本文介绍了一种以最少的资金和时间投入设计和制备定制化微流控装置的实验方案。其目的是促进微流控技术在生物医学研究实验室及教育环境中的应用。
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本文内容
摘要
摘要
微流控装置能够在纳米至亚毫米尺度的通道中操控流体、颗粒、细胞、微尺度器官或生物体。该技术在生命科学领域的应用迅速增长，促使人们需要一种可供广泛研究团队便捷使用的方法。目前的制备标准（如PDMS键合）依赖昂贵且耗时的光刻和键合技术。一种可行的替代方案是采用价格低廉、易于获取的设备和材料，操作简便，并可快速迭代设计。本文介绍了一种设计和制备聚对苯二甲酸乙二醇酯层压板（PETLs）的方案，这类微流控装置成本低、易于制造，且制备时间显著少于其他微流控技术方法。PETLs由热键合的薄膜片组成，其通道和其他结构特征通过手工切割仪进行定义。PETLs在解决特定领域技术难题的同时，极大降低了技术应用的障碍。该方法提升了微流控装置在科研与教育环境中的可及性，为新型研究方法提供了可靠的平台。
引言
微流控技术能够在微小尺度上实现对流体的控制，其体积范围从微升（1 × 10-6 L）到皮升（1 × 10-12 L）。这种控制能力在一定程度上得益于从微处理器行业借鉴而来的微加工技术1。利用微米级的通道和腔室网络，用户可以充分利用小尺度下特有的物理现象。例如，在微米尺度下，流体可通过层流进行操控，此时黏性力占主导地位，超过惯性力。因此，扩散传输成为微流控系统中的显著特征，并可对其进行定量和实验研究。这些系统可通过菲克定律、布朗运动理论、热传导方程和/或纳维-斯托克斯方程得到合理解释，这些方程是流体力学和传质现象领域中的重要推导成果2。
由于生物科学领域的许多研究团队都在微观尺度上研究复杂系统，人们最初认为微流控装置将对生物学研究应用产生直接而显著的影响2,3。这是因为小分子跨膜或在细胞内传输时，扩散起主导作用，而细胞和微生物的尺寸与亚毫米级系统和装置非常匹配。因此，微流控技术在改进细胞和分子实验操作方式方面具有巨大潜力。然而，生物学家对微流控技术的广泛应用仍落后于预期4。技术转化不足的一个简单原因可能是工程师与生物学家之间的学科壁垒。定制化装置的设计与制备始终超出大多数生物研....
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方案
1. 设计
- 确定设备的应用场景，并列出所需的通道/腔室组件。
注意：所有设备都需要输入和输出通道。用于显微成像的设备需要成像腔室。更复杂的设备需要在多个层中设置通道和腔室。 - 首先手绘每一层，考虑各层叠加后对设备功能的影响。
- 使用任何可绘制线条和形状的软件在计算机上绘制最终设计。
- 使用黑色实线和无阴影的形状分别绘制每一层。建议线宽为6点或以上。在此阶段，通道和腔室特征的尺寸不如整体比例重要。
- 在创建特征和叠加层时使用复制粘贴功能。参见 图1B 中的层结构绘图示例。
- 将每一层导入裁剪仪软件（图1C）。可通过截取设计图并采用拖放方式完成。
- 在裁剪仪软件中创建新文档（可免费下载）。将图像文件拖放到显示的裁剪垫上。该软件可识别大多数图像文件。
- 通过从角落拉伸来放大图像，以便于处理。此时可使用“追踪”功能使软件识别设计。
注意：用户也可直接在该软件中从头设计（使用设计面板中的绘图工具）。
- 为追踪设计，选择窗口右侧的 Trace 图标（蝴蝶形状），并完全选中....
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结果
除了成本低和可快速迭代外，PETL 技术还易于定制，可用于解决特定挑战。首先，我们描述一种简单的装置，该装置由盖玻片、腔室层、通道层和进/出口层组成（图2）。该装置旨在促进在持续流动条件下对细胞和微型器官进行成像。通过以低流速补充培养基，促进营养物质和气体交换。圆形腔室具有玻璃底面，可用于倒置显微镜成像。在此装置中使用玻璃至少有两个原因。第一个是光学性能。PET 和 EVA 是具有光学透明性和柔韧性的热塑性塑料，可用作成像界面（尤其在低倍率下9）。PET 在可见光范围内的透光率约为 87% 至 90%12。然而，玻璃具有更优的光学特性，是生物成像中的标准材料。第二个原因是，迄今为止测试的细胞（哺乳动物细胞系）在玻璃表面的贴附能力通常强于（未经处理的）PET/EVA 表面。
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讨论
尽管微流控技术在全球各地实验室的工具箱中正变得日益普遍，但考虑到其潜在的积极影响，该技术的采用速度仍令人失望16低成本和高效率的微流控器件制备对于推动该技术在普通研究实验室中的广泛应用至关重要。本文所述方法利用多层薄膜，以远低于光刻技术所需的时间和成本，快速制备二维和三维微流控器件。标准光刻技术的启动成本高达数千美元（USD），且器件制备需耗时数天；而PETL（多层薄膜加工）技术的启动成本低于350美元，器件可在数分钟内完成制备。这不仅促进了该技术在科研实验室中的应用，也适用于需要快速迭代的场景（例如，标准PDMS器件的原型开发），或适用于工业化生产低成本、一次性微流控器件的场合。 必要时，例如，PETL 可以使用可生物降解材料制备，并可针对医疗保健领域的应用进行调整，使其成为理想的诊断工具。它们可用于课堂教学，既可作为预制的教学材料，也可作为一种创造性挑战，让学生自行设计、制备和测试其设备。
PETL 的制备旨在简化操作流程。然而，明确该技术的关键步骤和当前局限性仍具有重要意义。部分用户会发现，与 PDMS 装置相比，PE.......
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披露
Fernando Ontiveros 正在筹备成立 PETL FLUIDICS (LLC) 公司，该公司将致力于此项技术的商业化并提供相关咨询服务。共同作者无任何利益冲突需要披露。
致谢
本手稿中的工作部分得到了美国国家科学基金会（NSF）（项目编号 CBET-1553826）（及相关的ROA补充项目）和美国国立卫生研究院（NIH）（项目编号 R35GM124935）对J.Z.的资助，以及圣母大学Melchor访问学者基金对F.O.的资助。我们感谢Jenna Sjoerdsma和Basar Bilgiçer提供了哺乳动物细胞及培养方案，并感谢Fabio Sacco在补充图绘制方面提供的帮助。
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材料
| 姓名 | 公司 | 目录编号 | 评论 |
|---|---|---|---|
| 活检穿孔器（1 mm） | Miltex | 33-31AA | 可选，替代旋转工具装置 |
| 钝针 | Janel, Inc. | JEN JG18-0.5X-90 | 移除塑料管并连接至Tygon管 |
| 盖玻片 | 任何 | 24 × 60 mm 为首选 | |
| 切割垫和刀片 | Silhouette America 或 Nicapa | www.silhouetteamerica.com/shop/blades-and-mats | 重复使用/一次性用品 |
| 双面胶带 | Scotch/3M | 667 | 少量，任何宽度或品牌 |
| PEEK 管 | IDEX/any | 1581L | 可提供多种配置。若尚未使用PEEK管，请考虑改用Tygon管 |
| PET/EVA 热塑性复合薄膜 | Scotch/3M &和 Transcendia | TP3854-200，TP5854-100 && transcendia.com/products/trans-kote-pet | 3 - 6 密耳（密耳 = 1/1000 英寸）覆膜袋或覆膜卷 |
| PVC薄膜 - 保鲜膜 | Glad / Any | 食品包装 | |
| 旋转工具钻 | Dremel/任意 | 200-121 或其他 | 1/32 和 3/64" 推荐使用 Dremel 钻头 |
| 橡胶滚轮 | Speedball | 4126 | 为促进粘附，任何品牌的试剂均可使用 |
| 剪刀 &和镊子 | 任何 | Fiskars 英寸钛合金软握剪刀 | Cole-Parmer –# UX-07387-12 | 建议使用优质品牌 |
| Silhouette CAMEO 裁切机 | Silhouette America | www.silhouetteamerica.com/shop/cameo/SILHOUETTE-CAMEO-3-4T | 首选手工切割器 |
| Silhouette Studio 软件 | Silhouette America | www.silhouetteamerica.com/software | 控制工艺切割机并提供绘图工具（可免费下载，适用于 Mac 和 PC） |
| 注射泵 | 哈佛仪器或新纪元 | 70-4504 或 NE-300 | 泵是理想选择，也可使用移液管或滴定管。 |
| 注射器 | 任何 | 1-3 mL | |
| 热压覆膜机 | Scotch/3M | TL906 | 标准家用/办公型设备 |
| Tygon 软管（E-3603） | Cole-Parmer | EW-06407-70 | 使用钝针头尖端 |
| 乙烯基家具防撞垫 | 德蓝/3M/艾弗比尔特 | 透明自粘贴片（6 x 2 mm 和 8 x 3 mm） | 建议使用圆形保险杠 |
参考文献
- Xia, Y., Whitesides, G. M. SOFT LITHOGRAPHY. Annual Review of Materials Science. 28 (1), 153-184 (1998).
- Beebe, D. J., Mensing, G. A., Walker, G. M. Physics and Applications of Microfluidics in Biology. Annual Review of Biomedical Engineering. 4 (1), 261-286 (2002).
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重印与许可
