微流体是开发诊断测试的强大工具。然而,通常需要昂贵的设备和材料,以及费力的制造和处理技术。在这里,我们详细介绍了在低成本和易于使用的环境中用于磁性微粒和纳米颗粒免疫测定的丙烯酸微流体装置的制造方案。
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微流体是开发诊断测试的强大工具。然而,通常需要昂贵的设备和材料,以及费力的制造和处理技术。在这里,我们详细介绍了在低成本和易于使用的环境中用于磁性微粒和纳米颗粒免疫测定的丙烯酸微流体装置的制造方案。
微流体系统极大地改进了免疫测定技术。然而,许多微细加工技术需要专门、昂贵或复杂的设备,这使得制造成本高昂且与大规模生产不兼容,这是在资源匮乏的环境中采用即时检测 (POCT) 的最重要先决条件之一。这项工作描述了使用计算机数控(CNC)微铣削技术进行纳米颗粒偶联酶免疫测定测试的丙烯酸(聚甲基丙烯酸甲酯,PMMA)装置的制造过程。微流体装置的功能通过执行免疫测定来显示,以使用溶菌酶作为偶联到100nm磁性纳米颗粒的模型抗原来检测商业抗体。该设备集成了高度仅为 5 μm 的物理交错限制,用于通过放置外部磁铁来捕获构成磁阱的磁性微粒。这样,共轭纳米颗粒免疫载体上的磁力足以捕获它们并抵抗流动阻力。这种微流体装置特别适用于低成本的大规模生产,而不会损失免疫测定性能的精度。
近年来,微流体在免疫测定技术中发挥了重要作用1。与传统免疫分析相比,小型化技术具有许多突出的优势,例如减少样品和试剂消耗、缩短孵育时间、高效的溶液交换以及更高的集成度和自动化程度2。
此外,免疫测定中的微流体系统与磁性纳米颗粒作为免疫支持物相结合,大大减少了孵育时间,由于增加了表面体积比3,实现了高检测灵敏度。颗粒的布朗运动改善了抗原-抗体复合物4,5形成过程中的反应动力学。此外,纳米颗粒的磁性提供了集成到不同微流体器件配置中的多功能性,使其成为小型化片上生物传感系统中信号传导和分子捕获的理想候选者5。然而,由于高表面体积比6,磁力明显弱于纳米尺度的阻力。因此,捕获纳米颗粒用于关键的免疫测定步骤(如洗涤和检测)可能具有挑战性,而传统的磁铁是不够的4.
操纵纳米颗粒的一种有效方法是使用由铁微粒形成的微流体磁阱,铁微粒包装在微流体结构3中。因此,当外部磁铁接近时,在磁化多孔介质内,磁力和磁通力之间会产生复杂的相互作用。作用在纳米颗粒上的磁力足够强,可以捕获它们并抵抗流动阻力3,4,7。这种方法需要微细加工技术,达到几微米量级的分辨率,以产生保留微粒的微度量结构。
目前的微细加工技术允许高分辨率制造从几微米到数百纳米的结构8。然而,其中许多技术需要专门的、昂贵的或复杂的设备。主要困难之一是需要用于模具制造的洁净室,这仍然昂贵且耗时8,9。最近,微流体工程师通过开发各种替代制造方法克服了这一缺点,这些方法具有降低成本、缩短周转时间、更便宜的材料和工具以及增加的功能等各种优势8。通过这种方式,新的微细加工技术的发展带来了低成本、非洁净室的方法,其分辨率低至 10 μm8。图案可以直接在基板上使用,而不会产生昂贵的成型图案,从而避免了耗时的过程。直接制造方法包括CNC铣削,激光烧蚀和直接光刻8。所有这些方法都适用于在各种材料中生产高纵横比通道,无论其硬度如何9,从而在微流体装置中实现新的有利几何形状,物理行为和质量8。
CNC微铣削使用从基板上去除块状材料的切削工具创建微尺度结构,是微流体装置的有效制造方法10,11。微铣削技术可用于微流体应用,可直接在工作表面上创建微通道和特征,具有关键优势:可以在短时间内(不到 30 分钟)制造工件,从而显着缩短从设计到原型的周转时间12.此外,不同材料、尺寸和形状的切割配件的广泛可用性使数控铣床成为一种合适的工具,可以在多种类型的低成本一次性材料中制造不同的功能13。
在微铣削中常用的所有材料中,热塑性塑料由于其许多有利的性能和与生物应用的兼容性而仍然是首选10,14。热塑性塑料是微流体系统的一种有吸引力的基材,因为它们在开发低成本、一次性分析系统方面具有显著优势9.此外,这些材料非常适合大批量制造工艺,使其适合商业化和大规模生产。由于这些原因,自微流体10早期以来,PMMA等热塑性塑料一直被认为是可靠和坚固的材料。已经描述了不同的协议来制造热塑性塑料中的闭合通道,例如溶剂键合15,热键合16和紫外线(UV)/臭氧表面处理粘合17。
在许多情况下,对于某些需要小于10μm结构的微流体应用,使用传统微铣床实现的定位分辨率是不够的。高端微铣具有足够的分辨率。不幸的是,由于价格高昂,它的使用仅限于少数用户12。此前,我们的研究小组报告了一种低成本刀具的制造和操纵,该刀具允许加工小于10μm的结构,克服了传统铣床的分辨率12。该夹具是通过3D打印制造的具有简单电子设备的平台,包含三个压电致动器。表面包含铰链形接头,当压电元件同时作用时,可以将其抬起。Z轴位移可以控制在500nm的分辨率和±1.5μm12的精度下。
本文介绍了通过微铣削技术制造丙烯酸设备(PMMA)的过程步骤。芯片设计由一个宽 200 μm 、高 200 μm 的主通道和一个相同尺寸的侧通道组成,用于吹扫试剂的流动。在中心区域,通道被高度仅为5μm的物理限制中断,该限制由该组12制造的3D打印压电平台制造,以捕获构成纳米颗粒磁性陷阱的磁性微粒通过放置外部磁铁。我们通过执行免疫测定来显示微流体装置的操作,以使用溶菌酶作为偶联到100nm磁性纳米颗粒的模型抗原来检测商业抗体。该设备结合了使其独特的不同功能4:使用磁性纳米颗粒作为免疫支持将总测试时间从几小时减少到几分钟;使用荧光酶进行检测可实现与标准酶联免疫吸附测定(ELISA)相当的检测限;并且使用热塑性塑料作为制造材料使其与大规模生产兼容,这是以前的微流体纳米颗粒的磁性陷阱3所没有的,并使其成为开发POCT的绝佳候选者。
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1. 微铣

图 1:立铣刀钻头放置。 (A) 将 200 μm 和 800 μm 立铣刀钻头放置并通过螺钉固定到钢支架上。(B)每个立铣刀钻头放置在微铣床的特定隔间内,以便自动选择。请点击此处查看此图的大图。

图 2:压电平台。 该平台由3D打印制造,由两个由铰链连接的六边形底座组成,铰链允许由三个压电致动器控制的z轴上的精细位移。还观察到一个丙烯酸适配器,其上附有PMMA矩形,并允许设置坐标的对齐角。 请点击此处查看此图的大图。

图 3:Z 轴校准。 详细介绍了 z 轴校准的步骤。(A) z传感器包括一根插入微铣床的电缆。(B) 将传感器直接放置在待加工的表面上。(C) 检测销由放置在立铣刀钻头旁边的特殊隔间中的金属棒组成。(D)当两个附件接触时,微铣机自动计算z轴上的原点坐标。 请点击此处查看此图的大图。

图 4:精馏的丙烯酸 表面。 (A) 直径为 200 μm 的立铣刀钻头扫过丙烯酸矩形的整个表面,去除约 30 μm 高的层。(B)图像显示了在先前精馏的丙烯酸表面铣削的不同结构。观察试剂入口和出口的通道和孔。5 μm 的限制是肉眼看不到的。(C) 带有对准孔的微铣表面和在相对角带有对准柱的适配器。(D)亚克力在带有柱子的适配器上倒置对齐,对准孔适合该柱子。比例尺 = 500 μm。 请点击此处查看此图的大图。
2. 通道密封

图 5:设备的密封过程。 (A)将每块亚克力板放入装有蒸馏水的可重新密封的袋子中,并浸入超声波浴中。 (B)左图显示了制造后的通道,右图显示了用IPA和超声波浴洗涤后的同一设备, 从微通道中去除所有杂质和丙烯酸残留物。观察到中断200μm中心通道的限制边缘,这证实了成功的铣削过程。比例尺 = 500 μm。 (C)两种丙烯酸树脂都干燥并粘附在盖子上的玻璃平台上。(D)将培养皿的底部放置在另一个直径较大的培养皿内。(E)关闭培养皿时,水封可防止气态氯仿逸出。(F) 重量为 5 kg 的杠杆元件的说明。(G) 打开杠杆的图像,以红色显示放置丙烯酸的区域。请点击此处查看此图的大图。
3. 设备准备
4. 微粒捕集器的形成
5. 免疫分析
6. 实验安装

图 6:最终设备配置 。 (A) 亚克力装置,软管连接到相应的输入和输出。刻度以厘米为单位显示设备的尺寸。(B)形成微粒捕集器的协议。当设备放置在垂直位置时,微粒通过重力流过通道。微粒在5μm限制下浓缩。通过侧通道旋转芯片,可以轻松去除多余的微粒。芯片保持垂直以在免疫测定之前保留陷阱。(C)安装在装有磁铁的载玻片上的微流控装置,倒置荧光显微镜的载物台上。观察添加试剂的分配针,以及连接到注射泵的出口软管。 请点击此处查看此图的大图。
7. 免疫检测
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有可能建立一个高度可重复的制造方案,以提高传统微铣削技术的分辨率。使用该协议,可以实现在200μm高通道中作为交错限制运行的低至5μm高度的通道的制造。交错限制的简单设计可捕获直径为 7.5 μm 的铁微粒,当在微通道中压实时,当外部磁铁接近设备时,可以创建磁阱。该装置允许使用与目标分析物偶联的纳米颗粒作为免疫学支持物进行免疫测定。在这项工作中,进行了具有基于酶标记抗体的检测的非竞争性间接免疫测定。模型抗原(Ag)是与直径为100 nm的纳米颗粒(NPs)偶联的溶菌酶蛋白。以兔抗溶菌酶IgG为一抗(AbI),使用兔辣根过氧化物酶偶联二抗(HRP-AbII)进行检测。
通过将HRP-AbII与荧光底物在通过陷阱与包埋的纳米颗粒时相互作用后获得的荧光信号强度的变化相关联来进行检测。为了进行测量,确定了疏水阀之前的区域和之后的区域。图7A-D显示了给定荧光底物流速(3 μL/h)下不同浓度抗溶菌酶AbI的荧光强度增加:0 ng/mL、10 ng/mL、100 n...
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使用微铣削技术制备了一种使用纳米颗粒作为免疫载体的用于免疫测定的丙烯酸微流体装置。在基材上直接制造的方法具有避免使用母模以及这意味着时间和成本的优点。但是,它仅限于快速原型制作和大批量设备制造。
在这里,我们使用了先前报道的铣床12的附件压电平台。该平台通过3D打印制造,以创建垂直分辨率优于传统微铣床10μm分辨率的可变深度通道。我们实现了高达5μm高的通道的铣削,这些通道在200μm的微流体通道中形成交错限制。
制造微流体装置只需要两个直径为 200 μm 和 800 μm 的立铣刀钻头,无需手动更换钻头。所使用的铣床型号自动执行位交换,这有助于时间优化。此外,"Z0感应"模式允许通过接触传感器和铣床中包含的销,在z轴上自动高精度地确定原点。
该装置的设计很简单,仅由被 5 μm 交错限制中断的主通道和一个用作微粒吹扫和入口的附件通道组成。然而,这种结构的高精度对于捕获直径为7.5μm的铁微粒的限制是必需的。较大的限制允许...
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作者没有利益冲突需要披露。
这项工作得到了墨西哥国家委员会(CONACYT)在"科学、技术和创新活动方案"的赠款312231支持,以及AMEXCID和墨西哥外交部(SRE)在"SARS-CoV-2的Prueba serológica rápida、barata y de alta sensibilidad para SARS-CoV-2"的赠款下。JAHO感谢Conacyt Mexico的博士奖学金。
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| Name | Company | Catalog Number | Comments |
|---|---|---|---|
| 0.008 立铣刀 | KYOCERA SGS | 2204 | 2FL 0.008x1/8x0.12x1-1/12 |
| 0.032 立铣刀 | KYOCERA SGS | 2228 | 2FL 0.032x1/8x0.48x1-1/12 |
| 羰基铁微粒 | Sigma-Aldrich | 44890 | 7 μM |
| 氯仿 | Fermont | 6201 | 健康危害:中等 可燃性:无 反应性:无 接触危害:中等 |
| CMOS 相机 Moment | Teledyne 光度传感器 | 技术:CMOS 量子效率:73% 像素大小:4.5 µM x 4.5 和微型;m 支持的接口: USB 3.2 Gen 2 | |
| Dr Engrave Software | 罗兰DGA公司 | 设计和创建表面雕刻路径的雕刻软件 | |
| 抽气罩 | 未知 | 未知 未知 | |
| 柔性塑料管 | Tygon | AAD04103 | ID = 0.020, OD = 0.060 |
| 荧光显微扫描 | 蔡司 | Axio Vert.A1 | |
| 高精度点胶针头 | Loctite | 98612 | |
| 自制压电控制器应用 | LabView | 有关更多详细信息,请参阅参考文献 12。 | |
| 乐泰 495 速干胶 | 汉高 | 49503 | 使用微量移液器吸头或分配针头涂抹 |
| MagJET 分离架 | thermoscientific | 12 x 1.5 mL | |
| 机械压力机 | 自制 | ||
| 铣床 | Roland | MDX-50 | |
| 压电平台 | 自制 | 参见参考文献 12 | |
| 聚甲基丙烯酸甲酯 - 片材 - PMMA,丙烯酸 | Goodfellow | ME303018/1 | 厚度:1.3 毫米,透明度:透明/透明 |
| PVCamTest 软件 | Teledyne Photometrics | 版本 3.10.107 | 图像采集软件 |
| 立体显微镜 | 尼康 | SMZ 7457 | |
| SuperMag 羧基微珠 | Ocean NanoTech | KSC0100 100 | nm |
| 注射泵 | kd Scientific | KDS200 | 最多可容纳两个注射器 |
| Utrasonic 浴 | Branson | 2800 | |
| VPanel 软件 | Windows作系统 | 版本 1.0.3.0 | 用于控制微铣床的软件 |
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