رقائق ميكروفلويديك مع الشواهد صالحة Microvalve المرنة

توفر الموائع الدقيقة لعلماء بيولوجيا الخلية تقنية لإجراء تجارب عالية الإنتاجية حيثما تطلب الأمر تحكماً دقيقاً في السوائل. مرحبًا، أنا نين تشين لي من مختبر فولك في قسم الهندسة الحيوية بجامعة واشنطن. سأعرض لكم اليوم كيفية صنع رؤوس موائع دقيقة يتم التحكم فيها بواسطة مصفوفة صمامات PDMS دقيقة.

يتكون الجهاز من ثلاث طبقات. الطبقة الأولى هي الطبقة المائعية التي تحتوي على غرف دقيقة بأحجام مختلفة، والطبقة الثانية هي طبقة التحكم التي تحتوي على قنوات تقع بين الطبقتين. ويوجد غشاء رقيق من الـ PMS نظراً لخصائصه من حيث كره الماء والمرونة.

يغلق الغشاء بإحكام مقابل بذره، وبذلك تُعزل غرف السوائل عن بعضها البعض. وإذا طبقنا تفريغاً هوائياً عبر قنوات التحكم، يمكن حينئذٍ لغشاء PDMS أن ينحني ويربط غرف السوائل التي كانت معزولة سابقاً. سأعرض لكم اليوم خلاطاً متوازياً يسمح بخلط أحجام أقل من النانولتر من المحاليل المائية بنسب خلط مختلفة.

سيقوم خبير من مختبرنا الآن بعرض نظام ميكروفلويديك متكامل يتيح ضخ محاليل متعددة في المزارع الخلوية. لنبدأ. أعرض لكم هنا قالباً يحتوي على ميزات من PDMS فوق رقاقة سيليكون.

تم تصنيع القالب الرئيسي باستخدام إجراءات التصوير الفوتوغرافي القياسية لـ SUH من هذه القوالب الرئيسية. ويمكننا صنع نسخ مكررة من PDMS مراراً وتكراراً. ولتسهيل عملية فصل PDMS عن القوالب الرئيسية، نحتاج أولاً إلى معالجة القالب الرئيسي.

عادةً ما نقوم بتجهيز القالب الرئيسي باستخدام أغذية F لأننا نعمل مع جزيرة فلورنسا، حيث أضع الرقاقة أولاً في المحفز وأضع قطرات من الغابة ثم أغلق حجرة التزلج المكتبية، وأقوم بتشغيل الفراغ، وأترك الفراغ لمدة 1، 2، 3 دقائق ثم أغلق الفراغ. نتركها تتبخر لمدة نصف ساعة ثم نأخذ قطرة الرقاقة. قبل تكرار MOD PDMS، نحتاج أولاً إلى الخلط المسبق لـ PDMS pre polymer وعوامل المعالجة بنسبة 10 إلى 1.

أقوم بوزن 31 جراماً من البوليمر الأولي، ثم أزن 3.1 جراماً من عوامل المعالجة، وأخلطهما جيداً لمدة خمس دقائق. يبدو المنتج النهائي بهذا الشكل. بعد ذلك، أضعه في جهاز تسخين لتقليل الكثافة لإزالة الفقاعات من PS لمدة تتراوح من 5 إلى 10 دقائق حتى يصبح شفافاً.

بينما أنتظر خروج الفقاعات من الـ PMS، يمكنني لصق أنابيب السيليكون على منطقة طبقة التحكم. اخترنا أنابيب السيليكون لأنها تتكون من نفس مادة الـ PMS، وبذلك يمكن دمجها لاحقاً في الجهاز لإنشاء ختم محكم للهواء والسوائل. الآن، أضع كمية صغيرة من غراء D cement على طرف قطعة صغيرة من أنبوب السيليكون وأضغط بها على منطقة المدخل في القالب الرئيسي.

لذلك، ومن أجل تجنب انثناء الأنابيب بشكل مفرط فوق المضخمات، يجب أن تكون أنابيب السيليكون هذه مسطحة تماماً عند القص، مع تجنب وضع كمية كبيرة من الغراء فوقها. اشرح بالضبط كيف تقوم بضغط الغراء. لنرى الآن. يتم إنشاء مناطق على كل من الفتحة، ثم يتم نزع الغطاء.

لقد تم الآن تحضير الـ PS. سأقوم بسكب الـ PS فوق القالب الرئيسي. يجب توخي الحذر عند سحب الـ PGAs المحيطة بالأنابيب.

أقوم الآن بالصب فوق القالب الرئيسي الآخر الذي يحتوي على ميزات طبقة السوائل. بعد صب PS على القوالب الرئيسية، يجب إزالة الفقاعات منها مرة أخرى في جهاز طرد الغبار لمدة تتراوح من 5 إلى 10 دقائق. بعد إزالة الفقاعات، نقوم بمعالجة PMS في الفرن عند درجة حرارة 65 إلى 70 درجة لمدة تتراوح من ساعة واحدة إلى 24 ساعة.

حسناً، ممتاز. بعد مرور ساعتين، تمت عملية معالجة الـ PMS. الآن نقوم بقطع جهاز الـ PMS من قالب الـ SU الرئيسي وتهيئته للطبقة الضابطة.

بعد تركيب الأنابيب، نقوم بإزالة الغراء من مناطق المداخل. في أجهزتنا، يتم إنشاء مناطق المداخل في كل من الطبقات الثلاث وطبقات التحكم، ولكننا نقوم بتثبيت الأنابيب السيليكونية على طبقة واحدة فقط.

على سبيل المثال، هنا فقط على الطبقة الضابطة. ولإنشاء مدخل إلى الطبقة السائلة، يمكننا ثقب الغشاء الموجود أسفل أنابيب السيليكون لتوفير الوصول. وبذلك، يمكننا الوصول إلى جميع هذه الأجهزة من الأعلى، مما يسهل إجراء الفحص المجهري الدقيق باستخدام المجهر المجسم والمجهر المقلوب التقليدي.

ننتقل الآن إلى الغرفة C. لتحضير أغشية CTM S، سأوضح لكم كيفية تدوير غشاء PDFs باستخدام جهاز الدوران headway. قبل وضع الرقاقة على الجزء العلوي من حامل الرقاقات، قمت بتغطية الكرة بالغلاف البلاستيكي ووضعت منشفة ورقية بالأسفل لتسهيل عملية التنظيف من أي فوضى ناتجة لاحقاً.

لذا، إذا تم الانتهاء من التحضير، تماماً كما فعلنا مع القوالب الرئيسية سابقاً، وبعد التنظيف باستخدام جهاز الشفط، أقوم بتوزيع حوالي 2 mL من PDMS فوق رقاقة السيليكون؛ لأننا نريد الحصول على غشاء بسمك 11 إلى 12 micron، يتم تدوير الرقاقة بسرعة 7,000 RPM لمدة 20 ثانية. وتبدأ العملية الآن، ويمكنني القول هنا: كما ترون، الرقاقة تدور الآن، وسنتركها تدور للمدة المحددة. بعد التدوير، نضع الرقاقة على اللوح الساخن عند درجة حرارة 85 °C لمدة أربع دقائق. الآن، أصبح غشاء PDMS قد تمت معالجته.

نقوم بعد ذلك بأكسدة غشاء P DM S والطبقة الضابطة في فرن بلازما. حيث نضبط قدرة البلاتينيوم عند 75% ونستخدم ضغط أكسجين قدره 30 PSI ومعدل تدفق قدره خمسة. ويمكن دائمًا تعديل هذه المعاملات وفقًا للتطبيقات المختلفة.

قم بتشغيل السن، ثم قم بتشغيل البلازما لمدة 30 ثانية. الآن ضع الطبقة الضابطة فوق الغشاء. اجعلهما في حالة تلامس، وخلال بضع دقائق ستلتصق الطبقة الضابطة بالغشاء.

بعد بضع دقائق، قم بإزالة طبقة التحكم مع الغشاء. حسنًا، نحن الآن مستعدون لمحاذاة طبقة التحكم مع الطبقة الشفافة تمامًا. وبما أننا لم نعد في الغرفة النظيفة، سنستخدم شريط scotch لإزالة الغبار الموجود على الطبقة الشفافة تمامًا.

نحتاج أيضاً إلى إزالة الغشاء من منطقة المدخل في طبقات التحكم، وذلك لإتاحة الوصول إلى طبقة السوائل الموجودة بالأسفل. لذا، ضع طبقة التحكم مع الغشاء فوق طبقة السوائل.

افحص جميع غرف السوائل والصمامات. تأكد من أنها جميعاً محاذية من اليسار إلى اليمين. إذا لم تكن محاذية، يمكنك إزالة طبقة التحكم وإعادة تنفيذ العملية.

يمكنكم رؤية طبقة السوائل وطبقة التحكم وهما في حالة محاذاة هنا. سأقوم الآن بإدخال بعض الأنابيب الأكثر دقة في هذه المداخل لتوصيلها بمصادر السوائل ومصادر الضغط. والآن، يتم توصيل الصمامات بمصدر الضغط وتوصيل مداخل السوائل بمصدر السوائل.

لدينا هنا صبغات مختلفة، واحدة باللون الأزرق والأخرى باللون الأصفر لفتح وإغلاق صمامات PDMS الدقيقة. نستخدم صمامات لولبية (solenoid valves) متصلة بمصدر تفريغ هوائي وقوة ضغط هوائي، ويتم التحكم في الصمامات بواسطة برنامج light view. أقوم الآن بفتح مجموعة الصمامات رقم واحد.

نلاحظ انحناء أغشية PDMS وأن الصمامات مفتوحة. الآن أقوم بإغلاق المجموعة الأولى من الصمامات، ثم إغلاق وفتح المجموعة الثانية. الآن تعمل جميع الصمامات الدقيقة.

سأقوم بملء غرف الموائع الدقيقة بنوعين مختلفين من القوالب. سأفتح مجموعة الصمامات رقم واحد، وأستخدم أيضاً جهاز تفريغ لسحب القالبين إلى داخل الغرف. وبعد ملء الغرف بالقوالب، أغلق مجموعة الصمامات رقم واحد لعزل كل غرفة، ثم أقوم بتشغيل مجموعة الصمامات.

ثانياً، خلط الأزواج في المصفوفتين. يستغرق فتح الصمام وعملية الخلط عموماً من دقيقة إلى دقيقتين. حيث قمنا بتصميم أحجام الغرف بعشرة أحجام مختلفة.

لدينا نسبة خلط مكونة من 11 نسبة مختلفة. لذا، بعد انتهاء عملية الخلط، أقوم بإغلاق الصمام، وبذلك يمكنك رؤية كل غرفة على حدة، حيث توجد نسب خلط مختلفة.

تحول اللون من الأزرق إلى الأخضر ثم إلى الأصفر بشكل أكبر. وبمجرد تصنيع هذه الأجهزة، يمكن استخدامها في المقالات الطبية الحيوية مثل فحص الأدوية أو دراسات بيولوجيا الخلية مثل الانتحاء الكيميائي أو استجابة الخلايا لتركيزات مختلفة من المواد الكيميائية وعوامل النمو أو الأدوية. أنا كريس سيب، وسأقوم بعرض جهاز عبارة عن نظام تروية مائع دقيق متكامل، وهو مشابه جداً للجهاز الذي تم رؤيته سابقاً في عملية التصنيع.

الاختلاف الوحيد والرئيسي هو أنه بدلاً من وجود غرف منفصلة يفصل بينها صمام ويتم الخلط فيها عبر الانتشار، لدينا مداخل متعددة تتقارب ويتم التحكم فيها بواسطة صمامات، وهو ما يسمى بنظام الصمامات المتعددة (multiplex valving scheme). وما سأقوم باستعراضه هو التشغيل الانتقائي للصمامات، والذي سيتحكم في فتح أو إغلاق المداخل المختلفة. بالإضافة إلى ذلك، سأعرض تشغيل قناة خلط متكاملة وتوجيه التدرجات.

ترى في الجزء العلوي من الشاشة 16 مدخلاً تتقارب، حيث سيتدفق السائل من الأعلى عبر هذه القناة الرأسية إلى شبكة التشعب هذه، والتي تمثل غرفة زراعة الخلايا. نرى الآن تحول المداخل إلى صبغة زرقاء اللون تتدفق، ويمكنك ملاحظة نمط التدفق الصفائحي أثناء مرورها عبر الغرفة. نقوم الآن بعمل مزيج من اللونين الأزرق والأصفر، ومن ثم يمكننا تبديلهما لإنشاء المزيج المعاكس.

يمكننا توجيه التدرج نحو الجانب الأيمن. كما يمكننا إنشاء أنواع أخرى من التدرجات. يوضح هذا الآن التبديل السريع للصمامات، مما يتيح لنا التناوب بسرعة كبيرة بين المحاليل المختلفة.

نقوم الآن بتغذية اللونين الأزرق والأصفر عبر هذا المتجانس، ويخرج المحلول باللون الأخضر في الغرفة، ويمكننا أيضاً تبديل أي عدد من المداخل المختلفة. في هذه الحالة، نقوم بتغذية مدخل أحمر، والذي يحل محل كل المحلول الأخضر. لقد عرضت لكم اليوم كيفية صنع أجهزة تعتمد على صمامات ميكروية ذات أقدام، وشرحت عملية خلط صبغتين ملونتين بنسب مختلفة في أحجام أقل من لتر بدقة.

كما قدم كريس من مختبرنا عرضاً لأنظمة مائعات دقيقة متكاملة لضخ محاليل مختلفة. شكراً لكم على المشاهدة، ومع تمنياتنا لكم بالتوفيق في تجاربكم الخاصة.