عالية الإنتاجية ميكروفلويديك السريع وانخفاض تكلفة النماذج طرق التعبئة والتغليف
December 23rd, 2013
في هذه المقالة نصف تقنيات مختلفة لمنصات النماذج الأولية السريعة للموائع الدقيقة. تعتمد التقنيات المقترحة على الإيبوكسي الحساسة للأشعة فوق البنفسجية (UV) والمعالجة بدرجة الحرارة ، والأنابيب القائمة على polydimethylsiloxane (PDMS) ، والترابط السلكي ، والأفلام اللاصقة متباينة الخواص. تم تطوير إجراءات التجميع المقدمة لكل من الأجهزة ذات الاستخدام لمرة واحدة وكذلك أنظمة الموائع الدقيقة القابلة لإعادة الاستخدام.
الهدف العام من هذا الإجراء هو تقديم خيارات مختلفة لمنصات النماذج الأولية السريعة للموائع الدقيقة. يتم تحقيق ذلك عن طريق تصنيع موصل بيني قابل للإزالة أولا باستخدام PDMS. الخطوة الثانية هي تأمين الأنابيب الدقيقة في الموصل البيني أو بشريحة الموائع الدقيقة مباشرة.
بعد ذلك ، يتم تجميع رقائق الموائع الدقيقة وتوصيلها بواجهة كهربائية. في النهاية ، يتدفق السائل عبر الموصل البيني إلى رقاقة الموائع الدقيقة بسرعات مختلفة. لتقييم قوة الموصل البيني PDMS ، خطرت لي فكرة هذه الطريقة لأول مرة عند تصميم شريحة موائع دقيقة عالية الإدخال الكهربائي ، وكنت بحاجة إلى موصل داخلي قابل للإزالة بسهولة لاختبار نمط مختلف من انتشار المجال الكهربائي لقناة ENC مع عدد كبير من أقطاب قناة ENC.
للبدء في تحضير PDMS عن طريق خلط PDMS وعامل المعالجة بنسبة 10 إلى واحد ، ثم نزع الغاز من الخليط عن طريق وضعه تحت فراغ منخفض لمدة 60 دقيقة. بعد ذلك ، قم بالتسخين المسبق ودرجة حرارة الفرن إلى 80 درجة مئوية وانتظر حتى تستقر درجة الحرارة أثناء تسخين الفرن. قم بتنظيف سطح شريحة الموائع الدقيقة حيث سيتم وضع الموصل البيني PDMS باستخدام الإيثانول.
اتركه ليجف في منطقة خالية من الغبار. انقل طبق PDMS إلى الفرن المسخن مسبقا واترك PDMS يتبلمر قليلا عند 80 درجة مئوية لمدة 12 إلى 15 دقيقة ، ضع شريحة الموائع الدقيقة التي سيتم الاتصال بها في الفرن بطبقة PDMS بحيث تكون في نفس درجة الحرارة بعد 15 دقيقة. قم بإزالة PDMS ورقاقة الموائع الدقيقة من فرن المعالجة.
ثم استخدم شفرة حلاقة لقطع قطعة من خمسة ملليمترات من PDMS. ثم قم بعمل فتحتين ملليمترتين من خلال طبقة PDMS. قم بإزالة PDMS من أطباق Petri وضعها فوق شريحة الموائع الدقيقة.
احرص على محاذاة الثقوب بدقة ثم اضغط برفق على PDMS في مكانها. مع وجود الموصل البيني في مكانه ، قم بقص أنابيب تفلون بقطر ملليمترين بقطر داخلي 100 ميكرون ، باستخدام شفرة جديدة بحيث ينتهي الأمر بحافة الأنبوب الصغير مقطوعة بشكل عمودي على طولها. يجب أن يكون الأنبوب طويلا بما يكفي لتوصيله بمضخة حقنة دون ممارسة أي ضغط على الموصل الداخلي.
باستخدام أنبوب إدخال محدد الموضع الصغير من خلال طبقة الموصل البيني PDMS إذا لزم الأمر ، أضف الإيبوكسي بين الأنبوب و PDMS لتحسين الالتصاق. ثم قم بتوصيل الطرف الآخر من الأنابيب بنظام حقن السائل. كبديل للموصل البيني القائم على PDMS ، يمكن استخدام الايبوكسي لتأمين الأنابيب الدقيقة بشكل دائم في مكانها.
لتحقيق ذلك ، استخدم محدد الموضع الصغير لوضع الأنبوب الصغير بعناية في فتحة الوصول لشريحة الموائع الدقيقة. ثم قم بتطبيق إيبوكسي قابل للشفاء بالأشعة فوق البنفسجية أو إيبوكسي قياسي حول فتحات الوصول ومعالجته وفقا لمواصفات الشركة المصنعة. لبدء تركيب سطح اللحام ، قم بضرب الموصلات الكهربائية ذات الدبوس إلى لوحة الدوائر المطبوعة.
ثم افحص الوسادات الكهربائية لشريحة الموائع الدقيقة ونظف أي تلوث سطحي عن طريق تعريضه لأكسجين البلازما لمدة 10 دقائق تقريبا مع وقت أكثر أو أقل ، اعتمادا على الكمية المطلوبة من التنظيف. إذا لم يتم العثور على تلوث سطحي ، فما عليك سوى تنظيف الوسادات بالإيثانول. بعد ذلك ، استخدم شفرة حادة لقطع الشريط الموصل إلى قطع صغيرة بحجم ملليمترين في ملليمتر واحد بحيث تكون بنفس أبعاد رقائق الموائع الدقيقة.
وسادات كهربائية. ثم استخدم ملقطا نظيفا لوضع الشريط الموصل على لوحة الدوائر المطبوعة فوق الوسادات الكهربائية. قم بمحاذاة شريحة الموائع الدقيقة مع الموصل البيني الموجود بالفعل فوق لوحة الدوائر المطبوعة.
باستخدام آلة المحاذاة ، ضع طبقة عازلة مثل الورق على لوحة الدوائر المطبوعة لتجنب الدوائر القصيرة ، ثم قم بتوصيل الحامل المعدني باستخدام مسامير الماكينة والصواميل مع اكتمال التجميع. ابدأ في اختبار الإعدادات الفردية عن طريق تدفق الماء منزوع الأيونات عبر مضخة الحقنة. قم بزيادة سرعة المضخة ببطء حتى يبدأ النظام في التسرب ، وعند هذه النقطة يتم الوصول إلى الحد الأقصى للضغط.
بعد تجربتك ، قم بإزالة مسامير الماكينة وصواميل الأقواس المعدنية. ثم افصل برفق رقاقة الموائع الدقيقة ولوحة الدوائر المطبوعة. أخيرا ، استخدم الإيثانول لإزالة لاصق الشريط الموصل من الوسادات الكهربائية الموجودة على لوحة الدوائر المطبوعة ورقاقة الموائع الدقيقة قبل إعادة التجميع.
تتم مقارنة ثلاث تقنيات مختلفة لربط أنبوب الموصلات البينية في الجدول الموضح هنا. يقترح استخدام الموصل البيني PDMS مع تطبيقات الضغط المنخفض عندما يجب الكشف عن تصميم الموائع الدقيقة ويتطلب نماذج أولية سريعة. يوفر الإيبوكسي القياسي والأشعة فوق البنفسجية توصيلا قويا ويمكن استخدامه لتطبيقات الضغط المنخفض والعالي ، ولكنه يخلق ختما دائما للجهاز ، والذي قد يكون غير مرغوب فيه.
يتم عرض الموصلات البينية PDMS هنا مقارنة ببعض إعدادات الموصلات البينية الأكثر شيوعا. يمكن للموصل البيني PDMS بسمك واحد ملليمتر واحد أن يتحمل ثلاثة أضعاف ضغط الموصل البيني بسمك 0.45 ملم. يتعلق هذا بخمسة أضعاف معدل التدفق للموصل البيني بسمك ملليمتر واحد مقارنة بالموصل البيني 0.45 ملم بمجرد إتقانها ، يمكن إكمال هذه التقنية في غضون 10 إلى 20 دقيقة إذا تم إجراؤها بشكل صحيح.
View the full transcript and gain access to thousands of scientific videos
نظرة عامة
تقدم هذه المقالة تقنيات مختلفة لمنصات النماذج الأولية السريعة للميكروفلويديك، مع التركيز على استخدام PDMS والمواد الأخرى. تسهل الطرق الموصوفة تجميع كل من الأنظمة الميكروفلويدية ذات الاستخدام الواحد والقابلة لإعادة الاستخدام.
مكونات الدراسة الرئيسية
مجال العلم
- الميكروفلويديك
- تقنيات النماذج الأولية
- علم المواد
الخلفية
- الأجهزة الميكروفلويدية ضرورية للعديد من التطبيقات البيولوجية.
- PDMS هو مادة مستخدمة على نطاق واسع في الميكروفلويديك بسبب خصائصه الملائمة.
- تقنيات النماذج الأولية السريعة تتيح التطوير والاختبار السريع للأنظمة الميكروفلويدية.
- فهم طرق التجميع ضروري لوظيفة الجهاز.
غرض الدراسة
- استكشاف خيارات مختلفة لمنصات النماذج الأولية السريعة للميكروفلويديك.
- تبيان تصنيع الموصلات القابلة للإزالة باستخدام PDMS.
- تقييم تجميع وأداء الشرائح الميكروفلويدية.
الطرق المستخدمة
- تصنيع الموصلات القابلة للإزالة باستخدام PDMS.
- تثبيت الأنابيب الدقيقة في الموصل أو مباشرة في الشريحة الميكروفلويدية.
- تجميع الشرائح الميكروفلويدية وتوصيلها بواجهة كهربائية.
- تدفق السائل من خلال الموصل إلى الشريحة الميكروفلويدية.
النتائج الرئيسية
- تصنيع ناجح للموصلات PDMS.
- تبيان طرق التجميع للأجهزة الميكروفلويدية.
- تقييم تدفق السائل بسرعات مختلفة عبر النظام الميكروفلويدي.
- أفكار حول أداء الموصل في اختبار انتشار المجال الكهربائي.
الاستنتاجات
- التقنيات المعروضة فعالة لنماذج الميكروفلويديك.
- توفر موصلات PDMS حلاً مرنًا لاختبار الأجهزة.
- يمكن تكييف هذه الطرق لمختلف التطبيقات الميكروفلويدية.
الأسئلة الشائعة
Executive Industry Relevance
Rapid and cost-effective microfluidic prototyping is critical for accelerating early-stage assay development and device validation in biopharma R&D. The described packaging methods enable flexible, scalable assembly of microfluidic platforms, supporting iterative design and functional testing. These capabilities directly impact the speed and reliability of preclinical workflows and device-based screening strategies.
Strategic Applications in Biopharma R&D
Early Discovery & Target Validation
- Facilitates rapid prototyping of microfluidic devices for hypothesis-driven experiments.
- Enables functional validation of device-integrated biological assays under variable flow and pressure conditions.
- Supports iterative design cycles for optimizing device architecture and connectivity.
Screening & Assay Development
- Provides standardized, reproducible assembly for microfluidic assay platforms.
- Allows for both permanent and reusable device configurations to match screening throughput needs.
- Enables quantitative evaluation of fluidic and electrical performance across device variants.
Translational & Preclinical Research
- Supports adaptation of microfluidic systems for disease-relevant model integration when required.
- Maintains device observability for short-channel applications, aiding in mechanistic studies.
- Offers flexibility for preclinical assay transfer and validation across research teams.
Pipeline & Workflow Integration
These packaging methods position microfluidic prototyping at the intersection of early discovery, assay development, and preclinical device validation.
- Discovery Biology: Enables rapid hypothesis testing and device-based pathway interrogation.
- Screening: Delivers reproducible, scalable assembly for high-throughput assay platforms.
- Analytics: Provides quantitative readouts of flow, pressure, and electrical connectivity for comparative analysis.
- Translational Research: Supports continuity from prototype to preclinical validation when device-based assays are required.
- Enterprise Reuse: Offers reusable device configurations, reducing cost and increasing platform flexibility.
Operational & Enterprise Impact
- Scientific Value: Increases predictive confidence in device-based assay performance and target validation.
- Operational Value: Standardizes assembly workflows, improving reproducibility and scalability.
- Strategic Value: Accelerates go/no-go decisions for device-enabled screening and assay platforms.
- Portfolio Impact: Enables risk-adjusted prioritization of device-based assay development projects.
Implementation Considerations
- Requires expertise in microfluidic device fabrication and assembly techniques.
- Needs access to curing ovens, micromanipulators, and analytical instrumentation for flow and pressure testing.
- Demands cross-team standardization of assembly protocols for reproducibility.
- Adaptation across different device architectures may require optimization of PDMS thickness and interconnect design.
- Reusable configurations are limited to low-pressure applications unless further sealed via plasma-oxygen treatment.
