使用介电泳分离珠和多通道微流控芯片细胞和层流
February 4th, 2011
介电泳（DEP）是一种有效的方法操纵细胞。无接触的细胞在微流体装置操作，印刷电路板（PCB），可以提供价格低廉，可重复使用的和有效的电极。 PCB上的盖玻片相结合为基础的PDMS微流体通道，我们展示了多通道微流控装置内珠和细胞的操纵和分离。
该程序的总体目标是使用印刷电路板或 PCB 使用 D 电泳或 DEP纵微流体设备内的细胞和珠子。这是通过首先设计和准备 PCB 电极和微流体通道来实现的。该程序的第二步是准备 PCB 微流体组件以及微珠和细胞溶液。
该程序的第三步是用低电导率介质填充通道，然后加载微珠和细胞。该过程的最后一步是将 PCB 组件与功率放大器和函数发生器连接，然后启动 DEP。最终，可以获得显示通过使用 DEP 在微流体设备中分离和纵细胞和珠
子的结果。通常，刚接触这种方法的人会很挣扎，因为用户必须了解 DEP 的原理，以便开发一种有效的电极，该电极与微流体设备配合使用，用于所需的细胞或珠子作。另一方面，使用 PCB 作为电极，使微流体设备中的电池和磁珠驱动可用于一系列科学学科。此过程的第一步是将印刷电路板或 PCB 电极设计为具有所需的几何形状，以产生不均匀的电场。
设计完成后，通过商业制造设施订购定制的 PCB 电极芯片。定制 PCB 到达后，打开它并检查它以进行此演示。PCB 长 8.4 厘米，宽 2.1 厘米。
金属电极宽 5 毫米。在这个例子中，电极有两条长金属条和两个 4.5 毫米长的交叉区域，电极在其中交叉。这些叉指区域产生一个强大的非均匀电场，以形成从刺激器到 PCB 电极的连接。
将 16 号线放在电极末端。使用热烙铁将电线固定在 PCB 的金属区域。这会加热电线。
将焊料固定在加热的焊丝上，让少量焊料流入焊丝。在焊料中填充焊料后，在焊料冷却时取下将焊丝固定到位的烙铁。对 PCB 上的另一个电气连接重复焊接过程。
下一步是准备具有所需分支模式的微流体通道。使用标准的微制造技术，创建一个母模，以使用硅晶片和 SU 8 光刻胶定义通道。此母模具有一个输入通道和三个目标通道。
通道的宽度为 100 微米，通道的高度为 27 微米。创建母模后，将聚甲基 LAANE 或 PDMS 弹性体与固化剂以 10：1 的等待重量比混合 5 分钟。将液体 PDMS 倒在预制的 SU 8 母模上，并将液体 PDMS 暴露在真空中 3 分钟以去除气泡。
如果需要，重复真空过程以完全去除所有气泡。如果需要，可以使用氮气流去除多余的气泡。将 PDMS 放入 70 摄氏度的烘箱中固化 2 小时。
使用剃须刀片从晶圆上去除带有微流体通道的 P-D-M-S-S 实验室。小心不要在通道空间扩大的情况下打破晶圆。使用活检打孔器打孔，将液体和细胞引入微流体装置。修剪。
任何多余的 PDMS。检查微流体设备以确保它没有灰尘和碎屑。使用 3M Scotch Magic 胶带清洁 PDMS。
将 PDMS 通道和 80 至 130 微米厚度的干净数字零盖玻片暴露在等离子气体中 1.5 分钟。在培养皿等离子键中从等离子清洗机上取下 PDMS 实验室和盖玻片，基于盖玻片的 PDMS 微流体通道将盖玻片微流体组件加热到 100 摄氏度的热板上至少 15 分钟。准备微流体器件的最后一步是将 PDMS 通道和盖玻片放置在 PCB 电极上方。
首先将大约 10 微升矿物油放在 PCB 上。为确保 PCB 和盖玻片之间紧密接触，请将盖玻片微流体通道组件与盖玻片放在涂油的 PCB 上。接触油时，轻轻向下按压盖玻片微流体组件，以确保良好的接触，并最大限度地减少可能分散细胞和珠子可视化的气泡。
另一个重要步骤是在去离子水中制备低电导率介质混合物、8.5% 蔗糖和 0.3% 葡萄糖重量比。微流体装置现在可以使用，使用移液器在必要时用 15 至 20 微升的低电导率介质填充每个微流体通道。使用真空抽吸去除通道中的任何气泡。
下一步是将测试颗粒引入微流体装置中。该演示使用每微升 550 个聚苯乙烯微珠的悬浮液低电导率介质，因为微珠会随着时间的推移沉淀，因此在搅拌下悬浮微珠。然后使用移液器将 200 微升聚苯乙烯珠子悬浮液引入通道中。
下一步是准备电极，将函数发生器的输出连接到交流功率放大器的输入端。然后将放大器的输出连接到电极丝。用电工胶带覆盖装置的所有电线和表面，以保护用户免受潜在的冲击。
将函数生成器设置为产生 1 到 1.5 兆赫兹的正弦波输出。启动 DEP 以开始对此设置中的细胞和微珠进行分选。入口通道位于右侧，三个目标通道在三叉交汇处分开。
PCB 电极对应于无层流且无 DEP 的黑色条纹。微珠在 DEP 开始时基本上是静止的，但没有流动。当层流开启时，磁珠会向 PCB 电极迁移，并远离电极之间的空间。
但 DEP 已关闭，流经入口通道的微珠在三个目标通道之间分配。当 DEP 启动且层流开启时，微珠被驱动仅在中央通道中流动。在接下来的视频中，微流体器件在 PCB 电极上方旋转，导致通道方向发生变化。
关于 PCB 电极。以前垂直于 PCB 电极的入口通道现在几乎与层流开启的电极平行。但是磁珠上的 DEP 平等地进入所有三个目标通道。
当 DEP 启动时，磁珠接近三分叉点，DEP 力将磁珠拉入电极上方的侧通道。视频中的下一组图显示了微流体设备中人结肠腺癌或 HT 29 细胞和荧光珠的混合物。在此 DIC 图像中，开放箭头标识层流的方向，通道用虚线勾勒出来。
反射金属电极可以看作是浅色背景条纹，DIC 显微镜用于在发光时对珠子进行成像。缩放强度。图像用于使单元格更明显。
该图与另一个图相同，只是显示为辉光刻度强度图像，因此必须可视化细胞和珠子。反射金属电极在此图中显示为黄色和绿色条纹。使用 DEP 时，磁珠从右侧通道流出，如 DIC 图像所示，而 HT 29 细胞在开始 DEP 之前从中央和左侧通道离开，如辉光刻度图像所示，细胞和磁珠的混合溶液从一个入口通道流向三个单独的目标通道。
诱导 DEP 后，磁珠和细胞被选择性地驱动到单独的通道中。观看本视频后，您应该对如何开始实施表盘电泳来处理微流控设备中的细胞和微珠有很好的了解。
概述
本文讨论了使用印刷电路板（PCB）在微流控装置中利用介电泳（DEP）操作细胞和微珠。通过将PDMS基微流控通道与PCB集成，展示了有效的无接触颗粒操作和分离。
关键研究组成部分
科学领域
- 微流控
- 细胞操作
- 介电泳
背景
- 介电泳是一种使用非均匀电场操作粒子的方法。
- 印刷电路板为创建电极提供了一种经济的解决方案。
- 微流控装置对于精确控制流体流动和粒子操作至关重要。
- 理解DEP原理对于在微流控中有效应用至关重要。
研究目的
- 展示在微流控应用中使用PCB进行DEP的可行性。
- 提供设置DEP系统的逐步程序。
- 展示细胞和微珠的操作和分离。
使用的方法
- 设计和制造具有特定几何形状的PCB电极。
- 使用PDMS和SU-8光刻胶制备微流控通道。
- 用低导电介质填充通道并引入测试粒子。
- 将PCB连接到功率放大器和函数发生器以启动DEP。
主要结果
- 在微流控装置中成功操作微珠和细胞。
- 使用DEP展示有效的分离。
- 建立了在微流控应用中使用PCB的可靠方法。
- 在DEP条件下视觉确认粒子行为。
结论
- PCB为微流控中的DEP提供了一种实用方法。
- 该研究增强了DEP技术在科学学科中的可及性。
- 理解DEP原理对于优化电极设计至关重要。
常见问题
Executive Industry Relevance
Dielectrophoresis (DEP) using printed circuit board (PCB) electrodes enables non-contact manipulation and separation of cells and beads in microfluidic systems, offering a cost-effective alternative to specialized equipment like optical tweezers. This approach supports early-stage target validation and assay development by providing precise control over particle positioning in laminar flow, reducing reliance on complex fabrication. The method enhances predictive confidence in discovery workflows by enabling reproducible, quantitative separation of biological and synthetic particles for downstream analysis.
Strategic Applications in Biopharma R&D
Early Discovery & Target Validation
- Scientific Value: Enables interrogation of cellular responses to dielectrophoretic forces, supporting functional target validation through controlled particle manipulation.
- Operational Value: Uses accessible PCB electrodes to lower barriers for implementing DEP in multidisciplinary discovery labs.
Screening & Assay Development
- Scientific Value: Facilitates preparation of standardized bead and cell suspensions in low-conductivity media for reproducible microfluidic assays.
- Operational Value: Enables scalable separation of test particles into defined channels, supporting high-throughput screening readiness.
Translational & Preclinical Research
- Scientific Value: Demonstrates separation of HT29 colon adenocarcinoma cells from beads, providing a disease-relevant system for mechanistic de-risking.
- Operational Value: Supports continuity from discovery to preclinical workflows by enabling label-free sorting of cells based on dielectric properties.
Pipeline & Workflow Integration
This method integrates into the discovery continuum by enabling early-stage hypothesis testing through controlled particle manipulation, progressing to assay development via reproducible separation, and supporting translational research via disease-relevant cell isolation.
- Discovery Biology: Supports hypothesis testing and pathway clarification by allowing precise positioning of cells and beads in microfluidic channels under DEP.
- Screening: Delivers assay readiness through standardized particle separation into target channels, ensuring consistent readouts for compound evaluation.
- Analytics: Provides quantitative dependent variable measurements via channel-specific particle collection, enabling statistical comparison of conditions.
- Translational Research: Connects to preclinical continuity by isolating disease-relevant cells (e.g., HT29) from mixed populations for further validation.
- Enterprise Reuse: Positions PCB-based DEP as a reusable platform across projects due to standardized electrode design and microfluidic assembly.
Operational & Enterprise Impact
- Scientific Value: Predictive confidence in target validation through dielectrophoretic separation of cells and beads based on intrinsic properties.
- Operational Value: Standardization and reproducibility via PCB electrode geometry and low-conductivity media protocols.
- Strategic Value: Improved go/no-go decisions by reducing mechanistic ambiguity in early-stage particle behavior studies.
- Portfolio Impact: Risk-adjusted prioritization through reliable separation data that informs advancement of cell-based assays.
Implementation Considerations
- Requires expertise in dielectrophoresis principles and electrode design to generate effective non-uniform fields.
- Depends on access to PCB fabrication facilities and PDMS microfluidic molding equipment.
- Necessitates cross-team standardization of channel dimensions, media conductivity, and frequency settings.
- Involves adaptation considerations when applying the method to different cell types or particle sizes.
- Limited by the need for vacuum degassing and plasma bonding to ensure device integrity and minimize bubble formation.
Biopharma FAQs
Chapters in this video
0:05
Title
0:58
Introduction
1:27
Prepare the PCB Electrodes
2:46
Prepare the Microfluidic Channels
5:04
Assemble the Microfluidic Channels onto the PCB Electrodes
5:53
Sort and Concentrate Beads and Cells Using DEP
7:07
Separate Beads and Cells Using DEP Actuation
9:25
Conclusion
