De alta velocidad basada en las gotas de entrega del sistema de bombeo pasiva en dispositivos de microfluidos

El bombeo pasivo requiere que se coloque una gota grande en la salida y una pequeña en la entrada. Esto causará la diferencia de presión necesaria para impulsar el flujo. Las gotas alternas de diferentes fluidos harán que los paquetes vuelen en el canal y finalmente se recojan en la salida.

Se pueden lograr altos caudales mediante la entrega de gotas de bajo volumen a una frecuencia lo suficientemente alta como para lograr una capa de fluido estable en la entrada. Hola, soy Pedro Reto del laboratorio de Justin Williams en el Departamento de Ingeniería Biomédica de la Universidad de Medicina de Wisconsin. Y yo soy Brian Mogan, también del laboratorio de Williams.

Y yo soy Aaron Burier, del Laboratorio del Profesor S, también en el departamento de ingeniería biomédica de W Medicine. Hoy te vamos a mostrar un procedimiento para hacer bombeo pasivo en dispositivos microfluídicos. En nuestro laboratorio, utilizamos este procedimiento para estudiar el flujo dentro de los microcanales y para estudiar el intercambio fluídico dentro del canal para aplicaciones biológicas.

Así que comencemos. En primer lugar, utilizando la técnica de litografía blanda, cree un dispositivo microfluídico utilizando polimetilsuboxona. A continuación, corte el dispositivo y luego reversiblemente.

Conecte el dispositivo PDMS a un portaobjetos de vidrio presionándolo sobre el portaobjetos y exprimiendo las burbujas de aire. Un accesorio reversible permite reutilizar el dispositivo varias veces. Ahora llene el dispositivo con líquido.

Usamos agua con colorante para alimentos. Si el líquido no entra en el canal por sí solo, coloque una gota de líquido en la entrada y use una pipeta en el extremo opuesto para succionar el líquido a través del canal. Después de llenar el dispositivo con líquido, coloque una pequeña gota en la entrada y una gota más grande en la salida.

Asegúrese de que el líquido se esté moviendo observando cómo se colapsa la pequeña gota en la entrada mientras la caída de salida se hace más grande. Antes de continuar, expliquemos las relaciones básicas del bombeo pasivo. La dinámica de las gotas bombeadas depende de varias cosas, las dimensiones del canal con la altura y la longitud, y del tamaño de la gota que se coloca en la entrada.

Para que te hagas una mejor idea de cómo afectan estos factores al flujo, te daremos algunos ejemplos. Comencemos con dos canales similares. Tienen la misma anchura y altura, pero una es más larga que la otra.

Ahora colocamos gotas del mismo tamaño en la entrada de cada canal. Observe cómo la caída de entrada de los canales más cortos se colapsa más rápido que la caída de los canales más largos. Esto se debe a que un canal más largo tiene una mayor resistencia fluídica y el flujo en su interior es más lento.

A continuación, exploremos dos canales más con la misma longitud y altura, pero diferentes anchos. Coloquemos gotas idénticas en la entrada de cada canal y observemos cómo colapsan. ¿Ves cómo el canal más delgado tarda más en colapsar la caída de entrada?

Esto se debe a que el canal más delgado posee una mayor resistencia fluídica que el canal más ancho. Por último, tomemos dos canales idénticos y coloquemos gotas de diferente tamaño en la entrada de cada uno. Observe cómo la caída de entrada más grande tarda más en colapsar que la caída de entrada más pequeña.

Esto se debe a que una gota más pequeña tiene menos volumen y mayor presión interna que la más grande. Saber que las gotas más pequeñas son mejores que las más grandes. Y habiendo observado lo rápido que pueden colapsar estas pequeñas gotas, ahora nos preguntamos cómo entregar gotas volumétricamente precisas a la entrada de un canal de tal manera que podamos hacer experimentos biológicos.

Usando el kit de inicio de micro dispensación de Lee Company, junte una o más válvulas, cada una de las cuales consta de la válvula vol, una boquilla con un tamaño de orificio de 0.0100 pulgadas y un adaptador de tubo blando. Así que aquí tenemos la válvula conectada a la caja de control a través de los conectores de la válvula de tubo, lo que hicimos en el paso anterior. Y luego tenemos una fuente de voltaje de pico, que es esta raíz de aquí.

Y luego tenemos nuestra fuente de voltaje de control, seguida de la fuente de voltaje de retención. Y finalmente, en conexión a tierra Para mantener las válvulas en su lugar mientras apunta a la entrada. Utilice herramientas de biociencias, soportes en miniatura.

Estos proporcionan una forma de apuntar y mantener con precisión la válvula en una posición determinada. Durante la experimentación, usando jeringas de tres cuartos de onza, haga un sistema de depósito que se colocará a unos pies por encima del dispositivo PDMS. El depósito proporciona una cabeza de presión para impulsar las boquillas.

Coloque una aguja de jeringa en la jeringa. Ahora conecte la aguja de la jeringa al tubo interior de 1,14 milímetros y luego conéctelo al tubo de 1,58 milímetros de diámetro interior. Uso de PDMS como sellador.

Ahora conecte el tubo de 1,58 milímetros de diámetro interior al adaptador de tubo blando de la válvula. Ahora que hay una línea entre la aguja de la jeringa y la válvula, llene los depósitos de la jeringa con líquido para purgar las válvulas y permitir que el tubo se llene de agua. Coloque un imán a un lado de la válvula y observe cómo el líquido comienza a fluir desde el depósito a través de la válvula y sale por la boquilla de 0.01 pulgadas.

Controlamos este sistema con una computadora usando la vista de laboratorio y la caja de control de pico y retención de Lee Company. Para calibrar el sistema, apunte una válvula a una placa de Petri o a un bote de suero para pesarlo. Ahora abra la válvula durante el tiempo que elija y pese el volumen total de agua que sale de la boquilla.

Divida este volumen por el tiempo total de apertura del sistema. Esta calibración permite al usuario encontrar el volumen de agua que sale de la boquilla durante un período de tiempo determinado. Una vez calibrado el sistema, apunte la boquilla a la entrada de un canal en función del disparo de calibración anterior de la boquilla, un volumen tal que se dispare una gota en la entrada del canal sin que sea demasiado grande para causar un desastre o demasiado pequeña para pasar desapercibida.

Recuerde eliminar las burbujas entre experimentos. Ahora que se comprenden los principios básicos del bombeo pasivo y se ha explicado la calibración del sistema, veamos qué debe ver un usuario para que las cosas vayan bien. El siguiente video es un flujo a través de un canal microfluídico que va desde volúmenes más altos a frecuencias más bajas hasta volúmenes bajos a frecuencias altas.

Esto debería dar al usuario una comprensión de las capacidades del bombeo anterior junto con un sistema de suministro de fluidos automatizado. Las dimensiones del dispositivo que se utilizan en los siguientes vídeos son 2,22 milímetros de ancho, 10 milímetros de largo y 260 micrómetros. La altura, los diámetros de entrada y salida son 1,78 milímetros y 5,11 milímetros, respectivamente.

Son necesarias dos o más válvulas para crear flujos alternos como se muestra. A continuación se muestra un video que muestra el caudal máximo posible del dispositivo actual que se está utilizando. En este caso, se utiliza una sola válvula para suministrar fluido.

Para mantener el equilibrio del sistema, es importante apuntar la válvula directamente desde la parte superior de la entrada. Fíjate en la cáscara que forma la gota en la entrada. Esto representa la presión constante mantenida mediante el suministro de agua a la entrada tan rápido como el dispositivo puede bombearla pasivamente.

Además, observe cómo la caída de entrada se desborda en algún punto. Lo más probable es que esto se deba a la perturbación de la caída de la salida. Al eliminar el desbordamiento en la entrada, el sistema recupera el equilibrio y el flujo continúa.

Normalmente, solo le hemos mostrado cómo configurar, calibrar y operar un sistema de bombeo pasivo utilizando micro boquillas disponibles en el mercado. Al realizar estos experimentos, siempre es importante recordar tener una fuente de presión constante para evitar que las burbujas ingresen a su canal, conocer las compensaciones entre la geometría del canal y el tamaño de la gota para lograr los flujos e intercambios deseados. Para no dejar que la caída de la salida sea demasiado grande, por ejemplo, hará un desastre o llegará a su entrada y para mantener sus dispositivos PDMS limpios y secos.

Así que eso es todo. Gracias por mirar y buena suerte con tus experimentos.