样机小型化流式细胞仪及配套的混合微流控技术降低重力环境硬件演示
November 13th, 2014
航天血液诊断需要创新。少数示威已经公布出在飞行中，减少了重力医疗诊断技术。这里我们提出了结构和操作一个抛物线飞行试验台上对护理点的一个原型流式细胞仪的设计，与组分和制备策略适应其它设置方法。
该程序的总体目标是使用组件准备和可能适用于其他设置的飞行中程序，在减重抛物线飞行上作小型化流式细胞仪。这是通过首先仔细选择现成的和定制的组件来实现的，以便在降低重力的情况下易于使用和安全。第二步是在抛物线飞行测试台中组装组件，其中包含用于遏制、查看自动化和促进多个演示的附加元件。
接下来，该团队通过精心规划、协议开发和培训，为成功的飞行实验做准备。最后一步是飞行中的多组件演示。最终，抛物线飞行测试用于展示技术的潜在太空应用，并确定失重、重力变化和振动对性能的影响。
虽然这种方法可以应用于流式细胞术和相关技术，但它也可以部分应用于其他类型的减重个体诊断测试，特别是任何具有多个演示或触发程序的测试。因此，我们决定为 JO 制作这个关于抛物线飞行测试的视频，因为当我们与 NASA 一起准备抛物线飞行时，基本上没有那么多视频甚至文献来描述如何真正最好地为实验做准备。实际上，我们不得不非常非常努力地与 NASA 内部不同地点的合适人员交谈，以在此处挖掘这些信息。
在这种情况下，我们希望能够将这些信息分享给 Joe 的读者，以便他们也可以为这些航班做好适当的准备。构建用于低重力条件的简单流式细胞术系统需要多个液流、光学和电子原型组件。首先准备一个重量和功率最小的压力系统来驱动系统。
液流将微型气泵连接到差压传感器。接下来，组装一个可以装载而不会堵塞空气配合的流体源容器。一个硬质塑料样品瓶，带有弹性橡胶隔膜、牢固固定的瓶盖和样品瓶底部的进气管。
使用光学胶粘剂密封进气管连接。在瓶盖出口管上放置一个临时滑动夹，以防止在瓶盖插入期间和之后液体排出。要装入样品瓶，请使用连接到进气口的注射器膨胀隔膜。
将液体倒入顶部，并以一定角度插入瓶盖，以免下方有空气滞留。短暂拆下滑动夹以灌注出口管并释放隔膜施加的塌陷压力。确保泵对样品瓶加压，没有空气或液体泄漏。
压缩隔膜以驱动流体从盖出口管中流出。所需的第三个组件是一个液体废物容器，用于收集废物，而不会产生会影响流动的背压。使用胶合在专为双重密封设计的样品瓶中的样品瓶。
用安全的泡沫海绵窗口盖住样品瓶，该窗口可捕获漂浮的液体，但允许气压与机舱环境平衡，以制造供使用和降低重力机器的样品装载机，并组装带有导轨的弹簧加载夹具设计，以便它可靠地夹紧作为护套安装在流体管路中的两个 O 形圈之间的毛细管。确保在没有毛细管的情况下，弹簧将 O 形圈压在一起以完成流体管路并启用灌注而不会泄漏。设计一个不依赖动力机械子组件来运行的微型混合器。
使用快速原型聚甲基索烷方法，选择并制造双入口螺旋涡旋微混合器来检测单个流动颗粒。使用市售的光学机械组件将定制的手掌大小的微型光学块安装到显微镜试验板板上。原型组装的最后一步是设计用于设备控制和数据采集的电子设备和软件。
为了方便和早期原型设计，利用连接到市售数据采集卡、代码和程序的手工焊接件，这是一种定制软件来作钻机设备并同步所有数据。取出笔记本电脑电池，并将笔记本电脑设置为仅通过电源线运行。出于降低重力飞行的安全原因，为所有设备供电的电力方案必须包括一个快速和完整的电子关机机制。
在飞行中。为了成功的飞行性能，将带有单个开关按钮的单个电源板连接到飞机配电板，必须考虑可用总空间以及如何在实验装置空间和装置周围的用户空间之间分配。可用总空间仅限于比地面上类似演示提供的更小的区域。
确定在地板跪姿或站立高度更适宜接触哪些组件。考虑哪些组件将从支撑结构中获得的保护中受益最大也很重要。这里的钻机支撑结构是一个垂直设备机架，可以承受飞行加速并牢固地连接到预期的飞机上。
机舱地板将组件分配到机架内的各层，顶层用于放置笔记本电脑，中间机架层用于放置原型子组件，地板层用于包含额外的湿巾、手套和杂项垃圾桶。为了保护和容纳原型并查看样品，必须制造或调整各种非原型组件。其中包括一个用于容纳电子设备的定制亚克力盒和一个带有手臂检修孔的定制亚克力手套箱，以提供一个立方体空间，在该空间内进行装载机演示，而不会有污染机舱的风险。
为了记录微型混合器演示螺栓，将体视显微镜记录到装有定制丙烯酸芯片支架和 CCD 相机的面包板板上。为了安全地演示光学块，请使用定制的不透明亚克力盒来阻挡环境光并控制激光危害。一些简单的设计策略可以消除手动管道、飞行调整或其他需要高度灵活性的作。
例如，要同时对多个源文件加压，请使用定制机器对歧管施加压力，该歧管由一个镂空圆柱体组成，该圆柱体适用于入口针和多个出口管，用于控制流体流动的方向。使用计算机，组装一个三通电磁阀面板。由连接到 DAQ 卡的串联 MOSFET 开关控制。
三通电磁阀有一个公共端口，该端口始终连接到默认的 off 端口或 on 端口。切换到 on 状态由 5 V 信号触发。对软件进行编程，使用单个按钮干预（例如在笔记本电脑上单击以切换阀门状态或更改泵驱动压力）进行演示。
这避免了手动调整管路的需要，因为手动调整管路可能会导致泄漏到环境中，并在混乱的环境中浪费实验时间。样品装载器演示包括装载样品并将样品驱动到光学块或 OB 进行检测。该设置使用两个阀门，一个在装载机之前，一个在装载机之后。
在加载过程中，两个阀门都设置为关闭，以防止流体在使用装载器时移动，打开阀门会打开从盐水瓶延伸到废液瓶的流体 X 通道，从而允许泵驱动样品进行分析。光学模块演示包括三种不同样品类型的顺序检测无需手动更改管道连接，Saline 即可在样品之间冲洗系统。微型混合器演示包括血盐水混合和蓝黄染料混合片段。
该设置使用两个阀将压力引导至血液和生理盐水样品瓶或染料样品瓶，以便一次只有一个混合示范处于活动状态。附加阀可将气泡注射到盐水混合芯片中。系统必须为飞行中突然的颠簸力、振动或乘客碰撞做好准备。
为了稳定对准，将快干环氧树脂涂在容易调整错误的对准组件上，尤其是光学组件。在快干环氧树脂上涂上工业级环氧树脂，并根据需要固定其他组件，包括用于物理干扰测试的 CCD 相机附件到显微镜 I 件上。摇动所有组件就位的钻机支撑结构。
在使装置受到干扰后，检查各个组件的功能，特别是对准的光学元件，这些元件经过训练，可以应对飞行中的意外情况，包括飞机在实验过程中突然变平或突然受到力撞击装置。通过在机架上添加衬垫来保护漂浮的乘客。Corners 培训多个人作为主要作员，以熟练地在飞行中作设备。
谁会在 parais 期间生病是不可预测的，给定的用户可能在一次航班上不受影响，而在另一趟航班上生病。运输到飞行地点后检查钻机，进行任何必要的修复并在装载到飞机上之前设置管道连接。在每个飞行日，准备并挂接与当天演示相对应的样品瓶。
根据飞行地点，设置和实验之间可能要有较长的间隔以及较高的环境温度，请做好准备。通过服用提供的药物（例如东莨菪碱和文本苯丙胺）来避免飞行中的疾病，并通过在高重力下与地板平行缓慢上升并平躺来使用几次早期抛物线来适应重力过渡。一旦进入飞行位置，钻机作员在接近专用抛物线空域时提供足够的空间，让钻机作员在高重力间隔期间躺下，并在抛物线开始时可以使用腿带。
在降低重力时不要对身体施加强大的力。因为这可能会使身体上升得太快，并且有点危险，无法进行样品装载机演示。当飞机进入减重状态时，使用样品注射器将一滴计数珠染料混合物滴在指尖上要模拟手指刺痛样品，请使用毛细管耗材从手指上吸取样品，并将样品装入毛细管装载器中。
将样品驱动到光学系统中进行检测。执行显微镜下设置的微流体混合器演示。以 1.52345 的 1：1 比例混合血液和生理盐水，每个 PSI 至少两个抛物线
。录制与其他读数同步的视频数据。此处显示了混音器演示的实际机上镜头。将空气注入盐水入口，以测试通道结构是否会捕获可能阻止最佳混合的气泡。混合。
蓝色和黄色食物在 1.52345 和 6 PSI 处死亡，每个至少有两个抛物线。同样，此处显示的同步数据记录是安装在立体显微镜面板上的 CCD 相机观察的两个微型混频器演示的代表性结果。A 显示了微重力条件下的蓝色和黄色染料混合，图 B 显示了月球重力条件下的血液和盐水混合。
可以在螺旋线的任何点以及出口通道中目视评估混合，以演示微重力飞行期间荧光标记白细胞的光学块检测。流式细胞术数据的关键性能指标包括峰强度的变异系数、信噪比、峰计数率和检测效率，如图所示。光块检测似乎相对不受从大约 1.5 G 到接近零 G 的转换的干扰，并在转换回 1.5 G 期间继续进行。
在月球重力下演示加载器后，检测到加标到加载样品中的荧光计数珠，表明样品已成功加载并到达光学模块进行检测。看完这个视频，你应该对如何在抛物线飞行中进行设备测试和降低重力有更好的了解，特别是什么样的程序是可行的，仔细的规划、零件的选择和测试实施，都有助于确保高产量从你的经验中。
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概述
本研究提出了一种在微重力抛物线飞行中操作微型流式细胞仪的方法。该方法包括组件选择、在测试装置中组装以及为飞行中实验做准备。
关键研究组件
科学领域
- 航天飞行健康诊断
- 流式细胞术技术
- 微重力实验
背景
- 航天飞行为健康诊断带来了独特的挑战。
- 现有技术需要适应微重力环境。
- 流式细胞术可以提供快速的健康评估。
- 需要创新的方法来展示飞行中的能力。
研究目的
- 开发适用于太空应用的原型即时护理流式细胞仪。
- 展示微重力下健康诊断的可行性。
- 识别失重对诊断性能的影响。
所用方法
- 选择现成和定制组件以保证安全性和可用性。
- 在抛物线飞行测试装置中组装组件。
- 开发飞行中实验的协议和培训。
- 在抛物线飞行中进行多组件演示。
主要结果
- 在微重力条件下成功操作流式细胞仪。
- 展示了组件适应不同设置的能力。
- 识别了由于重力变化和振动导致的性能变化。
- 展示了空间健康诊断的潜在应用。
结论
- 该研究突出了飞行中健康诊断的可行性。
- 创新技术可以增强航天飞行健康监测。
- 需要进一步研究以优化微重力下的性能。
常见问题
Executive Industry Relevance
Developing point-of-care diagnostic systems for spaceflight requires rigorous validation in reduced-gravity environments to ensure reliability and performance under non-terrestrial conditions. Demonstrating flow cytometry and microfluidic mixing technologies in parabolic flight provides critical de-risking data for translational biomarker applications and preclinical model validation in extreme environments. This work supports pipeline advancement by establishing operational feasibility for health monitoring technologies destined for deep-space missions where terrestrial laboratory access is unavailable.
Strategic Applications in Biopharma R&D
Early Discovery & Target Validation
- Scientific Value: Enables interrogation of cellular biomarkers in simulated spaceflight conditions to assess target engagement under physiological stress.
- Operational Value: Provides a standardized platform for evaluating fluidic and optical component performance in variable gravity environments.
Screening & Assay Development
- Scientific Value: Facilitates assay standardization by testing reagent stability and detection efficiency during gravity transitions.
- Operational Value: Supports development of SOPs for sample loading and fluid handling in constrained, vibration-prone settings.
Translational & Preclinical Research
- Scientific Value: Establishes disease-relevant system performance by validating blood analyte detection under lunar and microgravity profiles.
- Operational Value: Demonstrates continuity from discovery through preclinical validation by showing consistent optical block detection across gravity states.
Pipeline & Workflow Integration
The method integrates into early discovery workflows by enabling hypothesis testing of cellular responses in altered gravity, supporting lead identification through reproducible quantitative outputs, and informing preclinical decisions via measurable detection efficiency and signal stability.
- Discovery Biology: Supports pathway clarification by allowing detection of fluorescently labeled white blood cells under changing gravitational forces.
- Screening: Ensures assay readiness through pressurized fluidic systems that maintain flow integrity during flight maneuvers.
- Analytics: Delivers quantitative readouts including peak intensity coefficients of variation and signal-to-noise ratios for cross-condition comparison.
- Translational Research: Connects to biomarker alignment by demonstrating detection of spiked fluorescent counting beads in loaded samples.
- Enterprise Reuse: Features modular components like the microvolume sample loader and microfluidic mixer that are adaptable to other diagnostic platforms.
Operational & Enterprise Impact
- Scientific Value: Predictive confidence in device performance is built through direct observation of optical block detection during gravity transitions.
- Operational Value: Standardization is achieved via SOPs, training protocols, and containment systems designed for in-flight use.
- Strategic Value: Reduces late-stage biological risk by validating POC diagnostics in environments that mimic spaceflight stressors.
- Portfolio Impact: Enables risk-adjusted advancement decisions by providing empirical data on technology robustness in reduced gravity.
Implementation Considerations
- Requires expertise in microfluidics, optics, and aerospace human factors for safe operation.
- Depends on vibration-resistant optical alignment using epoxy stabilization and shock-mounted components.
- Necessitates cross-team standardization of fluidic connections, valve sequencing, and emergency shutdown procedures.
- Involves adaptation considerations for sample loading techniques under altered gravity and constrained crew positioning.
- Includes practical limitations such as restricted rig space, ambient temperature variability, and the need for parabolic maneuver coordination.
Biopharma FAQs
Chapters in this video
0:05
Title
1:51
Rig Assembly
4:57
Flight-ready Rig Layout
5:58
Prototype Securing, Containment, and Visualization Setup
6:42
In-flight Demonstration Implementation
8:52
Flight Disturbance Readiness and Training Demonstration
10:02
In-flight Demonstrations
12:17
Results: Demonstrations of a Prototype Flow Cytometry System in Reduced Gravity Conditions
13:30
Conclusion
