气动驱动的微流体平台，用于微颗粒浓缩
February 1st, 2022
本方案描述了一种气动微流体平台，可用于高效的微粒浓缩。
该协议描述了我们在气动驱动的微流体平台上制造和操作多颗粒浓度的方法，克服了颗粒堵塞和复杂结构等缺点。这种方法可以处理无限数量的颗粒，专注于大量的小颗粒，防止不必要的细胞损伤，并提高熵效率。由于生物分析的重要性，微流体和生物医学微电子机械系统技术用于开发和研究用于纯化和收集微材料的设备。
首先，使用预先准备好的气动阀通道SU8模具复制PDMS层，以气动控制阀门。将10毫升液体PDMS和1毫升固化剂倒入准备好的气动阀通道模具中，并在90摄氏度下加热活化30分钟。PDMS结构固化后，分离SU8模具。
冲孔三个1.5毫米气动口进入气动阀道，采用1.5毫米刺穿。将10毫升液体PDMS和1毫升固化剂倒入干净的SU8模具中。使用旋转涂层机以每分钟1500转的速度旋转涂层15秒，然后在90摄氏度下加热30分钟。
在PDMS结构固化后分离SU8模具。用大气等离子体处理PDMS结构20秒。使用显微镜，根据通道结构对等离子体处理过的PDMS结构进行对准。
通过将对齐的PDMS结构在90摄氏度下加热30分钟来粘合它们。采用1.5毫米的穿刺，在流体通道入口和出口内做一个直径为1.5毫米的孔，将气动通道内的部分粘合到薄膜片层上。使用两个SU8模具复制PDMS层的两侧，以形成微流体通道。
正面使用弯曲的矩形微流体通道模具，背面使用微流体互连通道模具。将10毫升液体PDMS和1毫升固化剂倒入弯曲的矩形微流体通道模具中，并以每分钟1200转的速度旋转涂覆15秒，然后通过90摄氏度的热活化30分钟，为弯曲的流体室和流体通道创建模具。分离形成微流体通道的PDMS层。
然后用大气等离子体处理20秒，通过粘接到玻璃晶圆上，制成覆盖密封通风壁的热活化模具。将三毫升液体PDMS倒入SU8模具的互连通道中。布置结构，用互连通道模具制作，在液体PDMS上微流体互连通道模具上。
然后将叠加结构在130摄氏度下干燥30分钟。固化后，从微流体通道网络层中取出前SU8模具，并小心地剥离后部PDMS模具。将10毫升液体PDMS和1毫升固化剂倒入干净的SU8模具中，并在90摄氏度下加热活化30分钟。
在PDMS结构固化后分离SU8模具。用大气等离子体处理PDMS微流体互连通道模具20秒。使用显微镜，根据通道结构对齐等离子体处理的PDMS结构。
通过在90摄氏度下加热30分钟来粘合对齐的PDMS结构。根据通道结构对齐在此过程中制备的PDMS结构，并通过用大气等离子体处理20秒来粘合它们。使用10毫升注射器，用无气泡的脱矿质水填充微流体通道。
要控制工作流体的压力和控制微珠流量的三个气动阀，请将具有四个或更多工作流体出口通道的精密压力控制器插入微流体平台。在蒸馏水中制备各种尺寸的羧基聚苯乙烯测试颗粒。为了控制工作流体的流速，用水填充玻璃瓶的一半，并将玻璃瓶盖连接到控制器输出通道和微阀。
使用倒置显微镜，观察所有平台操作，并通过液体流量计测量出口处的操作流量。用颗粒阀在入口处的压力下注入颗粒或流体混合物。以15千帕斯卡的速度对CIV阀施加压力，以18千帕斯卡的速度对颗粒阀施加压力以启动阀门。
当颗粒被浓缩时，仅对流体阀施加压力。流体的流速被划分为四级平台操作。第一阶段是加载状态。
工作流体和颗粒几乎相同，因为微流体通道网络表现出结构对称性。第二阶段是阻塞状态。流路变窄，在出口处测量的流速因液压阻力而降低。
第三阶段是集中状态。测得的QP接近于零，QF约为阻塞状态的1.42倍。最后阶段是发布状态。
由此产生的流量和浓度率证明，由于流量变化，气动阀编程的顺序驱动工作良好。当CIV阀和颗粒阀关闭时，颗粒被浓缩并积聚在收集区域，并且当只有流体阀关闭时，所有收集的浓缩颗粒在四秒内被释放出来。该过程的一个重要部分是固化后部结构，其中PDMS层通过空气层的更多压力注入。
变形的薄膜层突然被激活。该平台可用于非常浓缩，直的和悬浮的生物颗粒的自动预处理，因为操作不受物理颗粒特性的影响。
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概述
该协议描述了一种设计用于高效微粒浓缩的气动微流控平台。它解决了诸如颗粒堵塞和复杂结构等挑战，能够处理大量小颗粒，同时最大限度地减少细胞损伤。
关键研究组成部分
科学领域
- 微流控
- 生物医学工程
- 颗粒浓缩技术
背景
- 气动微流控系统增强了颗粒操作。
- 传统方法常常面临堵塞问题。
- 微机电系统（MEMS）在设备开发中至关重要。
- 高效的颗粒浓缩对于生物分析至关重要。
研究目的
- 制造气动微流控平台。
- 提高微粒浓缩效率。
- 在处理过程中防止不必要的细胞损伤。
使用的方法
- 使用SU8模具制作PDMS结构。
- 气动控制阀门以操作颗粒。
- 用固化剂加热PDMS以确保结构稳定性。
- 测试平台的浓缩效率。
主要结果
- 成功浓缩了多个小颗粒。
- 克服了传统方法中常见的堵塞问题。
- 在浓缩过程中保持了细胞活力。
- 增加了颗粒处理的熵效率。
结论
- 气动微流控平台对于微粒浓缩有效。
- 这种方法可以应用于各种生物分析。
- 未来的应用可能会提高生物医学设备的效率。
常见问题
Executive Industry Relevance
This pneumatically driven microfluidic platform addresses key challenges in early-stage biopharma R&D by enabling efficient concentration of micro-particles without clogging or cellular damage. It supports target validation and assay development workflows by providing a reproducible method for isolating and enriching analytes from complex biological matrices. The technology enhances predictive confidence in lead identification by ensuring consistent sample preparation, reducing variability that can confound downstream screening and mechanistic studies.
Strategic Applications in Biopharma R&D
Early Discovery & Target Validation
- Scientific Value: Enables interrogation of therapeutic hypotheses through precise concentration of biomarkers or therapeutic targets from heterogeneous samples.
- Operational Value: Reduces sample loss and improves detection sensitivity for low-abundance analytes critical in target validation.
- Predictive Value: Supports mechanistic de-risking by delivering consistent particle enrichment for functional assays and pathway analysis.
Screening & Assay Development
- Scientific Value: Prepares validated biological systems for downstream screening by removing interferents and concentrating analytes of interest.
- Operational Value: Enhances assay standardization and reproducibility through controlled, valve-driven sample processing.
- Scalability: Enables processing of unlimited particle numbers, supporting high-throughput screening campaigns.
Translational & Preclinical Research
- Translational Continuity: Maintains sample integrity from discovery through preclinical validation by preventing unwanted cell damage during concentration.
- Risk-Adjusted Advancement: Supports reliable biomarker alignment and disease-relevant system modeling through consistent sample preparation.
- Mechanistic De-risking: Increases confidence in preclinical data by minimizing pre-analytical variability introduced during sample handling.
Pipeline & Workflow Integration
The platform integrates into the discovery continuum from early target validation through lead identification and preclinical development, enabling reliable sample preparation at each stage.
- Discovery Biology: Supports hypothesis testing and pathway clarification by concentrating signaling molecules, vesicles, or cellular debris for analysis.
- Screening: Delivers assay-ready samples with reduced matrix effects, improving hit detection and structure-activity relationship confidence.
- Analytics: Provides quantitative concentration outputs that enable comparison across experimental conditions and time points.
- Translational Research: Connects discovery-phase sample processing to preclinical continuity by preserving analyte structure and function.
- Enterprise Reuse: Functions as a reusable sample preparation module across multiple projects and therapeutic areas.
Operational & Enterprise Impact
- Scientific Value: Increases predictive confidence in target validation by reducing false negatives from analyte loss during processing.
- Operational Value: Ensures reproducibility and standardization across laboratories through pneumatic control and defined operational stages.
- Strategic Value: Improves go/no-go decisions by delivering higher-quality input data for screening and mechanistic studies.
- Portfolio Impact: Enables risk-adjusted prioritization by improving the reliability of early-stage biological data.
Implementation Considerations
- Requires expertise in microfluidic device fabrication, PDMS handling, and pneumatic control systems.
- Depends on precision pressure controllers, syringe pumps, and flow rate monitoring equipment for reproducible operation.
- Necessitates cross-team standardization of valve actuation timing and pressure thresholds for consistent results.
- Requires adaptation of channel dimensions and valve timing based on target particle size and concentration goals.
- Practical limitations include the need for cleanroom-compatible fabrication and careful alignment of plasma-bonded layers to prevent leaks.
