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

El bombeo pasivo requiere una gota grande colocada en la salida y una gota pequeña colocada en la entrada. Esto generará la diferencia de presión necesaria para impulsar el flujo. Gotas alternadas de diferentes fluidos harán que los paquetes sean transportados por el canal y finalmente recolectados en la salida.

Se pueden lograr altas tasas de flujo al entregar gotas de bajo volumen a una frecuencia suficientemente alta para alcanzar una capa estable de fluido en la entrada. Hola, soy Pedro Reto del laboratorio de Justin Williams en el Departamento de Ingeniería Biomédica de la Facultad de Medicina de la Universidad de Wisconsin. Y yo soy Brian Mogan, también del laboratorio de Williams.

Y soy Aaron Burier del Laboratorio del Profesor S, también en el departamento de ingeniería biomédica en W Medicine. Hoy les mostraremos un procedimiento para realizar bombeo pasivo en dispositivos microfluídicos. En nuestro laboratorio, utilizamos este procedimiento para estudiar el flujo dentro de microcanales y para analizar el intercambio fluidico dentro del canal en aplicaciones biológicas.

Así que comencemos. Primero, utilizando la técnica de litografía suave, cree un dispositivo microfluídico usando polimetil suboxona. A continuación, corte el dispositivo y luego invierta el proceso.

Coloque el dispositivo de PDMS sobre una placa de vidrio presionándolo contra la placa y expulsando cualquier burbuja de aire. Una unión reversible permite que el dispositivo se reutilice varias veces. Ahora llene el dispositivo con líquido.

Utilizamos agua con colorante alimentario. Si el líquido no entra por sí solo en el canal, 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 gota pequeña en la entrada y una gota más grande en la salida.

Asegúrese de que el fluido se esté moviendo observando cómo la pequeña gota en la entrada colapsa mientras la gota de salida aumenta de tamaño. Antes de continuar, expliquemos las relaciones básicas del bombeo pasivo. La dinámica de las gotas bombeadas depende de varios factores: las dimensiones del canal, su altura y longitud, así como del tamaño de la gota colocada en la entrada.

Para darle una idea más clara de cómo estos factores afectan el flujo, presentaremos algunos ejemplos. Comencemos con dos canales similares: tienen el mismo ancho y altura, pero uno es más largo que el otro.

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

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

Esto se debe a que el canal más delgado posee una resistencia fluidica mayor 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 gota de entrada más grande tarda más en colapsarse que la gota de entrada más pequeña.

Esto se debe a que una gota más pequeña tiene menos volumen y una presión interna mayor que la más grande. Sabiendo que las gotas más pequeñas son mejores que las más grandes, y habiendo observado qué tan rápido pueden colapsar estas gotas pequeñas, ahora nos preguntamos cómo entregar gotas con precisión volumétrica a la entrada de un canal de manera que podamos realizar experimentos biológicos.

Utilizando el kit inicial de microdosificación de Lee Company, arme una o más válvulas, cada una compuesta por la válvula vol, una boquilla con un orificio de 0,0100 pulgadas y un adaptador de tubo flexible. Aquí tenemos la válvula conectada a la caja de control mediante los conectores de tubo para válvula, tal como hicimos en el paso anterior. Luego, contamos con una fuente de voltaje de impulso, que es esta raíz aquí.

Luego tenemos nuestra fuente de voltaje de control, seguida por la fuente de voltaje de retención. Y finalmente, conectada a tierra, para mantener las válvulas en su lugar mientras se apunta hacia la entrada. Utilice herramientas de biociencia, soportes miniatura.

Estos proporcionan un método para apuntar y mantener con precisión la válvula en una posición determinada. Durante el experimento, utilizando jeringas de tres cuartos de onza, cree un sistema de reservorio que se colocará a unos pocos pies por encima del dispositivo de PDMS. El reservorio proporciona una carga de presión para impulsar las boquillas.

Coloque una aguja de jeringa en la jeringa. A continuación, conecte la aguja de la jeringa al tubo de diámetro interno de 1.14 milímetros y luego conecte este al tubo de diámetro interno de 1.58 milímetros. Utilice PDMS como sellador.

Ahora conecte el tubo de 1,58 milímetros de diámetro interno al adaptador de tubo flexible de la válvula. Ahora que existe una conexión 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 al lado de la válvula y observe cómo comienza a fluir el líquido desde el depósito a través de la válvula y hacia fuera por la boquilla de 0,01 pulgadas.

Controlamos este sistema con una computadora utilizando LabVIEW y la caja de control de impulso y retención de Lee Company. Para calibrar el sistema, dirija una válvula hacia una placa de Petri o un recipiente para suero destinado a pesar. Abra ahora la válvula durante el tiempo que desee y pese el volumen total de agua que sale por la boquilla.

Divida este volumen por el tiempo total de apertura del sistema. Esta calibración permite al usuario determinar el volumen de agua que sale disparado por la boquilla durante cualquier período de tiempo determinado. Tras calibrar el sistema, dirija la boquilla hacia la entrada de un canal según la calibración previa, y emita desde la boquilla un volumen tal que una gota sea expulsada hacia la entrada del canal sin ser demasiado grande como para causar desorden ni demasiado pequeña como 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 debería observar un usuario si todo marcha correctamente. El siguiente video muestra un flujo a través de un canal microfluídico que pasa de volúmenes mayores a frecuencias más bajas a volúmenes menores a frecuencias más altas.

Esto debería dar al usuario una comprensión de las capacidades del bombeo previo junto con un sistema automatizado de entrega de fluidos. Las dimensiones del dispositivo utilizadas en los siguientes videos son 2,22 milímetros de ancho, 10 milímetros de largo y 260 micrómetros de alto. Los diámetros de la entrada y la salida son 1,78 milímetros y 5,11 milímetros, respectivamente.

Se necesitan dos o más válvulas para crear flujos alternos como se muestra arriba. A continuación hay un video que muestra la tasa máxima de flujo posible del dispositivo actual en uso. En este caso, se utiliza una sola válvula para entregar el fluido.

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

Además, observe cómo la gota de entrada se desborda en un momento determinado. Esto probablemente sea causado por una perturbación en la gota de salida. Al eliminar el desbordamiento en la entrada, el sistema recupera el equilibrio y el flujo continúa.

Normalmente, simplemente le hemos mostrado cómo configurar, calibrar y operar un sistema de bombeo pasivo utilizando microboquillas disponibles comercialmente. Al realizar estos experimentos, siempre es importante recordar utilizar una fuente de presión estable para evitar que entren burbujas en su canal, conocer las compensaciones entre la geometría del canal y el tamaño de la gota con el fin de lograr los flujos e intercambios deseados, no permitir que la gota del extremo de salida crezca demasiado, ya que podría causar desorden o alcanzar su entrada, y mantener sus dispositivos de PDMS limpios y secos.

Así que eso es todo. Gracias por ver este video y buena suerte en sus experimentos.