微流控芯片控制，弹性微阀阵列
2007年10月1日
我们展示了用于制造和自动化弹性聚二甲基硅氧烷（PDMS）为基础的，并不需要额外的能量的微型阀阵列关闭和功能光刻定义的精确卷的协议。一个平行subnanoliter量混频器和一个集成微流体灌注系统。
微流体为细胞生物学家提供了在需要精确流体处理的情况下进行高通量实验的技术。大家好，我是来自华盛顿大学生物工程系 Folk Lab 的 Nin Chen Lee。今天，我将向您展示如何使微流体尖端由 PDMS 微阀阵列控制。
该设备由三层组成。第一层是流体层包含不同大小的微室，第二层是控制层，包含两层之间的通道。由于 PMS 的疏水性和顺应性，有一层薄的 PMS 膜。
膜会密封其晶种，因此请将流体室彼此隔离。如果我们通过控制通道施加真空，PDMS 膜可以偏转并连接先前隔离的流体室。今天，我将向您展示一种平行混合器，它允许以不同的混合比例混合亚纳升体积的 aqui 溶液。
然后，我们实验室的 Crisp Step 将向您展示一个集成的微流控系统，该系统可以将多种溶液大量添加到细胞培养物中。让我们开始吧。在这里，我向您展示一个在硅片顶部具有 A SUH 手腕特征的母版。
母版是根据这位大师的标准 SUH 摄影程序制作的。我们可以一遍又一遍地制作 PDMS 副本。为了方便 PDMS 从 master 中释放出来，我们需要首先将 master 化。
我们通常使用 F 食物来主播，因为我们在佛罗伦萨岛工作，我首先将威化饼放入器中，放入森林的水滴，然后关闭桌面滑板室，打开真空，离开真空 1、2、3 分钟，然后关闭真空。让蒸发半小时，然后滴下波浪。在复制 MOD PDMS 之前，我们需要先以 10：1 的比例预混合 PDMS 预聚物和固化剂。
因此，我称量 31 克的预聚物，然后称量 3.1 克的固化剂，并充分混合 5 分钟。成品看着这个。之后，我放入密度加热中，使 PS 起泡 5 到 10 分钟，直到它变清。
在等待 PMS 消泡的同时，我可以将硅胶管粘到控制层的区域。我们选择硅胶管，因为它与 PMS 的组件相同，因此稍后可以将其嵌入设备中并形成气密和流体型密封。现在，我在一小块硅胶管的尖端添加一点胶水 D 水泥，然后将其压在母版的入口区域。
因此，为了使管子不越过这些硅胶管的放大器，在切割时必须非常平坦，并且不要在上面放太多胶水，解释一下你是如何压制胶水的。那么让我们看看。在通风口和取下盖子上都创建了区域。
现在 PS 已经开发出来了。我会把 PS 倒在母版上。小心拉动管路周围的 PGA。
现在，我将倾注到另一个具有流体层功能的母版。将 PS 倒给母版后，他们必须在 dust kicker 中再次 debub 5 到 10 分钟。鼓泡后，我们在 65 至 70 度的烤箱中固化 PMS，时间为 1 小时至 24 小时。
好的，太好了。两个小时后，PMS 已经治愈。现在我们从 SU 主节点和周期中剪切 PMS 设备作为控制层。
在管路模式开启后，我们去除入口区域的胶水。在我们的设备中。入口区域在三层和控制层上创建，但我们只将硅胶管模式化到一层上。
例如，这里仅在控制层上。为了形成对流体层的通路，我们可以刺穿硅胶管下方的膜以形成通路。因此，我们可以从顶部访问所有这些设备，因此可以更轻松地在立体镜和传统倒置显微镜上进行麦克风显微镜检查。
现在我们进入 C 室。为了制备 CTM S 膜，我将向您展示使用间隔旋转器旋转 PDF 膜。在我将晶圆放在晶圆检查的顶部之前，我将球盖在塑料图中，然后将纸巾放在下面，以便之后轻松清洁干净的脏污。
因此，如果它已经完成，就像我们之前对母版所做的那样，在真空吸尘器上清洁后，我接下来在硅片顶部分配大约两毫升的 PMS 出租车，因为我们想要一个 11 到 12 微米的六膜，晶圆将以 7， 000 RTM 旋转 20 秒它开始现在我会说这样， 所以在这里你可以看到，晶圆在旋转。我们将旋转它，无论旋转多长时间，我们都将 fer 放在 85 度的热板上四分钟。现在 PDMS 膜已经固化。
接下来，我们在等离子炉中氧化 P DM S 膜和对照层。我们影响 75% 的铂力，并使用 30 PSI 的牛氧压和 5 的流感率。这些参数始终可以根据不同的应用进行调整。
打开尖牙，打开等离子体 30 秒。现在将控制层放在膜的顶部。让它们接触，几分钟后，控制层将粘合到膜上。
几分钟后，去除带有膜的对照层。好了，现在我们准备好将 Control 层对齐到 the 完全清除。由于我们不再在洁净室中，因此我们使用苏格兰威士忌刀尖去除完全透明上的灰尘。
我们还需要从控制层的入口区域去除膜。这是为了访问下面的流体层。因此，将带有膜的控制层放在流体层的顶部。
查看所有腔室、流体室和阀门。确保它们都从左到右对齐。如果未对齐，您可以删除控制层并重做。
在这里，你可以看到流体层和控制层是对齐的。现在，我将在这些入口中插入一些 Thininner 管，使其连接到流体源和压力源。现在将阀门连接到压力源，并将流体入口连接到流体源。
这里我们有两种不同的染料，一种蓝色和一种黄色，用于打开和关闭 PDMS 微型阀。我们使用连接到真空源的电磁阀，气压和阀门由 Light View 软件控制。现在我打开第一组阀。
我们可以看到 PDMS 膜偏转，瓣膜打开。现在，我关闭第一组阀门，关闭并打开第二组阀门，然后关闭。现在所有的微型阀都在工作。
我将用两种不同的骰子填充微流体室。我将打开 1 号阀组，并使用真空将两个骰子拉入腔室。在腔室装满骰子后，我关闭 1 号阀组以隔离每个腔室，然后打开阀组。
第二种，混合两个数组中的对。阀门打开和混合混合物通常需要大约 1 到 2 分钟。因为我们设计了 10 种不同尺寸的腔室尺寸。
所以我们有 11 个不同比率的混合比例。因此，在混合完成后，我关闭阀门，以便您可以看到每个单独的腔室。有不同的混合比例。
颜色从蓝色变成绿色，再变成黄色。一旦制造出来，这些设备就有可能用于生物医学论文，例如药物筛选或细胞生物学研究，例如趋化性或细胞对不同浓度的化学物质和生长因子或药物的反应。我是 Chris Sip，我将演示一种集成微流体灌注系统的设备，它与以前在制造中看到的设备非常相似。
唯一的主要区别是，我们没有由通过扩散混合的阀门隔开的独立腔室，而是有多个汇聚的入口并由阀门控制，这是一种多路阀门方案。我将演示的是阀门的选择性驱动，它将控制不同的入口的打开或关闭。此外，我将展示集成混音通道的作和梯度的转向。
在屏幕顶部，您会看到 16 个正在汇合的入口，液流将从上到下通过这个垂直通道进入这个分叉网络，即细胞培养室。所以现在我们看到入口切换到蓝色染料，它正在流动，你可以看到它通过腔室时的层流剖面。现在我们正在做蓝色和黄色的组合，然后我们可以切换它来创建相反的组合。
我们可以将梯度转向右侧。我们可以创建其他类型的渐变。现在，这显示了阀门的快速切换，因此我们可以在不同的解决方案之间快速切换。
现在，我们通过这个均质器喂入蓝色和黄色，溶液在腔室中呈绿色，我们还可以切换任意数量的不同入口。在本例中，我们正在通过一个红色入口，它取代了所有绿色溶液。今天，我刚刚向您展示了如何制作基于微脚阀的设备，并演示了将两种颜色染料以不同比例混合为亚升体积的脆度。
我们实验室的 Chris 还展示了一种用于多种不同解决方案的集成微流体系统。感谢您的观看，祝您自己的实验好运。
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概述
本文介绍了用于创建和自动化基于聚二甲基硅氧烷（PDMS）的弹性微阀阵列的协议。这些微阀在关闭时不需要额外的能量，并且设计了通过光刻技术定义的精确体积，从而增强了微流控应用。
关键研究组成部分
科学领域
- 微流控
- 生物工程
- 细胞生物学
背景
- 微流控允许高通量实验。
- 精确的流体处理对于细胞生物学应用至关重要。
- PDMS以其疏水性和顺应性而闻名。
- 微阀阵列可以提高实验效率。
研究目的
- 展示PDMS微阀阵列的制造。
- 自动化这些微阀的操作。
- 呈现一个并行的亚纳升体积混合器。
所用方法
- PDMS微阀阵列的制造。
- 用于定义体积的光刻技术。
- 微流控灌流系统的集成。
- 测试微阀的功能。
主要结果
- 成功创建了无能量关闭的微阀。
- 展示了微流控中的精确体积控制。
- 集成了一个用于增强流体处理的混合器。
- 验证了微流控灌流系统。
结论
- 开发的PDMS微阀阵列对微流控应用有效。
- 自动化这些系统可以显著提高实验通量。
- 未来的应用可能包括复杂的生物学分析。
常见问题
Executive Industry Relevance
Microfluidic systems with elastomeric microvalve arrays address the need for precise, low-volume fluid control in early-stage discovery workflows. By enabling automated, energy-independent valve operation, these platforms support reproducible compound screening and mechanistic de-risking in target validation. The technology enhances predictive confidence in assay outcomes through volumetric precision and fluidic isolation, directly impacting go/no-go decisions in lead identification pipelines.
Strategic Applications in Biopharma R&D
Early Discovery & Target Validation
- Scientific Value: Enables interrogation of therapeutic hypotheses through precise sub-nanoliter mixing and fluidic isolation of reaction chambers.
- Operational Value: Supports automated valve actuation via computer-controlled solenoid valves, reducing manual intervention in screening workflows.
- Predictive Value: Facilitates dose-response gradient generation and chemotaxis assays, improving target confidence through quantitative phenotypic readouts.
Screening & Assay Development
- Scientific Value: Allows preparation of validated biological systems with controlled perfusion of microfluidic cell cultures for consistent compound exposure.
- Operational Value: Enables standardization of fluidic volumes and mixing ratios across replicates, enhancing assay reproducibility and scalability.
- Platform Utility: Provides a reusable microfluidic interface for high-throughput evaluation of compound libraries under defined flow conditions.
Translational & Preclinical Research
- Translational Continuity: Supports disease-relevant cell culture perfusion studies, enabling mechanistic de-risking prior to in vivo validation.
- Risk-Adjusted Advancement: Permits steering of chemical gradients and rapid solution switching to model dynamic microenvironmental cues in preclinical models.
- Biomarker Alignment: Facilitates screening of cellular responses to growth factors and drugs, supporting translational biomarker identification in discovery phases.
Pipeline & Workflow Integration
Positioned within the discovery continuum, microfluidic microvalve arrays bridge early hypothesis testing to lead identification by enabling precise fluid handling and automated perfusion systems critical for assay reliability.
- Discovery Biology: Supports hypothesis testing via isolated microchambers and programmable valve arrays for pathway clarification and target de-risking.
- Screening: Delivers assay readiness through reproducible sub-nanoliter mixing and computer-controlled perfusion of cell-based assays.
- Analytics: Generates quantitative fluidic readouts (e.g., mixing ratios, perfusion rates) that enable comparative analysis across experimental conditions.
- Translational Research: Connects discovery to preclinical workflows via integrated perfusion systems modeling tissue-level fluid dynamics.
- Enterprise Reuse: Fabricated via replica molding from SU-8 masters, allowing scalable production of standardized microfluidic platforms across projects.
Operational & Enterprise Impact
- Scientific Value: Predictive confidence through precise volumetric control and reduction of fluidic variability in biological assays.
- Operational Value: Standardization and reproducibility via automated valve control and bonded PDMS layer architecture.
- Strategic Value: Improved go/no-go decisions via reliable dose-response generation and reduced false positives in screening campaigns.
- Portfolio Impact: Risk-adjusted prioritization through mechanistically de-risked target validation and assay reproducibility.
Implementation Considerations
- Requires expertise in PDMS microfluidic fabrication, photolithography, and plasma bonding techniques.
- Depends on access to vacuum/pressure sources, solenoid valves, and computer-controlled automation software (e.g., LabVIEW).
- Necessitates cross-team standardization of chip design, valve actuation protocols, and fluidic interface specifications.
- Involves adaptation considerations for different cell types, channel geometries, and biocompatible surface treatments.
- Practical limitations include manual alignment steps during assembly and potential PDMS absorption of small hydrophobic compounds.
Biopharma FAQs
Chapters in this video
12:02
Computer-controlled Opening and Closing of PDMS Microvalves by Vacu
9:11
Plasma Bonding Control and Valve Layers
0:00
Title
7:05
Preparing the Thin PDMS Valve Layer
1:52
The SU-8 Master
15:09
An Integrated Microfluidic System for Computer Controlled Perfusion
10:37
Aligning Control and Fluidic Layers
0:18
Introduction
2:51
PDMS Replica Molding
17:32
Conclusion
