الخرز وفصل الخلايا في أجهزة ميكروفلويديك متعدد القنوات باستخدام Dielectrophoresis وتدفق رقائقي
February 4th, 2011
Dielectrophoresis (DEP) هو وسيلة فعالة لمعالجة الخلايا. ويمكن لوحات الدوائر المطبوعة (PCB) توفير أقطاب رخيصة ، قابلة لإعادة الاستخدام وفعالة للاتصال خالية من التلاعب خلية داخل أجهزة ميكروفلويديك. من خلال الجمع بين PDMS المستندة إلى قنوات ميكروفلويديك مع coverslips على الكلور ، ونحن تثبت التلاعب حبة والخلية والانفصال داخل الأجهزة ميكروفلويديك الأقنية.
الهدف العام من هذا الإجراء هو معالجة الخلايا والخرز داخل أجهزة الموائع الدقيقة باستخدام الرحلان الكهربائي D أو DEP باستخدام لوحات الدوائر المطبوعة أو مركبات ثنائي الفينيل متعدد الكلور. يتم تحقيق ذلك من خلال تصميم وإعداد أقطاب ثنائي الفينيل متعدد الكلور وقنوات الموائع الدقيقة أولا. الخطوة الثانية من الإجراء هي تحضير مجموعة الموائع الدقيقة ثنائي الفينيل متعدد الكلور ومحاليل الخرز والخلايا.
الخطوة الثالثة من الإجراء هي ملء القنوات بوسائط منخفضة الموصلية ، ثم تحميل الخرز والخلايا. تتمثل الخطوة الأخيرة من الإجراء في توصيل مجموعة ثنائي الفينيل متعدد الكلور بمضخم الطاقة ومولد الوظائف ، ثم بدء DEP. في النهاية ، يمكن الحصول على نتائج تظهر فصل الخلايا والخرز ومعالجتها في أجهزة الموائع الدقيقة من خلال استخدام DEP.
بشكل عام ، سيكافح الأفراد الجدد في هذه الطريقة لأن مبادئ DEP يجب أن يفهمها المستخدم من أجل تطوير قطب كهربائي فعال يعمل مع جهاز ميكروفلويديك للخلية المطلوبة ، أو التلاعب بالخرزة. من ناحية أخرى ، فإن استخدام مركبات ثنائي الفينيل متعدد الكلور كأقطاب كهربائية ، يجعل تشغيل الخلايا والخرز في أجهزة الموائع الدقيقة يمكن الوصول إليه لمجموعة من التخصصات العلمية. تتمثل الخطوة الأولى في هذا الإجراء في تصميم لوحة الدوائر المطبوعة أو أقطاب ثنائي الفينيل متعدد الكلور للحصول على الهندسة المطلوبة لتوليد مجال كهربائي غير منتظم.
عند اكتمال التصميم ، اطلب رقائق قطب ثنائي الفينيل متعدد الكلور المخصصة من خلال منشأة تصنيع تجارية. بعد وصول ثنائي الفينيل متعدد الكلور المصنوع حسب الطلب ، افتحه وفحصه بحثا عن هذا العرض التوضيحي. يبلغ طول ثنائي الفينيل متعدد الكلور 8.4 سم وعرضه 2.1 سم.
يبلغ عرض الأقطاب الكهربائية المعدنية خمسة ملليمترات. في هذا المثال، تحتوي الأقطاب الكهربائية على شريطين معدنيين طويلين ومنطقتين عرضيتين بطول 4.5 ملم حيث تكون الأقطاب المتداخلة. تولد هذه المناطق المتداخلة مجالا كهربائيا قويا غير منتظم لإنشاء اتصال من المحفز إلى قطب ثنائي الفينيل متعدد الكلور.
ضع سلكا قياس 16 على نهاية القطب. استخدم مكواة لحام ساخنة لتثبيت السلك في مكانه على المنطقة المعدنية لثنائي الفينيل متعدد الكلور. هذا يسخن السلك.
أمسك اللحام بالسلك الساخن واترك كمية صغيرة من اللحام تتدفق إلى السلك. بعد ملء السلك باللحام ، قم بإزالة مكواة اللحام التي تثبت السلك في مكانه بينما يبرد اللحام. كرر عملية اللحام للتوصيل الكهربائي الآخر على ثنائي الفينيل متعدد
الكلور.الخطوة التالية هي تحضير قنوات الموائع الدقيقة بنمط التفرع المطلوب. باستخدام تقنيات التصنيع الدقيقة القياسية ، قم بإنشاء قالب رئيسي لتحديد القنوات باستخدام رقاقة السيليكون و SU ثمانية مقاومة للضوء. يحتوي هذا القالب الرئيسي على قناة إدخال واحدة وثلاث قنوات مستهدفة.
عرض القنوات 100 ميكرومتر ، وارتفاع القنوات 27 ميكرومتر. بمجرد إنشاء القالب الرئيسي ، امزج المطاط الصناعي polymethyl LAANE أو PDMS مع عامل معالجة عند 10 إلى 1 انتظر نسبة الوزن لمدة خمس دقائق. صب PDMS السائل على قالب SU 8 الرئيسي الجاهز وقم بإزالة فقاعات الهواء عن طريق تعريض PDMS السائل لفراغ لمدة ثلاث دقائق.
كرر عملية التفريغ إذا لزم الأمر لإزالة جميع الفقاعات تماما. يمكن استخدام تيار من غاز النيتروجين لإزالة الفقاعات الزائدة إذا لزم الأمر. عالج PDMS في فرن على حرارة 70 درجة مئوية لمدة ساعتين.
استخدم شفرة حلاقة لإزالة مختبر P-D-M-S-S مع قنوات الموائع الدقيقة من الرقاقة. الحرص على عدم كسر الرقاقة مع رفع مساحة القناة. استخدم ثقب الخزعة لعمل ثقوب لإدخال السوائل والخلايا في جهاز الموائع الدقيقة. اقتضب.
أي نظام إدارة معلومات رقمية زائد. افحص جهاز الموائع الدقيقة للتأكد من خلوه من الغبار والحطام. استخدم شريط 3M Scotch Magic لتنظيف PDMS.
قم بتعريض قنوات PDMS وانزلاق غطاء الرقم الصفري النظيف بسمك 80 إلى 130 ميكرومتر لغاز البلازما لمدة 1.5 دقيقة. قم بإزالة مختبر PDMS وانزلاق الغطاء من منظف البلازما في رابطة بلازما طبق بتري ، وتقوم قنوات الموائع الدقيقة PDMS القائمة على زلة الغطاء بتسخين مجموعة الموائع الدقيقة ذات الانزلاق على لوح ساخن على 100 درجة مئوية لمدة 15 دقيقة على الأقل. تتمثل الخطوة الأخيرة في إعداد جهاز الموائع الدقيقة في وضع قنوات PDMS وانزلاق الغطاء فوق أقطاب ثنائي الفينيل متعدد الكلور.
ابدأ بوضع ما يقرب من 10 ميكرولتر من الزيت المعدني على ثنائي الفينيل متعدد الكلور. لضمان اتصال محكم بين ثنائي الفينيل متعدد الكلور وانزلاق الغطاء ، ضع مجموعة قناة الموائع الدقيقة ذات زلة الغطاء على ثنائي الفينيل متعدد الكلور المغطى بالزيت مع زلة الغطاء. عند ملامسة الزيت ، اضغط برفق على مجموعة الموائع الدقيقة ذات الانزلاق للغطاء لضمان ملامسة جيدة وتقليل فقاعات الهواء التي يمكن أن تنتقص من تصور الخلية والخرزة.
خطوة أخرى مهمة هي تحضير مزيج الوسائط منخفضة الموصلية ، 8.5٪ سكروز و 0.3٪ من وزن الجلوكوز إلى الحجم في الماء منزوع الأيونات. أصبح جهاز الموائع الدقيقة جاهزا الآن للاستخدام باستخدام ماصة تملأ كل قناة ميكروفلويديك ب 15 إلى 20 ميكرولترا من وسائط الموصلية المنخفضة إذا لزم الأمر. استخدم الشفط بالفراغ لإزالة أي فقاعات في القنوات.
الخطوة التالية هي إدخال جزيئات الاختبار في جهاز الموائع الدقيقة. يستخدم هذا العرض تعليقا من 550 حبة من البوليسترين لكل ميكرولتر من الوسائط منخفضة الموصلية ، حيث يمكن للحبات أن تستقر بمرور الوقت ، وتعليق الخرزات مع التحريض. ثم باستخدام ماصة ، أدخل 200 ميكرولتر من تعليق حبة البوليسترين في القناة.
الخطوة التالية هي إعداد الأقطاب الكهربائية ، وتوصيل إخراج مولد الوظائف بمدخل مضخم طاقة التيار المتردد. ثم قم بتوصيل إخراج مكبر الصوت بأسلاك القطب. قم بتغطية جميع الأسلاك والأسطح الكهربائية للإعداد بشريط كهربائي لحماية المستخدمين من التعرض المحتمل للصدمات.
اضبط مولد الدالة لإنتاج خرج موجة جيبية من واحد إلى 1.5 ميجاهرتز. ابدأ DEP لبدء فرز الخلايا والخرز في هذا الإعداد. تقع قناة المدخل على اليمين وتنفصل القنوات المستهدفة الثلاث عند التقاطع الثلاثي.
تتوافق أقطاب ثنائي الفينيل متعدد الكلور مع الخطوط السوداء بدون تدفق رقائقي وبدون DEP. الخرزات ثابتة بشكل أساسي عند بدء DEP ، ولكن بدون تدفق. تهاجر الخرزات باتجاه أقطاب ثنائي الفينيل متعدد الكلور وبعيدا عن الفراغ بين الأقطاب الكهربائية عندما يكون التدفق الصفحي قيد التشغيل.
لكن DEP متوقفة عن الخرز المتدفق عبر قنوات المدخل مقسمة بين القنوات المستهدفة الثلاث. عند بدء DEP وتشغيل التدفق الصفحي ، يتم تشغيل الخرزات لتتدفق فقط في القناة المركزية. في مقاطع الفيديو التالية ، تم تدوير جهاز الموائع الدقيقة فوق أقطاب ثنائي الفينيل متعدد الكلور مما أدى إلى تغيير في اتجاه القنوات.
فيما يتعلق بأقطاب ثنائي الفينيل متعدد الكلور. قناة المدخل ، التي كانت في السابق متعامدة مع أقطاب ثنائي الفينيل متعدد الكلور ، أصبحت الآن موازية تقريبا للأقطاب الكهربائية مع التدفق الرقائقي. لكن DEP قبالة الخرزات تدخل جميع القنوات المستهدفة الثلاث بالتساوي.
عند بدء DEP ، تقترب الخرزات من نقطة التشعب وتسحب قوة DEP الخرزات إلى القناة الجانبية فوق القطب. تظهر هذه المجموعة التالية من الأشكال في الفيديو مزيجا من سرطان القولون البشري أو خلايا HT 29 والخرز الفلوري في جهاز الموائع الدقيقة. في صورة DIC هذه ، يحدد السهم المفتوح اتجاه التدفق الصفحي ، ويتم تحديد القنوات بخطوط متقطعة.
يمكن رؤية الأقطاب الكهربائية المعدنية العاكسة على أنها شريط خلفية ضوئية ، ويستخدم المجهر DIC لتصوير الخرز أثناء التوهج. كثافة المقياس. تستخدم الصور لجعل الخلايا أكثر وضوحا.
هذا الشكل هو نفس الصورة مثل الشكل الآخر ، باستثناء ما هو موضح كصورة شدة مقياس توهج ، لذلك يجب أن يتصور الخلايا وكذلك الخرز. تظهر الأقطاب الكهربائية المعدنية العاكسة على شكل خطوط صفراء وخضراء في هذا الشكل. باستخدام DEP ، تخرج الخرزات من القناة اليمنى كما هو موضح في صورة DIC ، بينما تخرج خلايا HT 29 من القناة المركزية واليسرى كما هو موضح في صورة مقياس التوهج قبل بدء DEP ، يتدفق محلول مختلط من الخلايا والخرز من قناة مدخل واحدة إلى القنوات المستهدفة الثلاث المنفصلة.
بعد تحفيز DEP ، يتم تشغيل الخرز والخلايا بشكل انتقائي في قنوات منفصلة. بعد مشاهدة هذا الفيديو ، يجب أن يكون لديك فهم جيد لكيفية البدء في تنفيذ الرحلان الكهربائي للقرص للتلاعب بالخلايا والخرز داخل أجهزة الموائع الدقيقة.
نظرة عامة
تناقش هذه المقالة استخدام ظاهرة الكهربائي ثنائي الطور (DEP) لمعالجة الخلايا والخرز داخل الأجهزة الدقيقة المائية باستخدام لوحات الدوائر المطبوعة (PCBs). من خلال دمج القنوات الدقيقة المستندة إلى PDMS مع لوحات PCB، تم إثبات التلاعب والفصل الفعالين للجسيمات دون ملامسة.
مكونات الدراسة الرئيسية
مجال العلم
- الميكروهيدروديناميك
- معالجة الخلايا
- الكهربائي ثنائي الطور
الخلفية
- الكهربائي ثنائي الطور هي طريقة لمعالجة الجسيمات باستخدام حقول كهربائية غير موحدة.
- توفر لوحات الدوائر المطبوعة حلاً فعالًا من حيث التكلفة لإنشاء أقطاب كهربائية.
- الأجهزة الدقيقة المائية ضرورية للتحكم الدقيق في تدفق السوائل ومعالجة الجسيمات.
- فهم مبادئ الكهربائي ثنائي الطور أمر بالغ الأهمية للتطبيق الفعال في الميكروهيدروديناميك.
غرض الدراسة
- لإثبات جدوى استخدام لوحات PCB لـ DEP في التطبيقات الدقيقة المائية.
- لتوفير إجراء خطوة بخطوة لإعداد أنظمة DEP.
- لعرض معالجة الخلايا والخرز وفصلها.
الطرق المستخدمة
- تصميم وتصنيع أقطاب PCB بأشكال هندسية محددة.
- إعداد القنوات الدقيقة المائية باستخدام PDMS ومقاومة SU-8 الضوئية.
- ملء القنوات بوسائط منخفضة التوصيل وإدخال جسيمات الاختبار.
- توصيل PCB بمكبر للصوت ومولّد للدالة لبدء DEP.
النتائج الرئيسية
- النجاح في معالجة الخرز والخلايا داخل الجهاز الدقيق المائي.
- إثبات الفصل الفعال باستخدام DEP.
- تأسيس طريقة موثوقة لاستخدام لوحات PCB في التطبيقات الدقيقة المائية.
- التأكيد البصري على سلوك الجسيمات تحت ظروف الكهربائي ثنائي الطور.
الاستنتاجات
- توفر لوحات PCB طريقة عملية لـ DEP في الميكروهيدروديناميك.
- تعزز الدراسة من سهولة الوصول إلى تقنيات الكهربائي ثنائي الطور عبر مختلف التخصصات العلمية.
- فهم مبادئ الكهربائي ثنائي الطور ضروري لتحسين تصميم الأقطاب الكهربائية.
الأسئلة المتداولة
Executive Industry Relevance
Dielectrophoresis (DEP) using printed circuit board (PCB) electrodes enables non-contact manipulation and separation of cells and beads in microfluidic systems, offering a cost-effective alternative to specialized equipment like optical tweezers. This approach supports early-stage target validation and assay development by providing precise control over particle positioning in laminar flow, reducing reliance on complex fabrication. The method enhances predictive confidence in discovery workflows by enabling reproducible, quantitative separation of biological and synthetic particles for downstream analysis.
Strategic Applications in Biopharma R&D
Early Discovery & Target Validation
- Scientific Value: Enables interrogation of cellular responses to dielectrophoretic forces, supporting functional target validation through controlled particle manipulation.
- Operational Value: Uses accessible PCB electrodes to lower barriers for implementing DEP in multidisciplinary discovery labs.
Screening & Assay Development
- Scientific Value: Facilitates preparation of standardized bead and cell suspensions in low-conductivity media for reproducible microfluidic assays.
- Operational Value: Enables scalable separation of test particles into defined channels, supporting high-throughput screening readiness.
Translational & Preclinical Research
- Scientific Value: Demonstrates separation of HT29 colon adenocarcinoma cells from beads, providing a disease-relevant system for mechanistic de-risking.
- Operational Value: Supports continuity from discovery to preclinical workflows by enabling label-free sorting of cells based on dielectric properties.
Pipeline & Workflow Integration
This method integrates into the discovery continuum by enabling early-stage hypothesis testing through controlled particle manipulation, progressing to assay development via reproducible separation, and supporting translational research via disease-relevant cell isolation.
- Discovery Biology: Supports hypothesis testing and pathway clarification by allowing precise positioning of cells and beads in microfluidic channels under DEP.
- Screening: Delivers assay readiness through standardized particle separation into target channels, ensuring consistent readouts for compound evaluation.
- Analytics: Provides quantitative dependent variable measurements via channel-specific particle collection, enabling statistical comparison of conditions.
- Translational Research: Connects to preclinical continuity by isolating disease-relevant cells (e.g., HT29) from mixed populations for further validation.
- Enterprise Reuse: Positions PCB-based DEP as a reusable platform across projects due to standardized electrode design and microfluidic assembly.
Operational & Enterprise Impact
- Scientific Value: Predictive confidence in target validation through dielectrophoretic separation of cells and beads based on intrinsic properties.
- Operational Value: Standardization and reproducibility via PCB electrode geometry and low-conductivity media protocols.
- Strategic Value: Improved go/no-go decisions by reducing mechanistic ambiguity in early-stage particle behavior studies.
- Portfolio Impact: Risk-adjusted prioritization through reliable separation data that informs advancement of cell-based assays.
Implementation Considerations
- Requires expertise in dielectrophoresis principles and electrode design to generate effective non-uniform fields.
- Depends on access to PCB fabrication facilities and PDMS microfluidic molding equipment.
- Necessitates cross-team standardization of channel dimensions, media conductivity, and frequency settings.
- Involves adaptation considerations when applying the method to different cell types or particle sizes.
- Limited by the need for vacuum degassing and plasma bonding to ensure device integrity and minimize bubble formation.
Biopharma FAQs
Chapters in this video
0:05
Title
0:58
Introduction
1:27
Prepare the PCB Electrodes
2:46
Prepare the Microfluidic Channels
5:04
Assemble the Microfluidic Channels onto the PCB Electrodes
5:53
Sort and Concentrate Beads and Cells Using DEP
7:07
Separate Beads and Cells Using DEP Actuation
9:25
Conclusion
