Kostengünstige 3D-gedruckte mikrofluidische Geräte für schnelle Prototypenentwicklung und biologische Anwendungen

Zusammenfassung

Wir haben ein kostengünstiges, 3D-gedrucktes mikrofluidisches Gerät und eine Open-Source-Python-basierte Software entwickelt, die programmierbare Konzentrationsgradienten erzeugen kann. Wir haben diese anpassbare Plattform mittels Osmometrie und kolorimetrischer Analyse validiert, was reproduzierbare osmotische Expositionsstudien und biomedizinische Tests mit Materialien unter 5 US-Dollar sowie 3D-Druck in Verbraucherqualität ermöglicht.

Zusammenfassung

Mikrofluidik-Geräte bieten eine präzise Kontrolle über die Mischung von Lösungen und die Gradientenbildung, was für zellbasierte Assays in der Kryobiologie und biomedizinischen Forschung unerlässlich ist. Traditionelle Fertigungsmethoden sind jedoch zeitaufwendig, kostspielig und erfordern spezialisiertes Fachwissen, was die Zugänglichkeit einschränkt. Um diese Herausforderungen zu bewältigen, entwickelten wir einen kosteneffizienten, zuverlässigen und vollständig 3D-gedruckten Workflow für mikrofluidische Geräte, um schnelles und kostengünstiges Prototyping mit einem Verbraucherdrucker und biokompatiblen Kunststoffharzen zu ermöglichen. Hier demonstrieren wir diesen Workflow mit einem fluidischen Mischgerät, das programmierbare Konzentrationsgradienten und Lösungskombinationen erzeugen kann. Kommerzielle Mischgeräte kosten mehr als 300 Dollar pro Stück und können nicht individuell angepasst werden. Durch den Einsatz erschwinglicher Harzmaterialien und eines innovativen offenen Kanaldesigns, das mit transparentem Klebeband versiegelt ist, überwunden wir häufige Fertigungsprobleme wie Kanalverstopfungen und ermöglichten eine schnelle und reproduzierbare Herstellung komplexer mikrofluidischer Architekturen – und das zu Materialkosten von weniger als 5 US-Dollar. Hier demonstrieren wir diesen Workflow, indem wir Doppelspritzenpumpen integrieren, um lineare osmotische Gradienten zu erzeugen, die von isoosmotischen (~300 mOsm/kg) bis zu hyperosmotischen (~9.000 mOsm/kg) reichen, gefolgt von einer Rückkehr zur Isotonizität über definierte Intervalle. Um Automatisierung und Reproduzierbarkeit sicherzustellen, haben wir ein Open-Source-Python-basiertes Softwaretool entwickelt, das die Aktivierung der Spritzenpumpe, die Durchflussraten und das Gradiententiming präzise regelt. Die Leistung des Geräts wurde durch kontinuierliche osmometrische Messungen validiert, die sowohl die Linearität und Genauigkeit der Gradientenerzeugung bestätigten, als auch kolorimetrische Messungen zur Bestätigung der Mischwirkung. Diese zugängliche und kosteneffiziente mikrofluidische Plattform verbessert die Reproduzierbarkeit von osmotischen Expositionsstudien erheblich und zeigt Potenzial für verschiedene biomedizinische Anwendungen, einschließlich Arzneimittelscreening und präziser chemischer Modulation.

Einleitung

Mikrofluidische Geräte sind für die Kontrolle von Konzentrationen und chemischen Umgebungen in zellbasierten Tests, osmotischen Stressstudien und Arzneimittelverabreichungsexperimenten in biomedizinischer Forschung, Kryobiologie und anderen diagnostischen Anwendungen unerlässlich geworden ^1,2. Diese Geräte ermöglichen eine präzise Steuerung des Flüssigkeitsflusses und der Konzentration auf Mikrometerebene. Beispielsweise wurden mikrofluidische Geräte zur Zugabe und Entfernung von kryoprotektiven Substanzen während der Kryokonservierung von Zellen eingesetzt, um osmotische^{Schäden zu} verhindern. Ähnlich werden diese mikrofluidischen Geräte auch verwendet, um serielle Verdünnungen von Antibiotika zu etablieren, um die antimikrobielle Anfälligkeit gegen resistente Organismen zu testen⁴. Dies ermöglicht die Identifikation optimaler Arzneimittelkombinationen zur Behandlung antimikrobieller resistenter (AMR-)Infektionen. Darüber hinaus ermöglicht es Live-Zellbildgebung und -überwachung, reduziert den Reagenzienverbrauch und erleichtert die Präzision der Konzentrationsgradienten, im Gegensatz zu makroskopischen Techniken wie der Boyden-Kammer, die gröbere und statische Gradienten ohne Echtzeit-Zellüberwachung ^1,5 liefern. Diese Fähigkeiten ermöglichen das Nachahmen von in-vivo-ähnlichen chemischen Umgebungen in vitro für hochauflösende Studien zu Zellverhalten, Zellmigration, Zellinvasionstests, Wirkstoffwirkung und Toxizitätstests.

Trotz der Vorteile mikrofluidischer Bauelemente sind traditionelle Mikrofertigungstechniken für diese Geräte (z. B. Photolithographie und Polydimethylsiloxan (PDMS)-Formen) oft zeitaufwendig, teuer und erfordern spezialisierte Ausrüstung und Fachwissen⁶. Daher kann die Entwicklung eines neuen Geräts durch weiche Lithografie Tage in Anspruch nehmen, und iterative Designänderungen sind ebenfalls^{arbeitsintensiv}. In letzter Zeit ist der 3D-Druck zu einer schnellen Prototypen-Alternative geworden, um diese Einschränkungen zu überwinden. Die frühe Einführung von 3D-gedruckter Mikrofluidik war jedoch durch die Kosten hochauflösender Drucker (oft ≥ 10.000 US-Dollar begrenzt), und günstige Geräte bieten nicht genügend Auflösung⁷. Die Verbesserung der kostengünstigen LCD-basierten Stereolithographie hat dieses Feld erheblich vorangebracht, da die Verbraucherdrucker (oft ~150–500 $) nun eine mikroskalige Auflösung (~20–50 μm) bieten, die für viele mikrofluidische Anwendungen ausreicht⁵. Angesichts dieser Fortschritte war das übergeordnete Ziel unserer Arbeit, einen kosteneffizienten und effizienten Arbeitsablauf für vollständig 3D-gedruckte mikrofluidische Geräte zu etablieren, die kontrollierte Konzentrationsgradienten ohne die typischen Barrieren der Fertigungskomplexität^{erzeugen können 8}. Wir wollten eine schnelle und zuverlässige Methode zur Herstellung maßgeschneiderter mikrofluidischer Modellsysteme entwickeln, indem wir einen Verbraucher-LCD-3D-Drucker und biokompatibles Harz nutzen, um es für eine Vielzahl von Laboren zugänglich zu machen.

Hier präsentieren wir ein 3D-gedrucktes mikrofluidisches Gerät, das in der Lage ist, Lösungen zu mischen, kontinuierliche und programmierbare Konzentrationsgradienten zu erzeugen sowie Kombinationen von Lösungen und programmierbaren Konzentrationsgradienten zu bilden. Das Gerät wird mittels Desktop-Stereolithographie gefertigt und vollständig montiert, wobei ein offenes Kanaldesign verwendet wird, das vollständig mit einer transparenten, von Harz verursachten Kanalversperrung vollständig versiegelt ist – eine weithin berichtete Herausforderung in der mikrofluidischen Stereolithographie ^9,10; Dieser Ansatz entwickelt jedoch ein robustes, undichtes mikrofluidisches Gerät, ohne spezielle Oberflächenbehandlungs- oder Klebegeräte zu erfordern, und überwindet das häufige Problem, dass unausgehärtetes Harz die kleinen Kanäle beim Druck¹¹ verstopft. Außerdem kann durch die Verwendung preiswerter, UV-aushärtbarer Harze jedes Gerät schnell für nur wenige Dollar an Materialien hergestellt werden. Ein weiterer Vorteil ist, dass sein Design nicht festgelegt ist; Es lässt sich leicht modifizieren und neu drucken, im Gegensatz zu kommerziellen Geräten, die jeweils mehrere hundert Dollar kosten und^{nicht individuell angepasst} werden können^.

Zur Steuerung der Lösungskonzentration wurde das 3D-gedruckte Gerät mit zwei Spritzenpumpen (je einer für jede Eingangslösung) integriert, die von einem Open-Source-Python-Skript gesteuert wurden, wie zuvor für mikrofluidische Anwendungen^{beschrieben 15}. Dies ermöglicht eine präzise Regelung von Durchflussraten, Steigungsschritten und Zeitsteuerung auf automatisierte Weise. ^Die 15-Durchflussraten in unserem System liegen typischerweise zwischen wenigen Mikrolitern und 30 μl/min pro Einlass, innerhalb derer eine gleichmäßige Mischung bei minimaler Scherspannung erreicht wurde. Mit diesem System erzeugten wir lineare Konzentrationsprofile, die von etwa isoosmotischen Bedingungen (~300 mOsm/kg) über extreme hyperosmotische (~9.000 mOsm/kg) bis hin zu isotonen Bedingungen über definierte Zeitintervalle reichen. Kontinuierliche Osmometermessungen bestätigten, dass die erzeugten Gradienten linear und genau waren, und ein einfacher kolorimetrischer Test bestätigte eine effiziente Mischung der Eingangslösungen. Diese Ergebnisse bestätigen, dass komplexe, zeitlich variierende Konzentrationsgradienten mit unserer vollständig 3D-gedruckten Plattform reproduzierbar erreicht werden können, und unterstreichen ihr Potenzial, den Durchsatz und die Standardisierung von osmotischen Expositionsstudien zu einem Bruchteil der üblichen Kosten zu verbessern.

Diese 3D-gedruckte mikrofluidische Plattform demonstriert die jüngsten Fortschritte bei "Lab-on-a-Chip"-Lösungen, die eine ausreichende Auflösung für viele zellbasierte mikrofluidische Anwendungen bieten ^16,17. Darüber hinaus prognostizieren Experten, dass die additive Fertigung voraussichtlich zu einer führenden Methode für die Mikrogerätefertigung wird, da die Fortschritte in Druckertechnologie und Materialien weiterhin voranschreiten^. Ein wesentlicher Vorteil unseres Ansatzes ist, dass Zugänglichkeit nicht auf Kosten der Leistung geht. Im Einklang mit früheren Studien, die kostengünstige mikrofluidische Fertigungsstrategien^{zeigen 18,19}, liefern diese erschwinglichen Drucker Gerätemerkmale, die in Bezug auf Zuverlässigkeit und Genauigkeit mit vielen kommerziellen Industriesystemen vergleichbar sind⁷. Forscher können diese Methode daher mit dem Vertrauen anwenden, dass sie die Präzisionsanforderungen der meisten Anwendungen erfüllt. Diese Plattform kann auf verschiedene Bedürfnisse zugeschnitten werden, von der Automatisierung der mehrstufigen Kryoprotektions-Addition und -entfernung über das Screening von Arzneimittelreaktionen auf verschiedene Konzentrationsbereiche bis hin zur präzisen chemischen Modulation in Organ-on-Chip-Modellen¹⁶. Insbesondere reichen die gedruckten Auflösungsgrößen (etwa 100 μm Kanaldimensionen) für viele biologische Assays¹⁶ aus, was einen guten Bereich für typische Zell- oder Partikellängenskalen bietet. Zusammenfassend lässt sich sagen, dass durch die erhebliche Reduzierung von Fertigungszeit, Kosten und Fachwissensanforderungen diese vollständig 3D-gedruckte Mikrofluidikplattform Prüfern ermöglicht, individuelle Mikrofluidiklösungen effizient zu prototypisieren und umzusetzen. Obwohl manuelle Nachbearbeitungsschritte wie Oberflächenpolitur und Klebebandversiegelung weiterhin erforderlich sind, bleibt der gesamte Arbeitsablauf im Vergleich zu herkömmlichen Mikrofertigungsmethoden zugänglich und zeitsparend.

Protokoll

1. Gestaltung des mikrofluidischen Mischschattens

1. Mit geeigneter CAD-Software (z. B. AutoCAD 3D oder TinkerCAD, AutoDesk, Inc.) entwerfen Sie einen serpentinischen Mikrokanal mit Zweikanal-Eingängen und einer Mischungs-Y-förmigen Verbindung, gefolgt von einem Pfad, um eine effektive Mischung zu ermöglichen und eine ausreichende Kanallänge für die Diffusion bereitzustellen. Kombinieren Sie die Kanalelemente zu einem einzigen Bereich.
2. Erstelle einen rechteckigen Schlitten (85 mm x 28 mm x 3 mm) als Basisunterlag. Dann zieht man den zuvor entworfenen serpentinischen Mikrokanal von der Oberseite des Schlittens ab, um eine offene Kanalstruktur mit entsprechender Tiefe und Breite zu bilden.
3. Jeder gewindete Steckeranschluss (1/4"-28 UNF) für 1/16" OD-Rohr als separates Merkmal erstellen und ihn mit dem Verschlusskörper verbinden, wobei sichergestellt wird, dass die interne UNF-Gewinde genau mit den Anschlüssen übereinstimmt.

2. Vorbereitung des Entwurfs für den Druck

1. Zur Vorbereitung auf den 3D-Druckprozess importieren Sie die entworfenen STL-Dateien der mikrofluidischen Objektträger-Assembly in Open-Source-Slicing-Software wie CHITUBOX Basic v2.3.1 (Shenzhen CBD Technology Co. Ltd, China).
2. Laden Sie druckerspezifische, vordefinierte Konfigurations- und Harzprofileinstellungen (Phrozen_Sonic_Mini_8K_Power_Resin_SG_00.cfgx) in der Slicing-Software. Importiere die vollständige Drucker- und Resin-Einstellungsdatei aus dem begleitenden GitHub-Repository über: Slice Settings > Import Settings.
   HINWEIS: Ein vollständiger Leitfaden zum 3D-Harzdruck fällt außerhalb des Rahmens dieses Werks; allerdings bieten die meisten 3D-Druckerhersteller Anleitungen zur Abstimmung von Harzeinstellungen und zur Positionierung von Drucken für Erfolg an, also https://phrozen3d.com/blogs/tutorials/resin-print-failures.
3. Stellen Sie die Modellausrichtung auf etwa 45–50° relativ zur Bauplatte an (hier verwendet 46,67°), um das beste Druckergebnis zu erzielen. Diese Position verhindert Saugprobleme beim Drucken und hält kleine Kanäle und Löcher frei.
   HINWEIS: Sobald die Mischfolie STL importiert ist, wird sie flach auf die Druckfläche gelegt. Die Ausrichtung des Schlittens muss dann gedreht werden, um das Harz abfließen zu lassen und das Risiko von Druckunterschieden zu minimieren, die durch das Entstehen hohler Strukturen auf einer ebenen Oberfläche entstehen können.
4. Fügen Sie die strukturelle Stütze für den Schlitten durch die Auto-Support-Funktion in der Slicing-Software hinzu. Stellen Sie sicher, dass der Kanal vom Druckkopf wegzeigt, der im Hauptfenster der Chitubox sichtbar ist. Dann erhöhen Sie den Abstand zwischen dem Verschluss und der Druckplatte mit dem Übersetzungsbutton und Menü auf der linken Seite des Chitubox-Hauptbildschirms auf 5 mm. Diese Lücke ermöglicht Stützstrukturen und ein Stützfloß für den gefestigten Teil.
5. Anschließend werden die zusätzlichen Stützen manuell hinzugefügt, wodurch die Dichte der Stützteile an der Stelle am nächsten zum Druckkopf erhöht wird und Stützen auf beiden Seiten des Schlittens hinzugefügt wird, um sicherzustellen, dass das Teil beim Anheben durch das viskose Harz in statischer Position bleibt.
6. Überprüfen Sie sorgfältig die automatisch generierten Stützen und fügen Sie bei Bedarf manuell zusätzliche Stützen hinzu, um die Stabilität zu verbessern, insbesondere bei komplexen Merkmalen wie Kanten und Kanälen.
7. Schneide das Modell auf und untersuche jede Schicht sorgfältig, wobei du sicherstellst, dass keine sichtbaren Lücken zwischen den Schnitten vorhanden sind.
8. Klicken Sie auf die Schaltfläche zur Inselerkennung über: Slice > Island Detection , um nicht unterstützte Bereiche zu finden, die Druckfehler verursachen können. Wenn isolierte Regionen entdeckt werden, wiederholt man den Slicing-Prozess.
9. Sobald das Modell die Inselinspektion ohne erkannte isolierte Bereiche besteht, speichere die vorbereitete Modelldatei als ".ctb"-Datei auf einem USB-Stick, um sie für den 3D-Druck bereit zu machen.
   HINWEIS: Die Resin-Einstellungen wurden von der Herstellerempfehlung importiert und mit dem vom Hersteller bereitgestellten XP Finder-Modell getestet und sind auf https://phrozen3d.com/pages/phrozens-xp-finder-and-rp-tester-test-model-download-and-tutorials verfügbar. Da die Einstellungen mit den Umgebungsbedingungen im Labor und zwischen Druckern variieren können, ist es wichtig, diese Einstellungen zu testen und in manchen Fällen Anpassungen an die intralaboratorischen Bedingungen vorzunehmen. Eine vollständige Einstellungsdatei für den Drucker und das Harz findet sich im GitHub-Repository, das diesem Text beiliegt, zusammen mit dem gesamten Code und allen genannten .stl-Dateien. Beachten Sie, dass beim Drucken auch Schrumpfen und Verformungen auftreten können. Dies kann bis zu einem gewissen Grad ausgeglichen werden, indem sowohl die Harzeinstellungen, der Druckwinkel als auch die Verteilung der Stützpfosten angepasst werden, um den Laborumgebungsbedingungen gerecht zu werden. Beachten Sie, dass die Transparenz der Folie stark vom Winkel beeinflusst wird, in dem die Schichten entstehen; Da dieser Slide jedoch nur zum Mischen und nicht zur Bildgebung verwendet wird, war dies nur eine Sorge, um ausreichende Klarheit für die Kolorimetrie des Mischen sicherzustellen. Dies wurde erreicht, indem sichergestellt wurde, dass die Unterseite des Schlittens zwischen 20 und 60 Grad relativ zur Druckkopfplatte war. In diesem Fall wurde der Winkel von 46,67 Grad verwendet, da dieser Winkel eine hohe optische Klarheit basierend auf der Schichtausrichtung bot, dabei aber nicht so steil war, dass während des Druckvorgangs nicht unterstützte Merkmale entstehen, wie mit dem Chitubox-Button , der auf dem Slicing-Bildschirm zu finden ist, der nach dem Klick auf die Schaltfläche "Slice " angezeigt wird, variiert wird.

3. Drucken und Nachbearbeitung

1. Wählen Sie die .ctb-Datei aus, die dem mikrofluidischen Schlitten und dem Steckverbinder entspricht, und starten Sie den Druckauftrag.
   VORSICHT: Während 3D-Drucker auf Basis von Konsumentenharzen für den Einsatz im Haushalt gedacht sind, können Harzmaterialien potenziell gefährliche flüchtige organische Verbindungen (VOCs) abgeben. Daher wird empfohlen, den 3D-Drucker in einer chemischen Abzugshaube oder in einem Bereich mit ausreichender Belüftung zu betreiben.
2. Überwachen Sie den Druckprozess regelmäßig. Ein typischer Druck dieses Designs benötigt je nach Harzeigenschaften und Druckergeschwindigkeit etwa 3–4 Stunden.
3. Nach dem Drucken entferne Sie das Druckgerät vorsichtig mit einem Kunststoffschrotter von der Bauplatte und sprühen Sie das gedruckte Modell sofort mit 90 % Ethanol ein, um unausgehärtetes Harz zu entfernen.
   VORSICHT: Unausgehärtetes Harz kann schwere chemische Verbrennungen verursachen. Achten Sie darauf, dass beim Umgang mit den Geräten geeignete persönliche Schutzausrüstung (PSA) getragen wird, einschließlich Handschuhe, Laborkittel und Schutzbrille, bis sie vollständig ausgehärtet und gereinigt sind. Ethanol, das zum Waschen gedruckter Proben verwendet wird, sollte in einem gut belüfteten Bereich behandelt werden. Achten Sie darauf, PSA, einschließlich Handschuhen und Augenschutz zu tragen.
4. Solange der Druck noch weich ist, sollten Sie sicherstellen, dass alle kleinen Löcher, Kanäle und Gewindebereiche frei und zugänglich sind. Wenn nötig, verwenden Sie vorsichtig kleine Werkzeuge wie eine Pipettenspitze oder eine feine Nadel, um teilweise verstopfte oder verstopfte Stellen zu befreien. Verwenden Sie Druckluft oder eine mit Ethanol gefüllte Spritze, um die Kanäle zu spülen und die Öffnung zu überprüfen.
5. Tauchen Sie das gedruckte Modell für 2–3 Minuten vollständig in 99 % Ethanol ein, lösen Sie den restlichen unausgehärteten Harz auf und sorgen für eine gründliche Reinigung aller Mikrokanäle und Spalten.
6. Lege den gereinigten Druck in eine UV-Aushärtungskammer. Belichten Sie jede Seite des gedruckten Objektträgers gleichmäßig UV-Licht für etwa 30 Sekunden pro Seite. Gleichmäßige Belichtung verhindert Verformungen und gewährleistet die Dimensionsstabilität.
   VORSICHT: Tragen Sie während der UV-Aushärtung stets UV-schützende Schutzbrillen, um Augenschäden zu vermeiden.
   HINWEIS: Die Aushärtungsbox enthält eine hochintensive 405-nm-Lampe. Da das Teil größtenteils transparent ist und die Lampe 10 cm über dem Teil gehalten wird, erfolgt die Aushärtung schnell. Experimente mit verschiedenen Lampenbelichtungszeiten haben gezeigt, dass 6 s Lampenzeit, gefolgt von 3 s mit rotiertem Bauteil, effektiv sind. Der Hersteller empfiehlt, entweder mit einer Medicure-Aushärtungsstation für 30 Minuten bzw. Leerminuten zu härten.
7. Nach dem Aushärten tauchen oder spülen Sie den Abdruck kurz in Ethanol ein und geben Sie ihn dann in einen versiegelten Ziplock-Beutel mit Ethanol, um das Austrocknen und die anschließende Harzhärtung an unbeabsichtigten Stellen zu verhindern.
8. Legen Sie den versiegelten Beutel mit Ethanol und das ausgehärtete Modell in einen Ultraschallreiniger. Sonikieren Sie 180 Sekunden, um alle verbliebenen, unausgehärteten Harzen oder Verunreinigungen effektiv zu entfernen.
   HINWEIS: Alternativ können kommerziell erhältliche Wasch- und Aushärtungsstationen verwendet werden, um die Nachbearbeitung in verschiedenen Laboren zu standardisieren.
9. Nach der Sonikation spülen Sie das gedruckte Gerät gründlich mit destilliertem Wasser.
10. Führen Sie einen letzten Reinigungsschritt durch, indem Sie das Gerät erneut in 90 % Ethanol besprühen und untertauchen. Falls nötig, wiederholen Sie die Ultraschallreinigung um weitere 180 Sekunden, um eine vollständige Sauberkeit zu gewährleisten.
11. Nach dem Aushärten polieren Sie die Oberfläche des Teils sorgfältig mit Schleifpapier der Körnung 440. Nachhärten Sie die Gewindestecker, die in die Mischfolie eingesetzt werden, mit demselben Verfahren, mit dem Vorbehalt, dass drei Stecker gleichzeitig gedruckt, gewaschen und nachgehärtet werden, indem sie nebeneinander auf dem Drucker, in der Nachhärtebox und in die ethanolhaltigen Ziplocks platziert werden. Spülen Sie erneut mit destilliertem Wasser ab und lassen Sie es an der Luft trocknen oder föhnen Sie es vorsichtig mit Druckluft, um restliches Wasser zu entfernen.
    HINWEIS: Schritt-für-Schritt-Bilder des Druckprozesses sind in ergänzender Abbildung 1 dargestellt.

4. Oberflächenpolierung und Abdichtung des mikrofluidischen Kanals

1. Um eine glatte Sichtbarkeit und eine gute Abdichtung zu erzielen, verwenden Sie einen Glasstein, um die Oberfläche des mikrofluidischen Objektträgers zu polieren.
2. Zuerst verwenden Sie einen 2,45 Mikron (6.000 Mesh) großen Glasstein (Körnungsbereich ~1,5–2,3 μm), um die Oberseite bis zu einer gleichmäßigen Glättung zu polieren. Anschließend wird die Oberflächenoberfläche weiter verbessert, indem man mit einem feineren 0,92 Mikron (16.000 Gitter) Stein (Körnungsbereich ~0,76–1,5 μm) poliert. Dies sorgt für ein noch glatteres Finish (ergänzende Abbildung 2).
3. Versiegeln Sie den Mikrokanal mit einem durchsichtigen, wasserdichten Patch und Klebeband. Stellen Sie sicher, dass das Band den gesamten Kanalbereich vollständig abdeckt, während die Löcher und Anschlüsse frei bleiben (siehe Abbildung 1).
4. Zuerst wird das Klebeband von einer Seite des Verschlusses aufgetragen und dann sanft, aber fest mit dem Daumen gedrückt, um eine gleichmäßige Haftung zu gewährleisten und Luftblasen zu vermeiden.
5. Verwenden Sie eine scharfe Schere oder ein Messer, um überschüssiges Klebeband von den Schlittenkanten abzuschneiden und sicherzustellen, dass der Stecker sauber geschnitten ist und funktionsfähig bleibt.
6. Backen Sie den mit Klebeband befestigten Verschluss 30 Minuten bei 60 °C, um die Haftfestigkeit zu verbessern.
7. Nach dem Abkühlen tragen Sie Sekundenkleber auf, um die Verbinder an der Schlittenkante zu befestigen. Üben Sie sanften Druck auf jeden Verbinder aus, während der Kleber ausgerichtet ist, um eine korrekte Ausrichtung sicherzustellen und so zuverlässige Rohrverbindungen für die Flüssigkeitshandhabung zu ermöglichen.
   HINWEIS: Ein repräsentatives Bild des gedruckten Geräts mit ausreichender optischer Transparenz ist in ergänzender Abbildung 3 dargestellt.

5. Aufbau und Prüfung des Flüssigkeitsflusses

1. Laden Sie die gewünschten Testlösungen in zwei separate Spritzen (bezeichnet als Spritze A und Spritze B; Abbildung 1). Für die Gradientenerzeugung verwenden Sie zwei Lösungen: (i) eine isosmotische Lösung aus phosphatgepuffertem Kochsalzlösungsmittel (PBS) und (ii) eine hyperosmotische Lösung, bestehend aus 40 % (v/v) Dimethylsulfoxid (DMSO) mit 1,2 M Natriumchlorid (NaCl), das in PBS hergestellt wird.
   HINWEIS: Das Gerät erzeugte lineare Konzentrationsgradienten, die von etwa isoosmotischen Bedingungen (~300 mOsm/kg) bis zu extremen hyperosmotischen (~9.000 mOsm/kg) und zurück zu isotonen Bedingungen über definierte Zeitintervalle reichten.
2. Verwenden Sie präzise gasdichte Glasspritzen für eine präzise Flüssigkeitsflussregelung und Druckregulierung. Befestigen Sie Spritzen mit 1/4"-28 Fittings, Ferrulen und 1/16" OD PEEK-Schläuchen am Schlitten.
3. Nachdem Spritzen und Schläuche sicher am mikrofluidischen Gerät befestigt sind, werden die Spritzen auf programmierbare Präzisionsspritzenpumpen montiert.
4. Verbinden Sie beide Spritzenpumpen (Pumpe A und Pumpe B) miteinander über das bereitgestellte Netzwerkkabel, um einen synchronen Betrieb sicherzustellen.
5. Schließen Sie Pumpe A mit einem RS232-Kabel an einen Computer an, das an den seriellen Anschluss des Computers angeschlossen ist.
6. Installieren Sie Pumpe C stromabwärts des mikrofluidischen Geräts im Entzugsmodus, um einen gleichmäßigen Durchfluss zu gewährleisten und Druckaufbau zu verhindern.
7. Führe das Python-basierte Skript aus, um den Flüssigkeitsfluss von Spritzenpumpen präzise zu steuern. Es wird Pumpe A und Pumpe B verwalten, um einen linearen osmotischen Gradienten von ISO- zu hyperosmotischen Bedingungen zu erzeugen, gefolgt von einer Rückkehr zu isoosmotischen Bedingungen über benutzerdefinierte Zeitintervalle.
8. Anpassung von experimentellen Parametern wie Durchflussrate, Gradientintervallen und Gesamtlaufzeit in der Python-Software, um die experimentellen Bedingungen an spezifische Prüfanforderungen anzupassen.

Ergebnisse

Abbildung 1 veranschaulicht die Gesamtkonfiguration unseres Geräts

Abbildung 1: Systemaufbau.Von links nach rechts ermöglicht die Python-basierte Steuerungssoftware die Erstellung präziser Zeit- und Konzentrationskurven, indem die Pumpraten der Spritzenpumpen A und B variiert werden. Die Flüssigkeit f...

Diskussion

Mikrofluidik-Mischkammern sind typischerweise teure Bauteile, die mit voreingestellten Konfigurationen hergestellt werden. Dieses Manuskript zeigt, wie schnelles Prototyping und maßgeschneiderter Code es Laboren ermöglichen, Mischkammern rasch zu entwickeln und so eine Vielzahl experimenteller Einrichtungen zu ermöglichen.

Wir validieren vollständige Mischung mittels kolorimetrischer Analyse und Osmometrie. Die osmotischen Messungen wurden weiter mit berechnet...

Materialien

Liste der in diesem Artikel verwendeten Materialien

Name	Unternehmen	Katalognummer	Kommentare
1/16" OD PEEK Kapillarrohr – 65 & Mikro; m Innendurchmesser	IDEX Gesundheit und Wissenschaft, USA	SKU: ID-1560	1,5 m, in kleinere Abschnitte geschnitten. Gekauft bei Darwin Microfluidics
3D-Drucker UV-Harz-Aushärtungslicht & Dash; 230 V 405 nm	Skouphy, China		Als Nachhärtestation verwendet, indem es in eine weiße Styroporbox mit Harzteil für ~6 S gelegt wird
3x gasdichte 1/4-28 UNF Glasspritzen & ndash; 5 mL	Hamilton, USA	SKU: HM-10103664	1/4-28 Fitting ermöglicht die Verbindung mit 1/16" PEEK-Schläuche. Gekauft bei Darwin Microfluidics
Dimethylsulfoxid (DMSO), zertifiziertes ACS	Fisher Scientific, USA	Cat.No: D128-1	Gekauft von Fisher Scientific
ELITechGroup KALIBRIERUNGSSTANDARD, 850 MOSM/K	ELITechGroup, USA	VCAT: SS-277, Kat. Nein: NC1876875	Gekauft von Fisher Scientific
ELITechGroup-KALIBRIERUNGSSTANDARD, 300 MOSM/K	ELITechGroup, USA	VCAT: SS-276, Kat. Nein: NC1876872	Gekauft von Fisher Scientific
Flanschlose PFA-Anschlüsse & ETFE Ferrules 1/4"-28 bis 1/16"	IDEX Gesundheit und Wissenschaft, USA	SKU: ID-XP-245X	10er-Pack, gekauft bei Darwin Microfluidics
Lebensmittelfarbe	Clubhaus, Kanada
FreezePoint 6000P Gefrierpunkt-Osmometer	ELITechGroup, USA	Modell: 6000P
FreezePoint-Messgefäße	ELITechGroup, USA	VCAT: SS-279, Kat. Nein: NC1876881	Gekauft von Fisher Scientific
Gorilla Superkleber Gel	Die Gorilla Glue Company, USA	https://gorillatough.com/product/gorilla-super-glue-gel/
Fischgrätmischer – Glassplitter	Kleine Dinge Fabrik	SKU: LTF-012.00-4264	Gekauft bei Darwin Microfluidics
Hyperosmotisches Medium – 40 % DMSO (v/v) mit 1,2 M NaCl			Im Labor hergestellt
Ibidi µ-Slide VI 0.4 – ibiTreat	Ibidi, Deutschland	Cat.No: 80606
Isosmotisches Medium – Cytiva HyClone Phosphat Puffer-Kochsalzlösung (PBS)	Cytiva, USA	Cat.No: SH3025601	Gekauft von Fisher Scientific
Motisches Stereoskop	Motic, Hongkong	Model:  SMZ-168 TLED
NE1000 SyringONE Spritzenpumpen	New Era Pump Systems Inc., USA	Modell: 1010-US	Gekauft von New Era Pump Systems Inc.
Phrozen Sonic Mini 8k Resin 3D-Drucker	Phrozen Tech Co., LTD. Taiwan (R.O.C.)		Phrozen Sonic Mini 8k
Pump-to-PC RS-232 Primärnetzwerkkabel	New Era Pump Systems Inc., USA	Modell: CBL-PC-PUMP-7 (7 Fuß Kabel)	9-poliger Serien-zu-RS232-Wandler, gekauft von New Era Pump Systems Inc.
Pumpen-zu-Pumpen-Sekundärnetzkabel	New Era Pump Systems Inc., USA	Modell: CBL-NET-7 (7 Fuß Kabel)	RS232-Kabel, gekauft von New Era Pump Systems Inc.
Harz - PowerResins Sugical Guide Resin 1000 GR	PowerResins, 3BFab Inc, Tü rkiye	SCHIEDSRICHTER: PSG-03-C
RS-232-zu-USB-Konverterkabel	Prolific Technology, Taiwan (R.O.C.)	Modell: CBL-USB232	Gekauft von New Era Pump Systems Inc.
Schlittendichtband – Kristallklares Gorilla Tape 1,88" x 9 Yards	Die Gorilla Glue Company, USA
Natriumchlorid (NaCl)	EMD Millipore, MilliporeSigma, Deutschland	Katze. Nein: M1064041000	Gekauft von Fisher Scientific