High Speed ​​Droplet-based Delivery System für Passive Pumping in Mikrofluidiksysteme

Beim passiven Pumpen muss ein großer Tropfen in den Auslass und ein kleiner Tropfen in den Einlass gelegt werden. Dies führt zu der Druckdifferenz, die zum Antrieb des Durchflusses erforderlich ist. Abwechselnde Tropfen verschiedener Flüssigkeiten führen dazu, dass Pakete in den Kanal geflogen und schließlich am Auslass gesammelt werden.

Hohe Durchflussraten können erreicht werden, indem Tröpfchen mit geringem Volumen und einer Frequenz abgegeben werden, die hoch genug ist, um eine stabile Flüssigkeitshülle am Einlass zu erreichen. Hallo, ich bin Pedro Reto vom Justin Williams Labor am Department of Biomedical Engineering an der University of Wisconsin Medicine. Und ich bin Brian Mogan, ebenfalls aus dem Williams-Labor.

Und ich bin Aaron Burier von Professor S Lab, ebenfalls in der Abteilung für Biomedizintechnik an einem W Medicine. Heute zeigen wir Ihnen ein Verfahren zum passiven Pumpen in mikrofluidischen Geräten. In unserem Labor verwenden wir dieses Verfahren, um die Strömung innerhalb von Mikrokanälen zu untersuchen und den fluidischen Austausch innerhalb des Kanals für biologische Anwendungen zu untersuchen.

Also lasst uns loslegen. Erstellen Sie zunächst mit der Soft-Lithographie-Technik ein mikrofluidisches Gerät mit Polymethylsuboxon. Schneiden Sie anschließend das Gerät aus und dann reversibel.

Befestigen Sie das PDMS-Gerät an einem Objektträger, indem Sie es auf den Objektträger drücken und alle Luftblasen herausdrücken. Durch einen reversiblen Aufsatz kann das Gerät mehrfach wiederverwendet werden. Füllen Sie nun das Gerät mit Flüssigkeit.

Wir verwenden Wasser mit Lebensmittelfarbe. Wenn die Flüssigkeit nicht von selbst in den Kanal gelangt, geben Sie einen Tropfen Flüssigkeit auf den Einlass und saugen Sie die Flüssigkeit mit einer Pipette am gegenüberliegenden Ende durch den Kanal. Nachdem Sie das Gerät mit Flüssigkeit gefüllt haben, geben Sie einen kleinen Tropfen auf den Einlass und einen größeren Tropfen auf den Auslass.

Stellen Sie sicher, dass sich die Flüssigkeit bewegt, indem Sie beobachten, wie der kleine Tropfen am Einlass zusammenbricht, während der Auslasstropfen größer wird. Bevor wir weitermachen, lassen Sie uns die grundlegenden Zusammenhänge des passiven Pumpens erklären. Die Dynamik der gepumpten Tropfen hängt von mehreren Faktoren ab, den Kanalabmessungen mit Höhe und Länge und von der Größe des Tropfens, der am Einlass platziert wird.

Um Ihnen eine bessere Vorstellung davon zu geben, wie sich diese Faktoren auf den Flow auswirken, geben wir Ihnen einige Beispiele. Beginnen wir mit zwei ähnlichen Kanälen. Sie haben die gleiche Breite und Höhe, aber eine ist länger als die andere.

Nun platzieren wir gleich große Tropfen am Einlass jedes Kanals. Sehen Sie sich an, wie der Einlassabfall der kürzeren Kanäle schneller zusammenbricht als der der längeren Kanäle. Dies liegt daran, dass ein längerer Kanal einen größeren Strömungswiderstand aufweist und die Strömung in ihm langsamer ist.

Als Nächstes untersuchen wir zwei weitere Kanäle mit der gleichen Länge und Höhe, aber unterschiedlichen Breiten. Platzieren wir identische Tropfen am Einlass jedes Kanals und beobachten wir, wie sie zusammenbrechen. Sehen Sie, wie der dünnere Kanal länger braucht, um den Einlass zu kollabieren?

Dies liegt daran, dass der dünnere Kanal einen größeren Strömungswiderstand besitzt als der breitere Kanal. Zum Schluss nehmen wir zwei identische Kanäle und platzieren unterschiedlich große Tropfen am Einlass jedes Kanals. Beachten Sie, dass der größere Einlass länger zum Zusammenklappen benötigt als der kleinere Einlassabfall.

Das liegt daran, dass ein kleinerer Tropfen weniger Volumen und einen größeren Innendruck hat als der größere. Zu wissen, dass kleinere Tropfen besser sind als größere. Und nachdem wir beobachtet haben, wie schnell diese kleinen Tropfen kollabieren können, fragen wir uns nun, wie wir volumetrisch genaue Tropfen so an den Einlass eines Kanals abgeben können, dass wir biologische Experimente durchführen können.

Stellen Sie mit dem Mikrodosier-Startkit der Firma Lee ein oder mehrere Ventile zusammen, die jeweils aus dem Vol-Ventil, einer Düse mit einer Blende von 0,0100 Zoll und einem Soft-Tube-Adapter bestehen. Hier haben wir also das Ventil über die Rohrventilanschlüsse mit dem Schaltkasten verbunden, was wir im vorherigen Schritt getan haben. Und dann haben wir eine Spitzspannungsquelle, die diese Wurzel hier drüben ist.

Und dann haben wir unsere Steuerspannungsquelle, gefolgt von der Haltespannungsquelle. Und schließlich in Verbindung mit der Erde Um die Ventile an Ort und Stelle zu halten, während sie auf den Einlass zielen. Verwenden Sie biowissenschaftliche Werkzeuge, Miniaturhalter.

Diese bieten eine Möglichkeit, das Ventil präzise auszurichten und in einer bestimmten Position zu halten. Stellen Sie während des Experimentierens mit Spritzen von drei Viertelunzen ein Reservoirsystem her, das einige Fuß über dem PDMS-Gerät platziert wird. Der Behälter bietet eine Druckhöhe zum Antrieb der Düsen.

Befestigen Sie eine Spritzennadel an der Spritze. Befestigen Sie nun die Spritzennadel an einem 1,14-Millimeter-Schlauch und dann an einem Schlauch mit einem Innendurchmesser von 1,58 Millimetern. Verwendung von PDMS als Dichtstoff.

Verbinden Sie nun den Schlauch mit einem Innendurchmesser von 1,58 Millimetern mit dem Soft-Tube-Adapter des Ventils. Da sich nun eine Leitung zwischen der Spritzennadel und dem Ventil befindet, füllen Sie die Spritzenbehälter mit Flüssigkeit, um die Ventile zu spülen, und lassen Sie den Schlauch mit Wasser füllen. Platzieren Sie einen Magneten an der Seite des Ventils und beobachten Sie, wie die Flüssigkeit aus dem Behälter durch das Ventil und aus der 0,01-Zoll-Düse fließt.

Wir steuern dieses System mit einem Computer unter Verwendung der Laboransicht und der Spike-and-Hold-Steuerbox der Lee Company. Um das System zu kalibrieren, richten Sie ein Ventil zum Wiegen auf eine Petrischale oder ein Molkeschiffchen. Öffnen Sie nun das Ventil für eine beliebige Zeit und wiegen Sie das Gesamtvolumen des Wassers, das aus der Düse austritt.

Teilen Sie dieses Volumen durch die gesamte offene Zeit des Systems. Diese Kalibrierung ermöglicht es dem Benutzer, das Wasservolumen zu ermitteln, das für einen bestimmten Zeitraum aus der Düse schießt. Nachdem Sie das System kalibriert haben, richten Sie die Düse auf den Einlass eines Kanals, der auf dem vorherigen Kalibrierungsschuss aus der Düse basiert, und zwar mit einem Volumen, das so groß ist, dass ein Tropfen auf den Einlass des Kanals geschossen wird, ohne dass er zu groß ist, um eine Sauerei zu verursachen, oder zu klein, um unbemerkt zu bleiben.

Denken Sie daran, Blasen zwischen den Experimenten zu entfernen. Nachdem wir nun die Grundprinzipien des passiven Pumpens verstanden und die Systemkalibrierung erläutert haben, schauen wir uns an, was ein Benutzer sehen sollte, wenn alles richtig läuft. Das folgende Video zeigt einen Fluss durch einen mikrofluidischen Kanal, der von höheren Volumina bei niedrigeren Frequenzen zu niedrigen Volumina bei hohen Frequenzen führt.

Dies sollte dem Benutzer ein Verständnis für die Fähigkeiten früherer Pumpen zusammen mit einem automatisierten fluidischen Fördersystem vermitteln. Die in den folgenden Videos verwendeten Geräteabmessungen sind 2,22 Millimeter Breite, 10 Millimeter Länge und 260 Mikrometer. Die Ein- und Auslassdurchmesser in der Höhe betragen 1,78 Millimeter bzw. 5,11 Millimeter.

Zwei oder mehr Ventile sind notwendig, um alternierende Strömungen zu erzeugen, wie gezeigt. Als nächstes sehen Sie ein Video, das die maximal mögliche Durchflussrate des aktuell verwendeten Geräts zeigt. In diesem Fall wird ein einziges Ventil verwendet, um Flüssigkeit zu fördern.

Um das Gleichgewicht des Systems aufrechtzuerhalten, ist es wichtig, das Ventil direkt von der Oberseite des Einlasses aus zu richten. Beachten Sie die Schale, die der Tropfen am Einlass bildet. Dies stellt den konstanten Druck dar, der aufrechterhalten wird, indem Wasser so schnell in den Einlass geleitet wird, wie das Gerät es passiv durchpumpen kann.

Beachten Sie auch, wie der Einlasstropfen irgendwann überläuft. Dies wird höchstwahrscheinlich durch Störungen, den Auslassabfall, verursacht. Durch die Beseitigung des Überlaufs am Einlass findet das System wieder ein Gleichgewicht und die Strömung setzt sich fort.

Normalerweise haben wir Ihnen nur gezeigt, wie Sie ein passives Pumpsystem mit handelsüblichen Mikrodüsen einrichten, kalibrieren und betreiben. Bei diesen Experimenten ist es immer wichtig, sich daran zu erinnern, eine stetige Druckquelle zu haben, um zu vermeiden, dass Blasen in Ihren Kanal gelangen, und die Kompromisse zwischen Kanalgeometrie und Tropfengröße zu kennen, um die gewünschten Strömungen und Austausche zu erreichen. Damit der Auslass beispielsweise nicht zu groß wird, verursacht er eine Sauerei oder erreicht Ihren Einlass und halten Sie Ihre PDMS-Geräte sauber und trocken.

Das war's also. Vielen Dank fürs Zuschauen und viel Glück für Ihre Experimente.