انخفاض الجاذبية المظاهرات الأجهزة البيئة في نموذج المنمنمة تدفق عداد الكريات ورفيق ميكروفلويديك تقنية خلط

الهدف العام من هذا الإجراء هو تشغيل مقياس تدفق خلوي مصغر على متن رحلة مكافئة ( parabolic flight) ذات جاذبية منخفضة، وذلك باستخدام تحضيرات للمكونات وإجراءات أثناء الرحلة يمكن تكييفها مع تجهيزات أخرى. ويتم تحقيق ذلك أولاً من خلال الاختيار الدقيق للمكونات الجاهزة والمصنعة خصيصاً لضمان سهولة الاستخدام والسلامة في ظروف الجاذبية المنخفضة. وتتمثل الخطوة الثانية في تجميع هذه المكونات داخل منصة اختبار للرحلات المكافئة تحتوي على عناصر إضافية للاحتواء، وأتمتة العرض، وتسهيل إجراء عروض توضيحية متعددة.

بعد ذلك، يستعد الفريق لإجراء تجارب ناجحة أثناء الطيران من خلال التخطيط الدقيق وتطوير البروتوكولات والتدريب. وتتمثل الخطوة النهائية في إجراء عروض توضيحية متعددة المكونات أثناء الطيران. وفي نهاية المطاف، تُستخدم اختبارات الطيران القطعي لاستعراض التطبيقات الفضائية المحتملة للتكنولوجيا وتحديد تأثيرات تغيرات الجاذبية وانعدام الوزن والاهتزاز على الأداء.

على الرغم من إمكانية تطبيق هذه الطريقة على قياس التدفق الخلوي والتقنيات ذات الصلة، إلا أنه يمكن تطبيق أجزاء منها أيضاً على أنواع أخرى من الاختبارات التشخيصية الفردية في ظروف الجاذبية المنخفضة، وخاصة أي اختبار يتضمن عروضاً توضيحية متعددة أو إجراءات تحفيزية. لذا قررنا إنتاج هذا الفيديو لصالح JO حول الاختبارات في الرحلات الجوية المكافئة (البارابولية)، لأنه عندما كنا نستعد لرحلاتنا المكافئة مع وكالة nasa، لم يكن هناك فعلياً الكثير من الفيديوهات أو حتى الدراسات التي تصف أفضل السبل للتحضير للتجارب. لقد اضطررنا في الواقع لبذل جهد كبير للتواصل مع الأشخاص المناسبين في مواقع مختلفة داخل وكالة NASA لاستخراج هذه المعلومات.

في هذه الحالة، نرغب في أن نكون قادرين على مشاركة هذه المعلومات مع قراء JoVE حتى يتمكنوا أيضاً من التحضير لهذه الرحلات بشكل مناسب. يتطلب بناء نظام بسيط لقياس التدفق الخلوي (flow cytometry) للاستخدام في ظروف الجاذبية المنخفضة العديد من المكونات الأولية للسوائل والبصريات والإلكترونيات. ابدأ بتجهيز نظام ضغط بحد أدنى من الوزن واحتياجات الطاقة لتشغيل النظام.

تصل التوصيلات المائعية مضخة هواء مصغرة بمستشعر ضغط تفاضلي. بعد ذلك، يتم تجميع حاوية مصدر مائعي يمكن تعبئتها دون حبس الهواء بداخلها؛ وهي عبارة عن قارورة بلاستيكية صلبة مزودة بحجاب حاجز مطاطي مرن، وغطاء يمكن إحكامه بإحكام، وأنبوب دخول للهواء عند قاعدة القارورة.

أحكم إغلاق وصلة أنبوب دخول الهواء باستخدام لاصق بصري. ضع مشبك شريحة مؤقت فوق أنبوب خروج الغطاء لمنع طرد السائل أثناء وبعد إدخال الغطاء. لتحميل القارورة، قم بتوسيع الحجاب الحاجز باستخدام حقنة متصلة بمدخل الهواء.

صب السائل حتى الأعلى وأدخل الغطاء بزاوية تضمن عدم حبس أي هواء تحته. قم بإزالة مشبك الشريحة لفترة وجيزة لتهيئة أنبوب المخرج وتحرير ضغط الانهيار الناتج عن الحجاب الحاجز. تأكد من أن المضخة تقوم بضغط القارورة دون وجود تسرب للهواء أو السوائل.

ضغط الحجاب الحاجز لدفع تدفق السوائل خارج أنبوب مخرج الغطاء. المكون الثالث المطلوب هو حاوية نفايات السوائل لجمع النفايات دون تكوين ضغط عكسي من شأنه أن يؤثر على التدفق. استخدم أنبوب اختبار ملصقاً داخل أنبوب آخر مصمماً للاحتواء المزدوج.

قم بتغطية القوارير بنافذة إسفنجية رغوية محكمة تحبس السوائل العائمة، ولكنها تسمح بمعادلة الضغط الجوي مع بيئة الكبينة لصنع مُحمّل عينات لاستخدامه في آلة الجاذبية المنخفضة، ثم قم بتجميع تصميم مشبك محمل بزنبرك مزود بقضبان توجيه بحيث يقوم بتثبيت الشعيرة المجهزة بغمد بشكل موثوق بين حلقتي O-ring في خط السوائل. تأكد من أنه في حالة عدم وجود شعيرة، تضغط الزنبركات حلقات O-ring معاً لإكمال خط السوائل وتمكين عملية التحضير دون تسريب. صمم خلاطاً دقيقاً لا يعتمد في عمله على مكونات ميكانيكية تعمل بالطاقة.

باستخدام طريقة النماذج الأولية السريعة بمادة Polymethyl methacrylate، تم اختيار وتصنيع خلاط دقيق دوامي حلزوني بمدخلين للكشف عن الجسيمات المتدفقة بشكل فردي. يتم تثبيت وحدة بصرية مصغرة مصنعة خصيصاً بحجم كف اليد على لوحة أساس مجهرية باستخدام مكونات ميكانيكية بصرية متوفرة تجارياً. وتتمثل الخطوة النهائية في تجميع النموذج الأولي في تصميم الإلكترونيات والبرمجيات الخاصة بالتحكم في الجهاز واكتساب البيانات.

من أجل التسهيل والنمذجة الأولية السريعة، استخدم قطعاً ملحومة يدوياً ومتصلة ببطاقات الحصول على البيانات المتاحة تجارياً، وقم بكتابة وبرمجة برنامج مخصص لتشغيل أجهزة المنصة ومزامنة جميع البيانات. قم بإزالة بطارية الكمبيوتر المحمول وضبطه ليعمل عبر كابل الطاقة فقط. ولأسباب تتعلق بالسلامة في رحلات الجاذبية المنخفضة، يجب أن يتضمن مخطط الطاقة الكهربائية لتشغيل جميع الأجهزة آلية للإغلاق الإلكتروني السريع والكامل.

أثناء الطيران. يتم توصيل وصلة كهربائية واحدة ذات زر تشغيل وإيقاف واحد بلوحة توزيع الطاقة في الطائرة لضمان الأداء الناجح أثناء الطيران، ويجب مراعاة إجمالي المساحة المتاحة وكيفية تقسيمها بين مساحة منصة التجارب ومساحة المستخدم المحيطة بالمنصة. إن إجمالي المساحة المتاحة محدود بمساحة أصغر من تلك المتوفرة لعرض مماثل على الأرض.

حدد المكونات التي يسهل الوصول إليها بشكل أكثر ملاءمة أثناء الجثو على الأرض أو في وضع الوقوف. ومن المهم أيضًا مراعاة المكونات التي ستستفيد بشكل أكبر من الحماية التي يوفرها هيكل الدعم. يتمثل هيكل دعم المنصة هنا في رف معدات رأسي يمكنه تحمل تسارعات الطيران ويمكن تثبيته بإحكام في الطائرة المحددة.

تم تخصيص مكونات أرضية الكبينة لمستويات داخل الرف، حيث خُصص المستوى العلوي لوضع الكمبيوتر المحمول، ومستوى الرف الأوسط لاحتواء المكونات الفرعية للنموذج الأولي، ومستوى الأرضية لاحتواء المناديل الإضافية والقفازات وحاوية نفايات متنوعة. ولتأمين واحتواء النموذج الأولي وعرض العينات، يجب تصنيع أو تكييف مكونات مختلفة غير تابعة للنموذج الأولي. وتشمل هذه المكونات صندوق أكريليك مخصصاً لاحتواء الإلكترونيات وصندوق قفازات أكريليك مخصصاً مزوداً بفتحات لوصول الذراعين لتوفير مساحة مكعبة يمكن من خلالها إجراء عرض توضيحي لجهاز التحميل دون المخاطرة بتلوث كبينة الطيران.

لتسجيل مقطع توضيحي لمؤشر خلط دقيق، يتم تثبيت مجهر ستيريو فوق لوحة تجارب مجهزة بحامل رقائق أكريليكي مخصص وكاميرا CCD. وللسماح بعرض آمن للكتلة البصرية، استخدم صندوقًا أكريليكيًا معتمًا مخصصًا لحجب الضوء المحيط والتحكم في مخاطر الليزر. يمكن لبعض استراتيجيات التصميم البسيطة أن تلغي الحاجة إلى توصيل الأنابيب يدويًا، أو إجراء تعديلات أثناء التشغيل، أو أي إجراءات أخرى تتطلب مهارة يدوية عالية.

على سبيل المثال، لضغط ملفات مصدر متعددة في آن واحد، استخدم مجمع ضغط مخصص للآلة يتكون من أسطوانة مجوفة، مجهزة بإبرة مدخل وأنابيب مخرج متعددة للتحكم في اتجاه تدفق السوائل. وباستخدام الكمبيوتر، قم بتجميع لوحة من صمامات الملف اللولبي ثلاثية الاتجاهات، يتم التحكم فيها بواسطة مفاتيح MOSFET متتالية موصلة ببطاقة DAQ.

تحتوي صمامات الملف اللولبي ثلاثية الاتجاهات على منفذ مشترك يكون متصلاً دائماً إما بمنفذ الإغلاق الافتراضي أو بمنفذ التشغيل. ويتم تحفيز الانتقال إلى حالة التشغيل بواسطة إشارة بجهد خمسة فولت. تمت برمجة البرنامج للمضي قدماً في العروض التوضيحية باستخدام تدخلات بسيطة عبر زر واحد، مثل نقرة واحدة على الكمبيوتر المحمول لتبديل حالات الصمام أو تغيير ضغط دفع المضخة.

يتجنب هذا الإجراء الحاجة إلى التعديلات اليدوية للأنابيب التي قد تؤدي إلى حدوث تسريبات في البيئة المحيطة وضياع وقت التجربة في بيئة فوضوية. يتضمن عرض محمل العينات تحميل عينة ودفعها إلى الكتلة البصرية أو OB للكشف عنها. يستخدم الإعداد صمامين، أحدهما قبل المحمل والآخر بعده.

أثناء عملية التحميل، يتم ضبط كلا الصمامين على وضع الإغلاق (off) لمنع حركة السوائل أثناء استخدام جهاز التحميل، وعند تشغيل الصمامات يفتح مسار السائل X الممتد من قارورة المحلول الملحي إلى قارورة النفايات، مما يسمح للمضخة بدفع العينة للتحليل. يتضمن عرض الكتلة البصرية الكشف المتسلسل عن ثلاثة أنواع مختلفة من العينات دون الحاجة إلى تغيير توصيلات الأنابيب يدويًا، حيث يمكن للمحلول الملحي غسل النظام بين العينات. يتضمن عرض الممزج الدقيق مقاطع لخلط الدم مع المحلول الملحي وخلط صبغة زرقاء مع صبغة صفراء.

يستخدم الإعداد صمامين لتوجيه الضغط إما إلى قارورات الدم والمحلول الملحي أو إلى قارورات الصبغة، بحيث يكون عرض خلط واحد فقط نشطاً في المرة الواحدة. ويسمح صمام إضافي بحقن فقاعات الهواء في شريحة خلط الدم والمحلول الملحي. كما يجب تجهيز النظام لمواجهة قوى الارتجاج المفاجئة أو الاهتزازات أو اصطدام الركاب أثناء الرحلة.

لضمان استقرار المحاذاة، ضع مادة إيبوكسي سريعة الجفاف على المكونات المحاذية التي يسهل انزياحها، وخاصة المكونات البصرية. ضع أيضاً مادة إيبوكسي ذات درجة صناعية فوق الإيبوكسي سريع الجفاف لتثبيت المكونات الأخرى حسب الضرورة، بما في ذلك وصلة كاميرا CCD بقطعة المجهر I لاختبار الاضطرابات الفيزيائية. قم بهز هيكل دعم الجهاز مع تثبيت جميع المكونات في مكانها.

تحقق من كفاءة عمل المكونات الفردية بعد تعريض المنصة للاضطرابات، خاصة المكونات البصرية المحاذاة والمجهزة للتعامل مع الأحداث غير المتوقعة أثناء الطيران، بما في ذلك استواء الطائرة فجأة في منتصف التجربة أو تعرض المنصة لقوى مفاجئة. قم بحماية الركاب العائمين عن طريق إضافة حشوة واقية إلى الرف. يقوم المشرفون بتدريب عدة أشخاص كعاملين أساسيين لتشغيل الجهاز باحترافية أثناء الطيران.

من غير المتوقع معرفة من سيصاب بالمرض أثناء الرحلات الجوية، فقد لا يتأثر مستخدم معين في رحلة ما بينما يصاب بالمرض في رحلة أخرى. افحص الجهاز بعد نقله إلى موقع الرحلة، وقم بإجراء أي إصلاحات ضرورية وتثبيت توصيلات الأنابيب قبل تحميله على متن الطائرة. في كل يوم من أيام الرحلات، قم بتجهيز وتركيب قوارير العينات المقابلة لعروض ذلك اليوم.

استعد لاحتمالية وجود فترات زمنية طويلة بين مرحلة التجهيز وبدء التجربة، وكذلك لارتفاع درجات الحرارة المحيطة اعتمادًا على موقع الرحلة. ولتجنب الشعور بالغثيان أثناء الرحلة، تناول الأدوية الموفرة مثل scopolamine مع text amphetamine، واستخدم عدة منحنيات قطع مكافئ (parabola) أولية للتكيف مع انتقالات الجاذبية عن طريق الارتفاع ببطء وبشكل موازٍ للأرض والاستلقاء بشكل مسطح أثناء فترات الجاذبية العالية. وبمجرد اتخاذ وضعية الطيران، يجب على مشغلي المنصة، عند الاقتراب من المجال الجوي المخصص لـ parabola، توفير مساحة كافية تسمح لهم بالاستلقاء خلال فترات الجاذبية العالية، وتمكين الوصول إلى أحزمة الأرجل بمجرد بدء الـ parabola.

تجنب تسليط قوى قوية على الجسم أثناء الجاذبية المنخفضة؛ لأن ذلك قد يدفع الجسم للأعلى بسرعة كبيرة وبشكل خطير نوعاً ما أثناء تنفيذ عرض مُحمّل العينات. وعندما تدخل الطائرة في حالة الجاذبية المنخفضة، استخدم حقنة العينات لوضع قطرة من خليط صبغة حبيبات العد على طرف الإصبع. ولمحاكاة عينة وخز الإصبع، استخدم أنبوباً شعرياً استهلاكياً لسحب العينة من الإصبع ثم تحميل العينة في المُحمّل الشعري.

قم بتمرير العينة إلى النظام البصري للكشف. قم بإجراء إعداد عرض الخلاط الموائع الدقيقة أسفل المجهر. اخلط الدم والمحلول الملحي بنسبة واحد إلى واحد عند 1.52345، وستة PSI لمدة قطعين مكافئين على الأقل لكل منهما.

تسجيل بيانات الفيديو المتزامنة مع القراءات الأخرى. يُعرض هنا لقطات فعلية أثناء الطيران لعرض توضيحي لجهاز خلط. احقن الهواء في مدخل المحلول الملحي لاختبار ما إذا كانت بنية القناة ستحتجز فقاعة يمكن أن تمنع الخلط الأمثل.اخلط.

أصباغ طعام زرقاء وصفراء عند 1.52345 وستة PSI لمدة قطعين مكافئين على الأقل لكل منهما. ومرة أخرى، تمثل البيانات المتزامنة المسجلة والموضحة هنا نتائج نموذجية لعرضين لجهاز الخلط الدقيق كما تمت رؤيتهما بواسطة كاميرا CCD مثبتة على لوحة المجهر الستيريو. يوضح الشكل A خلط الصبغة الزرقاء والصفراء تحت ظروف الجاذبية الصغرى، ويوضح الشكل B خلط الدم والمحلول الملحي تحت ظروف جاذبية القمر.

يمكن تقييم عملية الخلط بصرياً عند أي نقطة على طول المسار الحلزوني وكذلك في قناة المخرج، وذلك في عرض توضيحي للكشف عن الكتل البصرية لخلايا الدم البيضاء الموصومة فلورياً أثناء رحلة في حالة الجاذبية الصغرى. وتشمل مقاييس الأداء الحرجة لبيانات قياس التدفق الخلوي معامل التباين لشدة الذروة، ونسب الإشارة إلى الضوضاء، ومعدلات عد الذروة، وكفاءة الكشف كما هو موضح هنا. ويبدو أن الكشف عن الكتل البصرية لم يتأثر نسبياً بالانتقال من حوالي 1.5 G إلى ما يقرب من صفر G، واستمر ذلك أثناء الانتقال العكسي إلى 1.5 g.

يشير الكشف عن خرزات العد الفلورية المضافة إلى عينة محملة، وذلك بعد استعراض عمل جهاز التحميل في ظل جاذبية القمر، إلى أن العينة قد حُملت بنجاح ووصلت إلى الكتلة البصرية من أجل الكشف عنها. بعد مشاهدة هذا الفيديو، يجب أن يكون لديك فهم أفضل لكيفية إجراء اختبار الجهاز وتقليل الجاذبية على متن رحلة مكافئة (parabolic flight)، وبشكل خاص أنواع الإجراءات الممكن تنفيذها؛ حيث يساعد التخطيط الدقيق واختيار الأجزاء وتطبيق الاختبارات في ضمان تحقيق أقصى استفادة من تجربتك.