本方案描述了一种可用于高效浓缩微粒的气动微流控平台。
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摘要
摘要
本文介绍了一种利用微流控平台制备和操作气动阀以控制颗粒浓度的方法。该平台具有三维（3D）网络结构，包含弯曲的流体通道和三个气动阀，通过聚二甲基硅氧烷（PDMS）的双复制工艺形成网络、通道和空间。该装置的工作原理基于气动阀控制流体流速的瞬态响应，操作顺序如下：（1）样品加载，（2）样品阻断，（3）样品浓缩，（4）样品释放。颗粒被筛阀（Vs）板上薄隔膜层的形变所阻挡，并在弯曲的微流控通道中积聚。工作流体通过两个开关阀的驱动而排出。实验结果表明，各种尺寸的颗粒均被成功截留并释放。当应用该技术时，操作压力、浓缩所需时间以及浓缩速率可能因装置尺寸和颗粒尺寸放大倍数的不同而有所变化。
引言
由于生物分析的重要性，微流控和生物医学微机电系统（BioMEMS）技术1,2被用于开发和研究用于微材料纯化与收集的装置2,3,4。 颗粒捕获可分为主动式和被动式。主动捕获方法利用外部介电5、磁泳6、声学7、光学8或热力9作用于独立颗粒的力，从而实现对其运动的精确控制。然而，该方法需要颗粒与外力之间发生相互作用，因此通量较低。在微流控系统中，控制流速至关重要，因为外力需传递至目标颗粒。
通常，被动式微流控装置在微通道内具有微柱结构10,11。颗粒通过与流动流体的相互作用实现过滤，这类装置易于设计且制造成本低廉。然而，它们容易导致颗粒在微柱处发生堵塞，因此已开发出更复杂的装置以防止颗粒堵塞12。具有复杂结构的微流控装置通常适用于处理数量有限的颗粒13,14,15,16,17,18。
本文介绍了一种用于大颗粒浓缩的气动驱动微流控平台的制备与操作方法，该方法克服了现有技术的不足18 如上所述，该平台可通过筛阀（Vs）板上薄隔膜层的变形与驱动，在弯曲的微流控通道中实现颗粒的阻滞与富集。颗粒在弯曲的微流控通道中聚集，通过排出工作流体即可实现浓缩颗粒的分离。 通过 两个PDMS密封开关阀的驱动18该方法可用于处理少量颗粒，或浓缩大量微小颗粒。通过调节流速大小和压缩空气压力等操作条件，可避免细胞损伤，并提高细胞捕获效率。
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方案
1. 设计用于颗粒浓缩的微流控平台
- 设计气动微流控平台，该平台包含一个用于三维流体网络中流体流动的气动阀，以及三个分别用于筛网（Vs）、流体（Vf）和颗粒（Vp）阀操作的气动阀。图1).
注意：Vs 阀块用于将液体中的颗粒浓缩，Vf 和 Vp 阀块则在浓缩后实现流体和颗粒的释放。三个气动端口提供压缩空气，分别来自流体/气动供给层（常开状态）和气动阀的气动出口，以驱动阀门动作。微流控通道网络采用 CAD 程序设计。18,19. - 设计通道，使其包含一个气动供给层和一个三维通道网络层（图2).
注意：流体网络在前部与弯曲通道相连，在后部与矩形腔室相连。当阻断入口时，颗粒在弯曲流体通道的收集区域聚集。无颗粒液体（无颗粒流体）从 Qf 出口排出，浓缩的颗粒从 Qp 出口排出。图3). - 根据上述条件，制备四种类型的SU-8模具。
注意：这四种模具中包含一种可控制阀门的模具 通过 气动装置、两个用于形成流体通道的模具，以及一个无特定形状的洁净模具（图4 和 表1）。上述四种模具均采用标准的光刻工艺制备。该模具制作过程包括在硅片上制备SU-8模具，具体方法参照先前已发表的文献报道。18,19. 图5 显示了该装置芯片。
2. 用于颗粒浓缩的微流控平台的制备
注意：图6 展示了一种用于浓缩颗粒的微流控平台的制备过程。
- 使用预先制备的气动阀通道SU-8模具（步骤1.3）复制PDMS层，用于气动控制阀门。
- 将10 mL液态PDMS和1 mL固化剂（见材料表）倒入预先制备的气动阀通道模具（步骤1.3）中，在90 °C下加热活化30分钟。
- PDMS结构固化后，分离步骤2.1.1中的SU-8模具。
- 使用1.5 mm穿孔器（见材料表）在根据步骤2.1.2制备的气动阀通道上打三个直径为1.5 mm的气动端口（Vs、Vf和Vp）。
- 将10 mL液态PDMS和1 mL固化剂倒入步骤1.3中预先准备好的洁净SU-8模具中，使用匀胶机以1,500 rpm转速旋涂15秒（见材料表），然后在90 °C下加热活化30分钟。
- PDMS结构固化后，分离步骤2.1.4中的SU-8模具。
注：阀膜层根据气压控制流体流动。 - 对步骤2.1.3和2.1.5制备的PDMS结构进行大气等离子体处理（见材料表），处理时间为20秒。
- 在显微镜下检查通道结构，将步骤2.1.6中经等离子体处理的PDMS结构直接对准。
- 将步骤2.1.7中对准的PDMS结构在90 °C下加热30分钟进行键合。
- 使用1.5 mm穿孔器，在已与薄膜层键合的气动通道部分的流体通道入口（Qfp）及流体通道出口（Qf和Qp）处打一个直径为1.5 mm的孔。
- 使用两个SU-8模具复制PDMS层的两侧，以制造微流控通道。前侧使用弯曲和矩形微流控通道模具，后侧使用微流控互连通道模具。
- 将10 mL液态PDMS和1 mL固化剂倒入弯曲和矩形微流控通道模具中，以1,200 rpm转速旋涂15秒，然后在90 °C下热活化30分钟，形成弯曲流体腔和流体通道的模具（图6A）。
- 分离形成微流控通道的PDMS层，然后通过大气等离子体处理20秒将其键合至玻璃晶圆上，形成覆盖密封通气壁的热活化模具（图6B）。
- 将3 mL液态PDMS倒入SU-8模具的互连通道中（图6C）。
- 将步骤2.2.2中制备的结构与含有液态PDMS的互连通道模具在微流控互连通道模具上对齐，并在130 °C下干燥叠加结构30分钟（图6D）。
注：在后部结构固化过程中，步骤2.2.2中制备的PDMS模具因空气层的热压力而膨胀，变形的PDMS层被热活化（图6E）16。 - 固化后，从微流控通道网络层上移除前部SU-8模具，并小心剥离后部PDMS模具（图6F）。
注：三维流体网络层可实现前部弯曲流体腔和微流控通道的构建。 - 将10 mL液态PDMS和1 mL固化剂倒入洁净的SU-8模具中，然后在90 °C下加热活化30分钟。
- PDMS结构固化后，分离SU-8模具。
注：此步骤用于制备额外的密封层。 - 对步骤2.2.3和2.2.7中制备的PDMS结构进行大气等离子体处理，处理时间为20秒。
- 在显微镜下检查通道结构，将经等离子体处理的PDMS结构直接对准。
- 将对准的PDMS结构在90 °C下加热30分钟进行键合。
- 根据通道结构对准步骤2.1和2.2中制备的PDMS结构，并通过大气等离子体处理20秒进行键合。
3. 设备设置
注意：图7 展示了用于浓缩颗粒的微流控平台的制备过程。
- 使用10 mL注射器将无气泡的去离子水手动注入微流控通道中。
- 为控制工作流体压力（P_Qfp）以及控制微珠流动的三个气动阀（P_Vs、P_Vf 和 P_Vp），将一个具有四个或更多输出通道的精密压力控制器（见材料表）连接至微流控平台，用于控制工作流体（Qfp）。
注意：具有四个输出通道的精密压力控制器可用多个精密压力控制器替代。本实验中，P_Qfp 的工作压力为 10 kPa，P_Vs 为 15 kPa，P_Vf 和 P_Vp 均为 18 kPa（图8 和 Table 2）。图8 显示了在 P_Vs 为 15 kPa 时，微流控平台对颗粒进行富集过程中工作流体流速随时间的变化，Table 2 列出了不同气动阀动作下的实验结果。 - 将不同尺寸的羧基聚苯乙烯测试颗粒配制成蒸馏水悬浮液（见材料表）。
注意：本实验使用的颗粒尺寸分别为 24.9、8.49 和 4.16 µm；可根据 P_Vs 的压力选择不同尺寸的颗粒。 - 为控制工作流体的流速，将玻璃瓶装入半瓶水（工作流体），并将瓶盖连接至控制器输出通道和微型阀。
注意：将一根管路连接至微型阀以接收来自控制器的压缩空气，另一根管路用于注入水。 - 通过倒置显微镜观察平台在所有操作过程中的运行情况，并使用液体流量计（见材料表）测量出口处随时间变化的操作流速。
4. 设备的操作
- 在入口处以压力注入颗粒/流体混合物（Qfp），体积为 Vp（图9A).
注意：通过互连通道从出口流出的颗粒和清洁流体的流动受到控制 通过 分别为 Vp 和 Vf（表2). - 对 Vs 施加 15 kPa 压力，对 Vp 施加 18 kPa 压力以驱动阀门。
注意：此时膈膜发生形变，Qfp 流体的颗粒被阻留在弯曲流体通道与弯曲流体悬臂之间的接触空间内，而不需要的 Qfp 流体则通过开放的 Qf 释放出去图9B，C). - 当颗粒浓缩时，仅对 Vf 施加压力。
注意：此时，当仅对 Vf 施加压力时，堵塞的颗粒会通过 Qp 释放图9D).
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结果
图8展示了如表2所述的四阶段平台操作中的流体流速情况。第一阶段为加载状态（a状态），此时所有阀门均打开，平台通入流体，由于微流控通道网络具有结构对称性，工作流体（Qf）与颗粒（Qp）的流量几乎相同。在第二阶段（b状态），压缩空气被输送至Vs以阻断颗粒，随着Vs隔膜发生形变，流道变窄，出口端测得的流速因水力阻力增加而降低。Qf与Qp的流速仍基本相近，差异小于2.67%。在第三阶段（c状态），压缩空气同时输送至Vs和Vp以实现颗粒浓缩，此时Vs和Vp关闭，Vf打开。测得的Qp接近于零，而Qf约为b状态时的1.42倍。通常情况下，当两个耗散通道同时工作时流速会翻倍，但由于该平台在主流体通道和Vs中存在不同类型的水力阻力，工作流体的总流量有所下降。最后阶段（d状态），仅向Vf输送压缩空气以收集浓缩后的颗粒，此时Qf与Qp的流速关系发生反转：由于Vf阻断了Qf，其流速为零，而Qp约为b状态时的1.42倍。颗粒的浓缩比（Qp/(Qf+Qp) × 100）为3.96–4.53。这表明，基于气动阀编程的顺序驱动能够有效实现流体调控，响应明显的流量变化。
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讨论
该平台提供了一种简便的方法，用于纯化和浓缩不同尺寸的颗粒。颗粒通过气动阀控制进行富集和释放，由于不存在被动结构，因此未观察到堵塞现象。使用该装置，展示了三种尺寸颗粒的浓缩效果。然而，操作压力、浓缩所需时间以及浓缩速率可能因装置尺寸、颗粒尺寸放大倍数以及 Vs18,20,21 处的压力不同而有所变化。
执行步骤3.1时，通道的曲面处可能会残留气泡。若气泡残留，通道内的环境将发生变化，因此操作前必须通过显微镜仔细检查通道。
与以往的研究相比，该平台具有一些优势和局限性。在介电泳方法中，所使用的靶向颗粒较少22。需要额外的步骤来制备颗粒，以增强颗粒与外力之间的物理相互作用22,23。在...
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披露
作者声明无利益冲突。
致谢
本研究由韩国国家研究基金会（NRF）资助，该基金会由韩国政府（科学技术信息通信部）提供资金支持（项目编号：NRF-2021R1A2C1011380）。
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材料
| 姓名 | 公司 | 目录编号 | 评论 |
|---|---|---|---|
| 1.5 mm穿刺针 | 自制 | 自制 | 该穿刺针是基于Miltex® Biopsy Punch with Plunger (15110-15)产品，委托模具制造商制作而成。 |
| 4英寸硅片/SU-8模具 | 4science | 29-03573-01 | 4英寸(100)P型硅片/SU-8模具 |
| 羧基交联聚苯乙烯微球（24.9 μm） | Spherotech | CPX-200-10 | 浓缩微球样品1 |
| 流量计 | Sensirion | SLI-1000 | 流量测量 |
| 高速相机 | Photron | FASTCAM Mini | 浓度观察 |
| 加热板 | As one | HI-1000 | 用于液态PDMS的固化加热 |
| KOVAX注射器 10 mL/注射器 | Koreavaccine | 22G-10ML | 用无气泡的去离子水填充微流控通道。 |
| 实验室电晕处理仪/大气压等离子体 | Electro-Technic | BD-20AC | 芯片键合/大气压等离子体处理 |
| 液态聚二甲基硅氧烷（PDMS） | Dow Corning Inc. | Sylgard 184 | 芯片组成部分 |
| 显微镜 | Olympus | IX-81 | 浓度观察 |
| PEEK管 | SAINT-GOBAIN PPL CORP. | AAD04103 | 用于注入或收集微粒 |
| 聚苯乙烯微球（4.16 μm） | Spherotech | PP-40-10 | 浓缩微球样品3 |
| 聚苯乙烯微球（8.49 μm） | Spherotech | PP-100-10 | 浓缩微球样品2 |
| 压力控制器/μflucon | AMED | μflucon | 空气压力控制 |
| 旋涂仪 | iNexus | ACE-200 | 将液态PDMS均匀涂布于SU-8模具表面 |
参考文献
- Whitesides, G. M. The origins and the future of microfluidics. Nature. 442 (7107), 368-373 (2006).
- Desitter, I., et al. A new device for rapid isolation by size and characterization of rare circulating tumor cells. Anticancer Research. 31 (2), 427-441 (2011).
- Hayes, D. F., et al. Circulating tumor cells at each follow-up time point during therapy of metastatic breast cancer patients predict progression-free and overall survival. Clinical Cancer Research. 12 (14), 4218-4224 (2016).
- Choi, S., Park, J. K. Microfluidic system for dielectrophoretic separation based on a trapezoidal electrode array. Lab on a Chip. 5 (10), 1161-1167 (2005).
- Jung, Y., et al. Six-stage cascade paramagnetic mode magnetophoretic separation system for human blood samples. Biomedical Microdevices. 12 (4), 637-645 (2010).
- Li, P., et al. Acoustic separation of circulating tumor cells. Proceedings of the National Academy of Sciences. 112 (16), 4970-4975 (2015).
- Lin, Y. H., Lee, G. B. Optically induced flow cytometry for continuous microparticle counting and sorting. Biosensors and Bioelectronics. 24 (4), 572-578 (2008).
- Gramotnev, D. K., et al. Thermal tweezers for surface manipulation with nanoscale resolution. Applied Physics Letters. 90 (5), 054108(2007).
- Huang, L. R., et al. Continuous particle separation through deterministic lateral displacement. Science. 304 (5673), 987-990 (2004).
- Yin, D., et al. Multi-stage particle separation based on microstructure filtration and dielectrophoresis. Micromachines. 10 (2), 103(2019).
- Yoon, Y., et al. Clogging-free microfluidics for continuous size-based separation of microparticles. Scientific Reports. 6 (1), 1-8 (2016).
- Alvankarian, J., Majlis, B. Y. Tunable microfluidic devices for hydrodynamic fractionation of cells and beads: a review. Sensors. 15 (11), 29685-29701 (2015).
- Irimia, D., Toner, M. Cell handling using microstructured membranes. Lab on a Chip. 6 (3), 345-352 (2006).
- Huang, S. B., et al. A tunable micro filter modulated by pneumatic pressure for cell separation. Sensors and Actuators B: Chemical. 142 (1), 389-399 (2009).
- Chang, Y. H., et al. A tunable microfluidic-based filter modulated by pneumatic pressure for separation of blood cells. Microfluidics and Nanofluidics. 12 (1-4), 85-94 (2012).
- Oh, C. K., et al. Fabrication of pneumatic valves with spherical dome-shape fluid chambers. Microfluidics and Nanofluidics. 19 (5), 1091-1099 (2015).
- Liu, W., et al. Dynamic trapping and high-throughput patterning of cells using pneumatic microstructures in an integrated microfluidic device. Lab on a Chip. 12 (9), 1702-1709 (2012).
- Jang, J. H., Jeong, O. C. Fabrication of a pneumatic microparticle concentrator. Micromachines. 11 (1), 40(2020).
- McDonald, J. C., et al. Poly(dimethylsiloxane) as a material for fabricating microfluidic device. Accounts of Chemical Research. 35 (7), 491-499 (2002).
- Brivio, M., et al. A MALDI-chip integrated system with a monitoring window. Lab on a Chip. 5 (4), 378-381 (2005).
- Jeong, O. C., Konishi, S. The self-generated peristaltic motion of cascaded pneumatic actuators for micro pumps. Journal of Micromechanics and Microengineering. 18 (8), 085017(2008).
- Taff, B. M., Voldman, J. A scalable addressable positive dielectrophoretic cell-sorting array. Analytical Chemistry. 77 (24), 7976-7983 (2005).
- Pamme, N., et al. On-chip free-flow magnetophoresis: Separation and detection of mixtures of magnetic particles in continuous flow. Journal of Magnetism and Magnetic Materials. 307 (2), 237-244 (2006).
- Harris, N. R., et al. Performance of a micro-engineered ultrasonic particle manipulator. Sensors and Actuators B: Chemical. 111, 481-486 (2005).
- Yoon, Y., et al. Clogging-free microfluidics for continuous size-based separation of microparticles. Scientific Reports. 6 (1), 1-18 (2016).
- Beattie, W., et al. Clog-free cell filtration using resettable cell traps. Lab on a Chip. 14 (15), 2657-2665 (2014).
- Cheng, Y., et al. A bubble- and clogging-free microfluidic particle separation platform with multi-filtration. Lab on a Chip. 16 (23), 4517-4526 (2016).
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