Mikrofluidik-Chips mit Elastomer-Mikroventil Arrays Controlled

Mikrofluidik bietet Zellbiologen die Technologie für Hochdurchsatz-Experimente, bei denen eine präzise Flüssigkeitsführung erforderlich ist. Hallo, ich bin Nin Chen Lee aus dem Folk-Labor der Abteilung für Bioingenieurwesen an der University of Washington. Heute zeige ich Ihnen, wie man mikrofluidische Spitzen herstellt, die über ein PDMS-Mikroventil-Array gesteuert werden.

Die Vorrichtung besteht aus drei Schichten. Die erste Schicht ist die fluidische Schicht, die Mikrokammern in verschiedenen Größen enthält, und die zweite Schicht ist die Steuerschicht, die Kanäle zwischen den beiden Schichten enthält. Aufgrund der Hydrophobizität und Elastizität von PMS befindet sich eine dünne PMS-Membran.

Die Membran verschließt sich gegen ihren Samen, wodurch die Fluidkammern voneinander isoliert werden. Wenn wir über die Steuerkanäle Vakuum anlegen, kann sich die PDMS-Membran verformen und die zuvor isolierten Fluidkammern verbinden. Heute zeige ich Ihnen einen parallelen Mischer, der es ermöglicht, subnanolitervolumina wässriger Lösungen in unterschiedlichen Mischverhältnissen zu vermischen.

Als Nächstes wird ein neuartiger Schritt aus unserem Labor Ihnen ein integriertes mikrofluidisches System vorstellen, das es ermöglicht, mehrere Lösungen kontinuierlich in Zellkulturen einzubringen. Beginnen wir. Hier zeige ich Ihnen einen Master mit Strukturen am Handgelenk von A SUH auf der Oberseite eines Siliziumwafers.

Der Master wurde aus Standard-SUH-Fotografie-Verfahren von diesen Masters hergestellt. Wir können PDMS-Abgüsse immer wieder anfertigen. Um die Freisetzung von PDMS von den Masters zu erleichtern, müssen wir den Master zuerst silanisieren.

Wir führen die Masterstrukturierung normalerweise mittels UV-Licht unter Verwendung von Fotolacken durch, da wir mit dem Florenz-Island arbeiten. Zunächst gebe ich das Wafer in den Beschichter und trage die Tropfen des Fotolacks auf, anschließend schließe ich die Deck-Skate-Kammer, schalte das Vakuum ein, lasse das Vakuum für 1, 2, 3 Minuten wirken und schalte es danach wieder ab. Danach lasse ich das Lösungsmittel eine halbe Stunde lang verdunsten und nehme dann das Wafer heraus. Vor der Herstellung des Negativabdrucks aus PDMS müssen wir zunächst das PDMS-Präpolymer und den Härter im Verhältnis 10 zu 1 vorvermischen.

Ich wiege also ein Prepolymer von 31 Gramm ab und anschließend die Härter in einer Menge von 3,1 Gramm und mische beides gründlich für fünf Minuten. Das fertige Produkt sieht wie folgt aus. Danach gebe ich es in eine Dichtewärme, um die PS-Masse fünf bis zehn Minuten lang zu entgasen, bis sie klar wird.

Während ich darauf warte, dass das PMS entlüftet wird, kann ich Silikonschläuche auf dem Bereich der Steuerschicht befestigen. Wir wählen Silikonschläuche, da sie aus dem gleichen Material wie das PMS bestehen und sich später nahtlos in das Gerät einbetten lassen, wodurch eine luftdichte und flüssigkeitsdichte Abdichtung entsteht. Nun gebe ich etwas Leim D auf die Spitze des kleinen Silikonschlauchs und drücke ihn auf den Zulaufbereich des Masters.

Damit die Schläuche nicht zu weit überstehen, müssen die Silikonschläuche beim Schneiden sehr flach geschnitten werden, und man sollte nicht zu viel Kleber daraufgeben. Erklären Sie genau, wie Sie den Kleber auftragen. Schauen wir uns das an. Bereiche werden sowohl am Ventil als auch am Deckel entfernt.

Jetzt wurde das PS entwickelt. Ich werde PS auf die Oberseite des Masters gießen. Achten Sie darauf, die umliegenden PGAs an den Schläuchen vorsichtig zu ziehen.

Jetzt gieße ich auf die andere Negativform, die die Merkmale der Flüssigkeitsschicht aufweist. Nachdem PS auf die Formen gegossen wurde, müssen diese erneut für fünf bis zehn Minuten im Staubentferner entlüftet werden. Nach der Entlüftung härten wir PMS im Ofen bei 65 bis 70 Grad für eine Stunde bis 24 Stunden aus.

In Ordnung, ausgezeichnet. Nach zwei Stunden wurde das PMS ausgehärtet. Nun schneiden wir das PMS-Element von der SU-Bestandform ab und stanzen die Periode für die Steuerschicht aus.

Im Tubing-Modus entfernen wir den Klebstoff von den Einlassbereichen unserer Vorrichtungen. Einlassbereiche werden sowohl auf den drei Schichten als auch auf den Steuerschichten erzeugt, aber wir führen die Silikontubing nur auf einer Schicht ein.

Beispielsweise hier nur auf der Steuerschicht. Um Zugang zur Flüssigkeitsschicht zu erhalten, können wir die Membran unterhalb der Silikonschläuche durchstechen, um Zugang zu schaffen. Auf diese Weise können wir von oben auf alle diese Vorrichtungen zugreifen, was die Durchführung von Mikroskopie am Stereomikroskop und am herkömmlichen inversen Mikroskop erleichtert.

Nun begeben wir uns in den C-Raum. Um CTM S-Membranen herzustellen, zeige ich Ihnen, wie man die PDFs-Membran mit dem Headway-Spinner zentrifugiert. Bevor ich das Wafer auf die Oberseite der Wafer-Prüfvorrichtung lege, überziehe ich die Kugel mit einer Plastikhaube und lege ein Papiertuch darunter, um nachfolgende Verschmutzungen leichter reinigen zu können.

Wenn es also abgeschlossen ist, genau wie zuvor bei den Masters, gebe ich nach dem Reinigen im Vakuum etwa zwei Milliliter der PMS-Taxi-Lösung direkt auf den Siliciumwafer, da wir eine 11 bis 12 Mikrometer dicke Membran erhalten möchten. Der Wafer wird dann 20 Sekunden lang mit 7.000 U/min beschleunigt. Es beginnt jetzt. Und nun könnte ich etwa Folgendes sagen: Hier sehen Sie, wie der Wafer rotiert. Wir werden ihn so lange drehen, wie erforderlich. Nach dem Spinnen legen wir den Wafer vier Minuten lang auf die Heizplatte bei 85 Grad. Nun ist die PDMS-Membran ausgehärtet.

Anschließend oxidieren wir die P DM S-Membran und die Steuerebene in einem Plasmaofen. Wir stellen die Platinleistung auf 75 % ein und verwenden einen Sauerstoffdruck von 30 PSI sowie eine Durchflussrate von fünf. Diese Parameter können je nach unterschiedlichen Anwendungen stets angepasst werden.

Schalten Sie die Zinken ein, schalten Sie das Plasma für 30 Sekunden ein. Legen Sie nun die Steuerschicht auf die Membran. Nach einigen Minuten Kontakt wird die Steuerschicht mit der Membran verbunden sein.

Nach einigen Minuten entfernen Sie die Steuerschicht mit der Membran. Gut, jetzt sind wir bereit, die Steuerschicht mit dem vollständig klaren Teil auszurichten. Da wir uns nicht mehr im Reinraum befinden, verwenden wir eine Klebefilm-Spitze, um den Staub vom vollständig klaren Teil zu entfernen.

Wir müssen auch die Membran aus dem Einlassbereich der Steuerschichten entfernen. Dies dient dem Zugang zur darunterliegenden Flüssigkeitsschicht. Legen Sie daher die Steuerschicht mit der Membran auf die Flüssigkeitsschicht.

Überprüfen Sie alle Flüssigkeitskammern und Ventile. Stellen Sie sicher, dass alle von links nach rechts ausgerichtet sind. Falls sie nicht ausgerichtet sind, können Sie die Steuerschicht entfernen und erneut anbringen.

Hier sehen Sie, dass die Fluidschicht und die Steuerschicht ausgerichtet sind. Nun werde ich dünnere Schläuche in diese Einlässe einfügen, um sie mit Flüssigkeitsquellen und Druckquellen zu verbinden. Jetzt verbinde ich die Ventile mit der Druckquelle und die Fluidzulaufstellen mit der Fluidquelle.

Hier haben wir zwei verschiedene Farbstoffe, einen blauen und einen gelben, um die PDMS-Mikroventile zu öffnen und zu schließen. Wir verwenden Magnetventile, die an eine Vakuumquelle und eine Druckluftquelle angeschlossen sind; die Ventile werden über eine Light-View-Software gesteuert. Jetzt öffne ich den Ventilsatz Nummer eins.

Wir können sehen, wie sich die PDMS-Membranen verformen und die Ventile geöffnet sind. Jetzt schließe ich den ersten Satz der Ventile und öffne den zweiten Satz. Nun funktionieren alle Mikroventile.

Ich werde die mikrofluidischen Kammern mit zwei verschiedenen Würfeln füllen. Ich öffne den Ventilsatz Nummer eins und verwende zudem ein Vakuum, um die beiden Würfel in die Kammern zu ziehen. Nachdem die Kammern mit Würfeln gefüllt sind, schließe ich den Ventilsatz Nummer eins, um die einzelnen Kammern zu isolieren, und schalte dann den Ventilsatz ein.

Zweitens, die Paare in den beiden Arrays zu mischen. Das Öffnen des Ventils und das Mischen dauern gewöhnlich zwischen einer und zwei Minuten. Da wir die Kammergrößen in 10 verschiedenen Größen ausgelegt haben.

Wir haben also ein Mischungsverhältnis aus 11 verschiedenen Verhältnissen. Nachdem die Mischung abgeschlossen ist, schließe ich das Ventil, sodass Sie jede einzelne Kammer sehen können. Es gibt unterschiedliche Mischungsverhältnisse.

Die Farbe wechselte von Blau über Grün zu Gelb. Einmal hergestellt, könnten diese Geräte potenziell in biomedizinischen Tests wie Wirkstoffscreenings oder zellbiologischen Untersuchungen wie Chemotaxis oder der Zellreaktion auf unterschiedliche Konzentrationen von Chemikalien und Wachstumsfaktoren oder Arzneimitteln eingesetzt werden. Ich bin Chris Sip, und ich werde ein Gerät demonstrieren, das ein integriertes mikrofluidisches Perfusionsystem darstellt und dem zuvor bei der Herstellung gezeigten Gerät stark ähnelt.

Der einzige, der Hauptunterschied besteht darin, dass anstelle getrennter Kammern, die durch ein Ventil voneinander getrennt sind und deren Inhalte sich über Diffusion vermischen, mehrere Einlässe vorhanden sind, die zusammenlaufen und durch Ventile gesteuert werden – ein Multiplex-Ventilsystem. Ich werde die gezielte Betätigung der Ventile demonstrieren, wodurch unterschiedliche Einlässe ein- oder ausgeschaltet werden. Zusätzlich werde ich die Funktion eines integrierten Mischkanals sowie die Steuerung von Gradienten zeigen.

An der Oberseite des Bildschirms sehen Sie 16 Zuleitungen, die zusammenlaufen und durch die eine Strömung von oben nach unten durch diesen vertikalen Kanal und in dieses Verzweigungsnetzwerk gelangt, das die Zellkulturkammer darstellt. Nun sehen wir, wie die Zuleitungen auf einen blau gefärbten Farbstoff umgeschaltet werden, der strömt, und Sie können das laminare Strömungsprofil erkennen, während es durch die Kammer fließt. Jetzt kombinieren wir Blau und Gelb und können anschließend auf die umgekehrte Kombination umschalten.

Wir können unseren Gradienten auf die rechte Seite lenken. Wir können auch andere Arten von Gradienten erzeugen. Hier wird das schnelle Umschalten der Ventile gezeigt, sodass wir ziemlich schnell zwischen verschiedenen Lösungen wechseln können.

Nun leiten wir Blau und Gelb durch diesen Homogenisator, und die Lösung tritt grün in der Kammer aus. Außerdem können wir eine beliebige Anzahl verschiedener Zuleitungen umschalten. In diesem Fall leiten wir eine rote Zuleitung durch, die die gesamte grüne Lösung verdrängt. Heute habe ich Ihnen gezeigt, wie man mikrogefüßte Ventil-basierte Vorrichtungen herstellt, und die Mischung von zwei Farbstoffen in verschiedenen Verhältnissen in subliter-Volumina demonstriert.

Chris aus unserem Labor hat außerdem integrierte mikrofluidische Systeme zur Perfundierung verschiedener Lösungen demonstriert. Vielen Dank fürs Zuschauen und viel Erfolg bei Ihrem eigenen Experiment.