابل لتجميع شريحة وموصل الميكروفلويد وابدأ عملية الطباعة.
    تحذير: بينما تهدف الطابعات ثلاثية الأبعاد المعتمدة على الراتنج للاستخدام في البيئات المنزلية، يمكن أن تصدر مواد الراتنج مركبات عضوية متطايرة قد تكون خطرة (VOCs). لذلك، ينصح بتشغيل الطابعة ثلاثية الأبعاد داخل غطاء بخار كيميائي، أو في مكان يحتوي على تهوية كافية.
  2. راقب عملية الطباعة بشكل دوري. تستغرق الطباعة النموذجية لهذا التصميم حوالي 3-4 ساعات حسب خصائص الراتنج وسرعة الطابعة.
  3. بعد الطباعة، قم بإزالة الجهاز المطبوع بعناية من لوحة البناء باستخدام مكشطة بلاستيكية ورش النموذج المطبوع فورا بإيثانول بنسبة 90٪ لإزالة الراتنج غير المعالج.
    تحذير: الراتنج غير المعالج يمكن أن يسبب حروقا كيميائية شديدة. تأكد من ارتداء معدات الحماية الشخصية (PPE) المناسبة، بما في ذلك القفازات، ومعطف المختبر، والنظارات الواقية، أثناء التعامل مع الأجهزة حتى يتم معالجتها وتنظيفها بالكامل. يجب التعامل مع الإيثانول المستخدم في غسل العينات المطبوعة في مكان جيد التهوية. تأكد من ارتداء معدات الحماية الشخصية، بما في ذلك القفازات وحماية العين.
  4. بينما الطباعة لا تزال ناعمة، تحقق من أن جميع الثقوب الصغيرة والقنوات والمناطق الملولبة واضحة ومتاحة. إذا لزم الأمر، استخدم بلطف أدوات صغيرة مثل رأس الماصة أو إبرة دقيقة القياس لإزالة أي مناطق مسدودة جزئيا أو مسدودة. استخدم هواء مضغوطا أو حقنة مملوءة بالإيثانول لغسل القنوات وتأكيد القاعة.
  5. اغمر النموذج المطبوع بالكامل في 99٪ إيثانول لمدة 2-3 دقائق، مع إذابة الراتنج المتبقي غير المعالج وضمان تنظيف جميع القنوات الدقيقة والشقوق بدقة.
  6. ضع الطباعة النظيفة في غرفة معالجة بالأشعة فوق البنفسجية. تعرض كل جانب من الشريحة المطبوعة بشكل متساو لأشعة UV لمدة تقارب 30 ثانية لكل جانب. التعرض الموحد يمنع التشوه ويضمن استقرار الأبعاد.
    تحذير: ارتد دائما نظارات واقية من الأشعة فوق البنفسجية أثناء إجراءات المعالجة بالأشعة فوق البنفسجية لمنع تلف العين.
    ملاحظة: يحتوي صندوق المعالجة على مصباح عالي الشدة بقطر 405 نانومتر. نظرا لأن الجزء شفاف إلى حد كبير والمصباح يحمل على ارتفاع 10 سم فوق الجزء، يحدث التصلب بسرعة. أظهرت التجارب مع فترات تعريض مختلفة للمصباح أن 6 ثوان من وقت المصباح، تليها 3 ثوان مع تدوير الجزء، فعالة. توصي الشركة المصنعة بالتجفيف إما بمحطة معالجة طبية مضبوطة لمدة 30 دقيقة ودقيقة فارغة على التوالي.
  7. بعد التصلب، اغمر أو اشطف الطباعة لفترة وجيزة في الإيثانول، ثم وضعها في كيس زيبلوك مغلق يحتوي على الإيثانول لمنع الجفاف والتصلب اللاحق للراتنج في المناطق غير المقصودة.
  8. ضع الكيس المغلق مع الإيثانول والنموذج المعالج في منظف بالموجات فوق الصوتية. Sonicate لدورة 180 ثانية لإزالة أي راتنج أو ملوثات متبقية غير معالجة.
    ملاحظة: بدلا من ذلك، يمكن استخدام محطات الغسل والتصلب التجارية المتوفرة لتوحيد المعالجة اللاحقة عبر المختبرات.
  9. بعد التصويب، اشطف الجهاز المطبوع جيدا بالماء المقطر.
  10. قم بتنفيذ خطوة التنظيف النهائية برش الجهاز وغمر الجهاز مرة أخرى في 90٪ إيثانول. إذا لزم الأمر، كرر التنظيف بالموجات فوق الصوتية لمدة 180 ثانية إضافية لضمان النظافة الكاملة.
  11. بعد التصلب بعد التصلب، قم بتلميع سطح الجزء بعناية باستخدام ورق صنفرة 440. يتم تثبيت الموصلات الملولبة التي سيتم إدخالها في شريحة الخلط بنفس العملية، مع الشرط بأن يتم طباعة وغسل ومعالجة ثلاثة موصلات في نفس الوقت عن طريق وضعها بجانب بعضها البعض على الطابعة، وفي صندوق ما بعد التصلب، وداخل الزيبلوك المحتوي على الإيثانول. اشطف مرة أخرى بالماء المقطر واتركه يجف بالهواء أو جففه بلطف بالهواء المضغوط لإزالة أي ماء متبق.
    ملاحظة: تظهر صور خطوة بخطوة لعملية الطباعة في الشكل التكميلي 1.

4. تلميع السطح وسد قناة الميكروفلويديك

  1. لتحقيق نعومة لرؤية أوضح وإغلاق جيد، استخدم حجر زجاجي لتلميع سطح شريحة الميكروفلويد.
  2. أولا، استخدم حجر زجاجي بحجم 2.45 ميكرون (6,000 شبكة) (نطاق الحصى ~1.5-2.3 ميكرومتر) لتلميع السطح العلوي حتى يصبح أملسا بشكل متجانس. ثم تعزز السطح أكثر من خلال التلميع بحجر أدق بحجم 0.92 ميكرون (16,000 شبكة) (نطاق الحصى ~0.76-1.5 ميكرومتر). سيضمن ذلك نهاية أكثر سلاسة (الشكل الإضافي 2).
  3. أغلق القناة الصغيرة باستخدام لاصقة شفافة مقاومة للماء وشريط لاصق. تأكد من أن الشريط يغطي كامل منطقة القناة مع الحفاظ على فتحات الموصلات والمنافذ غير مسدودة (انظر الشكل 1).
  4. أولا، ضع الشريط من جانب واحد من الشريحة، ثم اضغط بلطف ولكن بحزم بإبهامك لضمان التصاق متساو والتخلص من فقاعات الهواء.
  5. استخدم مقصا حادا أو سكينا لقص الشريط الزائد من حواف الشريحة، لضمان قطع الموصل بشكل نظيف وبقاؤه وظيفيا.
  6. اخبز السلايد المصور على درجة حرارة 60 درجة مئوية لمدة 30 دقيقة لتعزيز قوة الارتباط.
  7. بعد التبريد، ضع جل السوبر غلاء لتثبيت الموصلات على حافة السلايد. طبق ضغطا لطيفا على كل موصل أثناء تثبيت الغراء لضمان المحاذاة الصحيحة، مما يسهل توصيلات أنابيب موثوقة لمناولة السوائل.
    ملاحظة: الصورة التمثيلية للجهاز المطبوع التي تظهر شفافية بصرية كافية موضحة في الشكل الإضافي 3.

5. إعداد واختبار تدفق السوائل

  1. تحميل محاليل الاختبار المطلوبة في حقنتين منفصلتين (المسماة السرنجية A والمحقنة B؛ الشكل 1). لتوليد التدرج، استخدم محللين: (1) محلول متساوي يتكون من محلول ملحي مخزن بالفوسفات (PBS)، و(2) محلول فائق التناظع يتكون من 40٪ (v/v) ثنائي ميثيل كبريتسيد (DMSO) مع 1.2 مليون كلوريد الصوديوم (NaCl) المعد في PBS.
    ملاحظة: أنشأ الجهاز تدرجات تركيز خطية تتراوح من ظروف متساوية الأسموز تقريبا (~300 mOsm/kg) إلى حالات فرط الأسموزية الشديدة (~9,000 mOsm/kg) والعودة إلى إيزوتونية على فترات زمنية محددة.
  2. استخدم حقن زجاجية محكمة الإغلاق للغاز بدقة للتحكم الدقيق في تدفق السوائل وتنظيم الضغط. قم بتثبيت الحقن على السلايد باستخدام وصلات 1/4"-28"، وأنابيب OD PEEK بقياس 1/16".
  3. بعد تثبيت الحقن والأنابيب بأمان على جهاز الميكروفلويد، قم بتركيب المحاقن على مضخات حقن دقيقة قابلة للبرمجة.
  4. قم بتوصيل مضختي الحقنة (المضخة A والمضخة B) ببعضهما البعض باستخدام كابل الشبكة المقدم، لضمان التشغيل المتزامن.
  5. قم بتوصيل مضخة A بجهاز كمبيوتر مزود بكابل RS232 موصول بمنفذ الكمبيوتر التسلسلي.
  6. قم بضبط المضخة C أسفل جهاز الميكروفلويديك في وضع السحب للحفاظ على تدفق ثابت ومنع تراكم الضغط.
  7. شغل السكريبت المعتمد على بايثون للتحكم بدقة في تدفق السوائل من مضخات الحقنة. سيدير المضخة A وB لإنشاء تدرج أسموزي خطي من ISO إلى ظروف فائقة التنازيز، يليه العودة إلى الظروف المتساوية الأسموزية على فترات زمنية محددة من قبل المستخدم.
  8. قم بضبط المعلمات التجريبية مثل معدل التدفق، وفترات التدرج، وإجمالي وقت التشغيل في برنامج بايثون لتخصيص ظروف التجربة لمتطلبات الفحص المحددة.

الوصول مقيد. يرجى تسجيل الدخول أو بدء فترة تجريبية لعرض هذا المحتوى.

النتائج

يوضح الشكل 1 الإعداد العام لجهازنا

figure-results-1
الشكل 1: إعداد النظام.من اليسار إلى اليمين، يسمح برنامج التحكم المبني على بايثون بإنشاء منحنيات زمنية مقابل تركيزية دقيقة عن طريق تغيير معدلات الضخ في مضخات الحقنة A و B. يتدفق السائل من المحاقن الزجاجية عبر أنابيب كيتون الإيثر البولي إيثر (PEEK) للخلط في الخلاط المي...

الوصول مقيد. يرجى تسجيل الدخول أو بدء فترة تجريبية لعرض هذا المحتوى.

المناقشة

عادة ما تكون غرف خلط الميكروفلويدكس مكونات باهظة الثمن تصنع بتكوينات محددة مسبقا. توضح هذه المخطوطة كيف يمكن النماذج الأولية السريعة والشيفرة المخصصة المختبرات من تطوير غرف الخلط بسرعة، مما يسهل مجموعة واسعة من الإعدادات التجريبية.

نقوم بالتحقق من الخلط الكامل باستخدام تحليل اللونية والقياس الأسمومتري. تمت مقارنة القياسات الأسموزية بشكل أوسع مع القيم النظرية المحسوبة بناء على تركيز الخليط. تحليل الألوان وقياس الأوسومومترية يدعمان أداء هذه الشريحة وكذلك الشريحة...

الوصول مقيد. يرجى تسجيل الدخول أو بدء فترة تجريبية لعرض هذا المحتوى.

الإفصاحات

المؤلفون ليس لديهم ما يكشفون عنه.

شكر وتقدير

تم تمويل هذا العمل من قبل المجلس الوطني لأبحاث العلوم والهندسة (RGPIN-2023-04007) والمعاهد الكندية لأبحاث الصحة (PJT-175283).

الوصول مقيد. يرجى تسجيل الدخول أو بدء فترة تجريبية لعرض هذا المحتوى.

المواد

قائمة المواد المستخدمة في هذه المقالة
الاسمالشركةرقم فهرسيالتعليقات
1/16" OD Peek أنابيب الشعيرات الدموية – 65 وميكرو؛ m قطر داخليIDEX للصحة والعلوم، الولايات المتحدة الأمريكيةSKU: ID-15601.5 متر، مقطعة إلى أقسام أصغر. تم شراؤه من داروين ميكروفلويديكس
مصباح معالجة راتنج الأشعة فوق البنفسجية لطابعة ثلاثية الأبعاد وما إلى ذلك؛ 230 فولت 405 نانومترسكوفي، الصينيستخدم كمحطة تصلب بعد التصلب بوضعه في صندوق ستيرافوم أبيض مع جزء راتنج ل~6 S
3 حقن زجاجية بإحكام 1/4-28 من UNF – 5 ملهاميلتون، الولايات المتحدة الأمريكيةSKU: HM-10103664تسمح تركيبة 1/4-28 بالاتصال ب 1/16" أنابيب التسلق. تم شراؤه من داروين ميكروفلويديكس
ثنائي ميثيل كبريتسيد (DMSO)، معتمد من ACSفيشر ساينتيفيك، الولايات المتحدة الأمريكيةCat.No: D128-1تم شراؤها من فيشر ساينتيفك
معيار معايرة مجموعة ELITech، 850 MOSM/Kمجموعة إليتيك، الولايات المتحدة الأمريكيةVCAT: SS-277، كات. لا: NC1876875تم شراؤها من فيشر ساينتيفك
معيار معايرة ELITechGroup، 300 MOSM/Kمجموعة إليتيك، الولايات المتحدة الأمريكيةVCAT: SS-276، القط. لا: NC1876872تم شراؤها من فيشر ساينتيفك
تركيبات فلانجليس PFA & ETFE فيريولز 1/4"-28 إلى 1/16"  IDEX للصحة والعلوم، الولايات المتحدة الأمريكيةرمز الصورة: ID-XP-245Xعبوة 10، تم شراؤها من داروين ميكروفلويدكس
تلوين الطعامنادي هاوس، كندا
مقياس التسميم نقطة تجميد بنقطة تجميد 6000Pمجموعة إليتيك، الولايات المتحدة الأمريكيةالطراز: 6000P
أوعية قياس نقطة التجميدمجموعة إليتيك، الولايات المتحدة الأمريكيةVCAT: SS-279، كات. لا: NC1876881تم شراؤها من فيشر ساينتيفك
جل الغراء الفائق غوريلا  شركة غوريلا للغراء، الولايات المتحدة الأمريكيةhttps://gorillatough.com/product/gorilla-super-glue-gel/
خلاط عظم السمك - شريحة زجاجيةمصنع الأشياء الصغيرةوحدة الاستخبارات: LTF-012.00-4264تم شراؤه من داروين ميكروفلويديكس
الوسائط الفائقة التناقضية - 40٪ DMSO (v/v) مع 1.2 مليون NaClصنع في المختبر
Ibidi µ-Slide VI 0.4 – ibiTreatإيبيدي، ألمانياCat.No: 80606
الوسط التساوي - السيلفا هيكلون فوسفات المحلول المحلول المخزن (PBS)سايتيفا، الولايات المتحدة الأمريكيةCat.No: SH3025601تم شراؤها من فيشر ساينتيفك
ستيريوسكوب موتيكموتيك، هونغ كونغالنموذج:  SMZ-168 TLED
مضخات الحقن NE1000 SyringONEشركة نيو إيرا بامب سيستمز، الولايات المتحدة الأمريكيةالطراز: 1010-USتم شراؤها من شركة نيو إيرا بامب سيستمز إنك.
طابعة فروزن سونيك ميني 8K ثلاثية الأبعادشركة فروزن تك المحدودة، تايوان (R.O.C.)فروزن سونيك ميني 8k
كابل الشبكة الأساسية RS-232 من المضخة إلى الحاسوب الشخصيشركة نيو إيرا بامب سيستمز، الولايات المتحدة الأمريكيةالطراز: CBL-PC-PUMP-7 (كابل 7 أقدام)محول تسلسلي إلى RS232 ذو 9 دبابيس، تم شراؤه من شركة New Era Pump Systems Inc.
كابل الشبكة الثانوية من مضخة إلى مضخةشركة نيو إيرا بامب سيستمز، الولايات المتحدة الأمريكيةالطراز: CBL-NET-7 (كابل 7 أقدام)كابل RS232، تم شراؤه من شركة New Era Pump Systems Inc.
راتنج - باور ريزينز سوجيكال دليل: راتنج 1000 GRباورريزينز، 3BFab Inc، Tü؛ rkiyeالمرجع: PSG-03-C
كابل محول RS-232 إلى USBبروليفاكت تكنولوجي، تايوان (جمهورية أورك)الطراز: CBL-USB232تم شراؤها من شركة نيو إيرا بامب سيستمز إنك.
شريط ختم الشريحة - شريط غوريلا شفاف 1.88" × 9 يارداتشركة غوريلا للغراء، الولايات المتحدة الأمريكية
كلوريد الصوديوم (NaCl)EMD ميليبور، ميليبورسيغما، ألمانياكات. لا: M1064041000تم شراؤها من فيشر ساينتيفك

المراجع

  1. Samandari, M., et al. A simple, low cost and reusable microfluidic gradient strategy and its application in modeling cancer invasion. Sci Rep. 11 (1), 1-11 (2021).
  2. Sackmann, E. K., Fulton, A. L., Beebe, D. J. The present and future role of microfluidics in biomedical research. Nature. 507 (7491), 181-189 (2014).
  3. Zhao, G., Fu, J. Microfluidics for cryopreservation. Biotechnol Adv. 35 (2), 323-323 (2017).
  4. Sweet, E., et al. 3D microfluidic gradient generator for combination antimicrobial susceptibility testing. Microsyst Nanoeng. 6, 92(2020).
  5. Bhattacharjee, N., Urrios, A., Kang, S., Folch, A. The upcoming 3D-printing revolution in microfluidics. Lab Chip. 16 (10), 1720-1720 (2016).
  6. Nielsen, A. V., Beauchamp, M. J., Nordin, G. P., Woolley, A. T. 3D printed microfluidics. Annu Rev Anal Chem. 13 (1), 45-65 (2020).
  7. Leong, K. M., et al. Democratizing access to microfluidics: rapid prototyping of open microchannels with low-cost LCD 3D printers. ACS Omega. 9 (45), 45537-45544 (2024).
  8. Qiu, J., et al. 3D printing of individualized microfluidic chips with DLP-based printer. Materials. 16 (21), 6984(2023).
  9. Carnero, B., Bao-Varela, C., Gómez-Varela, A. I., Álvarez, E., Flores-Arias, M. T. Microfluidic devices manufacturing with a stereolithographic printer for biological applications. Mater Sci Eng C Mater Biol Appl. 129, 112388-112388 (2021).
  10. Ahmed, I., Sullivan, K., Priye, A. Multi-resin masked stereolithography (MSLA) 3D printing for rapid and inexpensive prototyping of microfluidic chips with integrated functional components. Biosensors (Basel). 12 (8), 652(2022).
  11. Razavi Bazaz, S., et al. 3D printing of inertial microfluidic devices. Sci Rep. 10 (1), 5929(2020).
  12. Naderi, A., Bhattacharjee, N., Folch, A. Digital manufacturing for microfluidics. Annu Rev Biomed Eng. 21, 325-325 (2019).
  13. Duong, L. H., Chen, P. C. Simple and low-cost production of hybrid 3D-printed microfluidic devices. Biomicrofluidics. 13 (2), 024108(2019).
  14. Felton, H., Hughes, R., Diaz-Gaxiola, A. Negligible-cost microfluidic device fabrication using 3D-printed interconnecting channel scaffolds. PLoS One. 16 (2), e0245206(2021).
  15. Lake, J. R., Heyde, K. C., Ruder, W. C. Low-cost feedback-controlled syringe pressure pumps for microfluidics applications. PLoS One. 12 (4), e0175089(2017).
  16. Shafique, H., et al. High-resolution low-cost LCD 3D printing for microfluidics and organ-on-a-chip devices. Lab Chip. 24 (10), 2774-2790 (2024).
  17. Waheed, S., et al. 3D printed microfluidic devices: enablers and barriers. Lab Chip. 16 (11), 1993-2013 (2016).
  18. Liu, J., Hwang, H. H., Wang, P., Whang, G., Chen, S. Direct 3D-printing of cell-laden constructs in microfluidic architectures. Lab Chip. 16 (8), 1430-1438 (2016).
  19. Zhao, L., Wang, X. 3D printed microfluidics for cell biological applications. TrAC Trends Anal Chem. 158, 116864-116864 (2023).
  20. Elliott, J. A. W., Prickett, R. C., Elmoazzen, H. Y., Porter, K. R., McGann, L. E. A multisolute osmotic virial equation for solutions of interest in biology. J Phys Chem B. 111 (7), 1775-1785 (2007).

الوصول مقيد. يرجى تسجيل الدخول أو بدء فترة تجريبية لعرض هذا المحتوى.

إعادة الطباعة والأذونات

الوسوم

الموائع الدقيقة المطبوعة ثلاثية الأبعادتوليد التدرجخلط المحاليلمضخات الحقنالتدرجات الاسموزيةالتطبيقات الطبية الحيويةتصميم القنوات المفتوحةالأتمتة باستخدام لغة بايثون (Python)

تم نشر هذه المقالة

الفيديو قريباً

تواصل معنا
أوصِ به للمكتبة

الخصوصية

شروط الاستخدام

السياسات

حقوق الطبع والنشر © 2026 MyJoVE Corporation. جميع الحقوق محفوظة.