عالية السرعة نظام تسليم القطرة ومقرها سلبية الضخ في أجهزة ميكروفلويديك

يتطلب الضخ السلبي قطرة كبيرة توضع في المخرج وقطرة صغيرة توضع عند المدخل. سيؤدي ذلك إلى اختلاف الضغط اللازم لدفع التدفق. ستؤدي القطرات المتناوبة من السوائل المختلفة إلى نقل العبوات في القناة وجمعها في النهاية عند المخرج.

يمكن تحقيق معدلات تدفق عالية من خلال توصيل قطرات منخفضة الحجم بتردد مرتفع بما يكفي لتحقيق غلاف سائل مستقر عند المدخل. مرحبا ، أنا بيدرو ريتو من مختبر جاستن ويليامز في قسم الهندسة الطبية الحيوية بجامعة ويسكونسن للطب. وأنا بريان موغان ، أيضا من مختبر ويليامز.

وأنا آرون بورير من مختبر البروفيسور إس ، أيضا في قسم الهندسة الطبية الحيوية في دبليو ميديسن. سنعرض لكم اليوم إجراء لإجراء الضخ السلبي في أجهزة الموائع الدقيقة. في مختبرنا ، نستخدم هذا الإجراء لدراسة التدفق داخل القنوات الدقيقة ودراسة التبادل السائل داخل القناة للتطبيقات البيولوجية.

لذلك دعونا نبدأ. أولا ، باستخدام تقنية الطباعة الحجرية الناعمة ، قم بإنشاء جهاز ميكروفلويديك باستخدام بولي ميثيل سوبوكسون. بعد ذلك ، قم بقطع الجهاز ثم عكسه.

قم بتوصيل جهاز PDMS بشريحة زجاجية عن طريق الضغط عليه على الشريحة والضغط على أي فقاعات هواء. يسمح المرفق القابل للانعكاس بإعادة استخدام الجهاز عدة مرات. الآن املأ الجهاز بالسائل.

نستخدم الماء مع تلوين الطعام. إذا لم يدخل السائل إلى القناة من تلقاء نفسه ، فضع قطرة من السائل عند المدخل واستخدم ماصة في الطرف الآخر لامتصاص السائل عبر القناة. بعد ملء الجهاز بالسائل ، ضع قطرة صغيرة على المدخل وقطرة أكبر على المخرج.

تأكد من أن السائل يتحرك من خلال مشاهدة القطرة الصغيرة عند المدخل تنهار بينما يزداد انخفاض المخرج. قبل أن نذهب إلى أبعد من ذلك ، دعنا نشرح العلاقات الأساسية للضخ السلبي. تعتمد ديناميكيات القطرات التي يتم ضخها على عدة أشياء ، وأبعاد القناة مع الارتفاع والطول ، وعلى حجم القطرة الموضوعة عند المدخل.

لإعطائك فكرة أفضل عن كيفية تأثير هذه العوامل على التدفق ، سنقدم بعض الأمثلة. لنبدأ بقناتين متشابهتين. لديهم نفس العرض والارتفاع ، لكن أحدهما أطول من الآخر.

الآن نضع قطرات من نفس الحجم عند مدخل كل قناة. شاهد كيف يتراوح إسقاط مدخل القنوات الأقصر بشكل أسرع من انخفاض القنوات الأطول. وذلك لأن القناة الأطول تتمتع بمقاومة أكبر للسوائل والتدفق بداخلها أبطأ.

بعد ذلك ، دعنا نستكشف قناتين أخريين بنفس الطول والارتفاع ، ولكن بعرض مختلف. دعنا نضع قطرات متطابقة عند مدخل كل قناة ونشاهدها تنهار. انظر كيف تستغرق القناة الأقل سمكا وقتا أطول لطي انخفاض المدخل؟

وذلك لأن القناة الرقيقة تمتلك مقاومة سائلة أكبر من القناة الأوسع. أخيرا ، لنأخذ قناتين متطابقتين ونضع قطرات مختلفة الحجم عند مدخل كل منهما. لاحظ كيف أن انخفاض المدخل الأكبر يستغرق وقتا أطول للانهيار من انخفاض المدخل الأصغر.

وذلك لأن القطرة الأصغر لها حجم أقل وضغط داخلي أكبر من القطرة الأكبر. مع العلم أن القطرات الصغيرة أفضل من القطرات الكبيرة. وبعد أن لاحظنا مدى سرعة انهيار هذه القطرات الصغيرة ، نسأل أنفسنا الآن كيف نرسل قطرات دقيقة حجميا إلى مدخل القناة بطريقة يمكننا من خلالها إجراء تجارب بيولوجية.

باستخدام مجموعة بدء الاستغناء الجزئي لشركة Lee Company ، قم بتجميع صمامات واحدة أو أكثر يتكون كل منها من صمام vol ، وفوهة بحجم فتحة 0.0100 بوصة ، ومحول أنبوب ناعم. إذن لدينا هنا الصمام المتصل بصندوق التحكم عبر موصلات صمام الأنبوب، وهو ما فعلناه في الخطوة السابقة. ثم لدينا مصدر جهد سبايك، وهو هذا الجذر هنا.

ثم لدينا مصدر جهد التحكم الخاص بنا ، متبوعا بمصدر جهد التعليق. وأخيرا ، فيما يتعلق بالأرض لتثبيت الصمامات في مكانها أثناء التصويب على المدخل. استخدم أدوات العلوم البيولوجية ، حاملات مصغرة.

توفر هذه طريقة لتصويب الصمام بدقة وتثبيته في موضع معين. أثناء التجريب ، باستخدام محاقن ثلاثة أرباع أونصة ، قم بعمل نظام خزان ليتم وضعه على بعد بضعة أقدام فوق جهاز PDMS. يوفر الخزان رأس ضغط لتشغيل الفتحات.

نعلق إبرة حقنة على المحقنة. الآن قم بتوصيل إبرة المحقنة بأنبوب داخلي 1.14 ملم ، ثم قم بإرفاقها بأنبوب بقطر داخلي 1.58 ملم. استخدام PDMS كمادة مانعة للتسرب.

الآن قم بتوصيل الأنبوب ذو القطر الداخلي 1.58 ملم بمحول الأنبوب الناعم للصمام. الآن بعد أن أصبح هناك خط بين إبرة المحقنة والصمام ، املأ خزانات الحقنة بالسائل لتطهير الصمامات والسماح بملء الأنبوب بالماء. ضع مغناطيسا على جانب الصمام وشاهد السائل يبدأ في التدفق من الخزان عبر الصمام ويخرج من فوهة 0.01 بوصة.

نحن نتحكم في هذا النظام باستخدام جهاز كمبيوتر باستخدام عرض المختبر وصندوق التحكم في السنبلة والتعليق الخاص بشركة Lee. لمعايرة النظام ، صوب صماما واحدا إلى طبق بتري أو قارب مصل اللبن للوزن. افتح الآن الصمام لأي مقدار من الوقت تختاره وقم بوزن الحجم الكلي للمياه الخارجة من الفوهة.

اقسم هذا الحجم على إجمالي وقت فتح النظام. تسمح هذه المعايرة للمستخدم بالعثور على حجم الماء الذي يخرج من الفوهة لأي فترة زمنية معينة. بعد معايرة النظام ، قم بتوجيه الفوهة إلى مدخل القناة بناء على تصوير المعايرة السابقة من الفوهة ، وهو حجم بحيث يتم إطلاق قطرة عند مدخل القناة دون أن تكون كبيرة جدا بحيث لا تسبب فوضى أو صغيرة جدا بحيث لا يمكن أن يلاحظها أحد.

تذكر إزالة الفقاعات بين التجارب. الآن بعد أن تم فهم المبادئ الأساسية للضخ السلبي وشرح معايرة النظام ، دعنا نلقي نظرة على ما يجب أن يراه المستخدم إذا كانت الأمور تسير على ما يرام. الفيديو التالي عبارة عن تدفق عبر قناة موائع دقيقة تنتقل من أحجام أعلى عند ترددات منخفضة إلى أحجام منخفضة عند الترددات العالية.

يجب أن يمنح هذا المستخدم فهما لقدرات الضخ السابق جنبا إلى جنب مع نظام توصيل السوائل الآلي. أبعاد الجهاز المستخدمة في مقاطع الفيديو التالية هي 2.22 ملم عرض وطول 10 ملم و 260 ميكرومتر. يبلغ طول مدخل ومخرج القطر 1.78 ملم و 5.11 ملم على التوالي.

من الضروري وجود صمامين أو أكثر لإنشاء تدفقات متناوبة كما هو موضح. التالي هو مقطع فيديو يوضح الحد الأقصى لمعدل التدفق الممكن من الجهاز الحالي المستخدم. يتم استخدام صمام واحد لتوصيل السوائل في هذه الحالة.

للحفاظ على توازن النظام ، من المهم توجيه الصمام مباشرة من أعلى المدخل. لاحظ القشرة التي تشكلها القطرة عند المدخل. يمثل هذا الضغط المستمر الذي يتم الحفاظ عليه عن طريق توصيل المياه إلى المدخل بأسرع ما يمكن للجهاز ضخه بشكل سلبي.

أيضا كيف يفيض انخفاض المدخل في مرحلة ما. يحدث هذا على الأرجح بسبب الاضطراب ، انخفاض المخرج. عن طريق إزالة الفائض عند المدخل ، يستعيد النظام التوازن ويستمر التدفق.

عادة ، أوضحنا لك للتو كيفية إعداد ومعايرة وتشغيل نظام ضخ سلبي باستخدام الفوهات الدقيقة المتوفرة تجاريا. عند إجراء هذه التجارب ، من المهم دائما أن تتذكر أن يكون لديك مصدر ضغط ثابت لتجنب دخول الفقاعات إلى قناتك ، ومعرفة المقايضات بين هندسة القناة ، وانخفاض حجم القناة من أجل تحقيق التدفقات والتبادلات المطلوبة. لعدم ترك انخفاض المخرج يصبح كبيرا جدا ، على سبيل المثال ، سيؤدي ذلك إلى حدوث فوضى أو الوصول إلى مدخلك والحفاظ على أجهزة PDMS نظيفة وجافة.

هذا كل شيء. شكرا لك على المشاهدة ونتمنى لك السعادة لتجاربك.