منصة الموائع الدقيقة التي تعمل بالهواء المضغوط لتركيز الجسيمات الدقيقة
فبراير 1, 2022
يصف هذا البروتوكول منصة الموائع الدقيقة الهوائية التي يمكن استخدامها لتركيز الجسيمات الدقيقة بكفاءة.
يصف هذا البروتوكول طريقتنا في تصنيع وتشغيل منصة الموائع الدقيقة التي تعمل بالهواء المضغوط لتركيزات الجسيمات المتعددة التي تتغلب على أوجه القصور مثل انسداد الجسيمات والهياكل المعقدة. هذه الطرق تجعل من الممكن معالجة عدد غير محدود من الجسيمات ، والتركيز على عدد كبير من الجسيمات الصغيرة ، ومنع تلف الخلايا غير المرغوب فيه ، وزيادة كفاءة الإنتروبيا. نظرا لأهمية التحليل البيولوجي ، يتم استخدام تقنيات الأنظمة الكهروميكانيكية الدقيقة الدقيقة والطبية الحيوية لتطوير ودراسة الأجهزة لتنقية وجمع المواد الدقيقة.
للبدء ، استخدم قالب قناة الصمام الهوائية SU8 المعدة مسبقا لتكرار طبقة PDMS للتحكم الهوائي في الصمام. صب 10 ملليلتر من PDMS السائل وملليلتر واحد من عامل المعالجة في قالب قناة صمام هوائي معد ، وتنشط الحرارة عند 90 درجة مئوية لمدة 30 دقيقة. بعد شفاء هياكل PDMS ، افصل قالب SU8.
ثقب ثلاثة منافذ هوائية 1.5 ملم في قناة الصمام الهوائي باستخدام ثقب 1.5 ملم. صب 10 ملليلتر من PDMS السائل وملليلتر واحد من عامل المعالجة في قالب SU8 نظيف. قم بتدوير المعطف لمدة 15 ثانية بمعدل 1500 دورة في الدقيقة باستخدام طبقة دوارة ، ثم قم بتنشيط الحرارة عند 90 درجة مئوية لمدة 30 دقيقة.
افصل قالب SU8 بعد شفاء هياكل PDMS. عالج بنية PDMS بالبلازما الجوية لمدة 20 ثانية. باستخدام المجهر ، قم بمحاذاة هياكل PDMS المعالجة بالبلازما وفقا لبنية القناة.
قم بربط هياكل PDMS المحاذاة عن طريق تسخينها عند 90 درجة مئوية لمدة 30 دقيقة. باستخدام ثقب 1.5 ملم ، قم بعمل ثقب قطره 1.5 ملم في مدخل قناة السائل والمنافذ داخل جزء القناة الهوائية المرتبط بطبقة الحجاب الحاجز الرقيقة. قم بتكرار جانبي طبقة PDMS باستخدام قالبين SU8 لإنشاء قناة ميكروفلويديك.
استخدم قالب قناة ميكروفلويديك منحني ومستطيل الشكل في الأمام ، وقالب قناة ربط ميكروفلويديك في الخلف. صب 10 ملليلتر من PDMS السائل وملليلتر واحد من عامل المعالجة في قالب قناة الموائع الدقيقة المنحنية والمستطيلة ، وقم بتغطيتها عند 1200 دورة في الدقيقة لمدة 15 ثانية ، ثم قم بإنشاء قوالب لغرفة السائل المنحنية وقنوات السائل عن طريق التنشيط الحراري عند 90 درجة مئوية لمدة 30 دقيقة. افصل طبقة PDMS التي تتشكل عليها قناة الموائع الدقيقة.
ثم عالجه بالبلازما الجوية لمدة 20 ثانية لصنع قالب منشط حراريا يغطي جدار التهوية المختوم عن طريق الارتباط بالرقاقة الزجاجية. صب ثلاثة ملليلترات من PDMS السائل في قناة التوصيل البيني لقالب SU8. رتب الهيكل ، المصنع باستخدام قالب قناة التوصيل البيني ، في PDMS السائل على قالب قناة التوصيل البيني الموائع الدقيقة.
ثم جفف الهيكل المتراكب عند 130 درجة مئوية لمدة 30 دقيقة. بعد المعالجة ، قم بإزالة قالب SU8 الأمامي من طبقة شبكة قناة الموائع الدقيقة وقم بإزالة قالب PDMS الخلفي بعناية. صب 10 ملليلتر من PDMS السائل وملليلتر واحد من عامل المعالجة في قالب SU8 نظيف وتنشيطه بالحرارة عند 90 درجة مئوية لمدة 30 دقيقة.
افصل قالب SU8 بعد شفاء هياكل PDMS. عالج قوالب قنوات التوصيل البيني الموائع الدقيقة PDMS باستخدام البلازما الجوية لمدة 20 ثانية. باستخدام المجهر ، قم بمحاذاة هياكل PDMS المعالجة بالبلازما وفقا لبنية القناة.
قم بربط هياكل PDMS المحاذاة عن طريق التسخين عند 90 درجة مئوية لمدة 30 دقيقة. قم بمحاذاة هياكل PDMS المعدة خلال هذه العملية وفقا لبنية القناة وربطها عن طريق معالجتها بالبلازما الجوية لمدة 20 ثانية. باستخدام حقنة 10 ملليلتر ، املأ قناة الموائع الدقيقة بماء خال من الفقاعات ومنزوع المعادن.
للتحكم في ضغط سائل العمل والصمامات الهوائية الثلاثة التي تتحكم في تدفق الميكروبيدات ، أدخل وحدة تحكم في الضغط الدقيق مع أربع قنوات منفذ أو أكثر لسائل العمل في منصة الموائع الدقيقة. تحضير جزيئات اختبار الكربوكسيل البوليسترين من مختلف الأحجام في الماء المقطر. للتحكم في معدل تدفق سائل العمل ، املأ نصف زجاجة زجاجية بالماء وقم بتوصيل غطاء الزجاجة بقناة إخراج وحدة التحكم والصمام الدقيق.
باستخدام مجهر مقلوب ، راقب جميع عمليات المنصة وقم بقياس معدل تدفق التشغيل بمرور الوقت عند المخرج بواسطة مقياس تدفق السائل. حقن خليط الجسيمات أو السوائل تحت الضغط عند المدخل باستخدام صمام الجسيمات. اضغط على صمام CIV عند 15 كيلوباسكال، وصمام الجسيمات عند 18 كيلوباسكال لتشغيل الصمام.
عندما تتركز الجسيمات ، اضغط فقط على صمام السائل. تم تقسيم معدل تدفق السوائل إلى عملية منصة من أربع مراحل. كانت المرحلة الأولى هي حالة التحميل.
كان سائل العمل والجسيمات متطابقين تقريبا حيث أظهرت شبكة قنوات الموائع الدقيقة تناظرا هيكليا. المرحلة الثانية كانت حالة الحظر. ضاق مسار التدفق ، وتم تقليل معدل التدفق الذي تم قياسه عند منفذ المخرج بواسطة المقاومة الهيدروليكية.
المرحلة الثالثة كانت حالة التركيز. وكان قطر للقطر المقاس قريبا من الصفر، وبلغت قوة قطر حوالي 1.42 ضعف قوة التوقف. كانت المرحلة الأخيرة هي حالة الإصدار.
أثبتت معدلات التدفق والتركيز الناتجة أن التشغيل المتسلسل المبرمج باستخدام الصمام الهوائي يعمل بشكل جيد بسبب تغيرات التدفق. تم تركيز الجسيمات وتراكمها في منطقة التجميع عندما تم إغلاق صمام CIV وصمام الجسيمات ، وتم إطلاق جميع الجسيمات المركزة التي تم جمعها في غضون أربع ثوان عندما تم إغلاق صمام السائل فقط. جزء أساسي من هذا الإجراء هو علاج الهيكل الخلفي حيث يتم زرع طبقة PDMS بواسطة بعض الضغط الإضافي لطبقة الهواء.
ويتم تنشيط طبقة الفيلم المشوهة فجأة. يمكن استخدام هذه المنصة للمعالجة التلقائية المسبقة للجسيمات الحيوية المركزة والمستقيمة والمعلقة للغاية ، حيث لا تتأثر العملية بخصائص الجسيمات الفيزيائية.
اعرض النص الكامل واحصل على الوصول إلى آلاف الفيديوهات العلمية
نظرة عامة
يصف هذا البروتوكول منصة ميكروهيدروديناميكية تعمل بالهواء المضغوط، وهي مصممة لتركيز الجزيئات الدقيقة بكفاءة. يعالج هذا البروتوكول التحديات مثل انسداد الجزيئات والهياكل المعقدة، مما يمكّن من معالجة عدد كبير من الجزيئات الصغيرة مع تقليل تلف الخلايا.
مكونات الدراسة الرئيسية
مجال العلوم
- الميكروهيدروديناميك
- الهندسة الطبية الحيوية
- تقنيات تركيز الجزيئات
الخلفية
- تعزز الأنظمة الميكروهيدروديناميكية الهوائية معالجة الجزيئات.
- غالبًا ما تواجه الطرق التقليدية مشاكل في الانسداد.
- تعتبر الأنظمة الميكروميكانيكية الإلكترونية (MEMS) محورية في تطوير الأجهزة.
- تركيز الجزيئات بكفاءة أمر بالغ الأهمية للتحليلات البيولوجية.
هدف الدراسة
- لتصنيع منصة ميكروهيدروديناميكية تعمل بالهواء المضغوط.
- لتحسين كفاءة تركيز الجزيئات الدقيقة.
- لمنع تلف الخلايا غير المرغوب فيه أثناء المعالجة.
الطرق المستخدمة
- تصنيع هياكل PDMS باستخدام قوالب SU8.
- التحكم الهوائي في الصمامات لمعالجة الجزيئات.
- تسخين PDMS بعامل التصلب لضمان استقرار الهيكل.
- اختبار المنصة لكفاءة التركيز.
النتائج الرئيسية
- نجحت في تركيز العديد من الجزيئات الصغيرة.
- تغلبت على مشكلات الانسداد السائدة في الطرق التقليدية.
- حافظت على حيوية الخلايا أثناء عملية التركيز.
- زادت من كفاءة الانتروبيا في معالجة الجزيئات.
الاستنتاجات
- إن المنصة الميكروهيدروديناميكية الهوائية فعالة في تركيز الجزيئات الدقيقة.
- يمكن تطبيق هذه الطريقة في العديد من التحليلات البيولوجية.
- قد تعمل التطبيقات المستقبلية على تحسين كفاءة الأجهزة الطبية الحيوية.
الأسئلة الشائعة
Executive Industry Relevance
This pneumatically driven microfluidic platform addresses key challenges in early-stage biopharma R&D by enabling efficient concentration of micro-particles without clogging or cellular damage. It supports target validation and assay development workflows by providing a reproducible method for isolating and enriching analytes from complex biological matrices. The technology enhances predictive confidence in lead identification by ensuring consistent sample preparation, reducing variability that can confound downstream screening and mechanistic studies.
Strategic Applications in Biopharma R&D
Early Discovery & Target Validation
- Scientific Value: Enables interrogation of therapeutic hypotheses through precise concentration of biomarkers or therapeutic targets from heterogeneous samples.
- Operational Value: Reduces sample loss and improves detection sensitivity for low-abundance analytes critical in target validation.
- Predictive Value: Supports mechanistic de-risking by delivering consistent particle enrichment for functional assays and pathway analysis.
Screening & Assay Development
- Scientific Value: Prepares validated biological systems for downstream screening by removing interferents and concentrating analytes of interest.
- Operational Value: Enhances assay standardization and reproducibility through controlled, valve-driven sample processing.
- Scalability: Enables processing of unlimited particle numbers, supporting high-throughput screening campaigns.
Translational & Preclinical Research
- Translational Continuity: Maintains sample integrity from discovery through preclinical validation by preventing unwanted cell damage during concentration.
- Risk-Adjusted Advancement: Supports reliable biomarker alignment and disease-relevant system modeling through consistent sample preparation.
- Mechanistic De-risking: Increases confidence in preclinical data by minimizing pre-analytical variability introduced during sample handling.
Pipeline & Workflow Integration
The platform integrates into the discovery continuum from early target validation through lead identification and preclinical development, enabling reliable sample preparation at each stage.
- Discovery Biology: Supports hypothesis testing and pathway clarification by concentrating signaling molecules, vesicles, or cellular debris for analysis.
- Screening: Delivers assay-ready samples with reduced matrix effects, improving hit detection and structure-activity relationship confidence.
- Analytics: Provides quantitative concentration outputs that enable comparison across experimental conditions and time points.
- Translational Research: Connects discovery-phase sample processing to preclinical continuity by preserving analyte structure and function.
- Enterprise Reuse: Functions as a reusable sample preparation module across multiple projects and therapeutic areas.
Operational & Enterprise Impact
- Scientific Value: Increases predictive confidence in target validation by reducing false negatives from analyte loss during processing.
- Operational Value: Ensures reproducibility and standardization across laboratories through pneumatic control and defined operational stages.
- Strategic Value: Improves go/no-go decisions by delivering higher-quality input data for screening and mechanistic studies.
- Portfolio Impact: Enables risk-adjusted prioritization by improving the reliability of early-stage biological data.
Implementation Considerations
- Requires expertise in microfluidic device fabrication, PDMS handling, and pneumatic control systems.
- Depends on precision pressure controllers, syringe pumps, and flow rate monitoring equipment for reproducible operation.
- Necessitates cross-team standardization of valve actuation timing and pressure thresholds for consistent results.
- Requires adaptation of channel dimensions and valve timing based on target particle size and concentration goals.
- Practical limitations include the need for cleanroom-compatible fabrication and careful alignment of plasma-bonded layers to prevent leaks.
