De alta velocidad basada en las gotas de entrega del sistema de bombeo pasiva en dispositivos de microfluidos
September 2nd, 2009
Un sistema de microfluidos novela ha sido desarrollado utilizando el fenómeno de bombeo y un pasivo controlado por el usuario de sistemas de fluidos de entrega. Este sistema de microfluidos tiene el potencial para ser utilizado en una amplia variedad de aplicaciones biológicas debido a su bajo costo facilidad de uso, precisión volumétrica, de alta velocidad, repetibilidad y la automatización.
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.
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Visión general
Se ha desarrollado un novedoso sistema microfluídico que utiliza bombeo pasivo y un sistema de suministro de fluidos controlado por el usuario. Este sistema está diseñado para diversas aplicaciones biológicas debido a su bajo costo, facilidad de uso y alta precisión.
Componentes clave del estudio
Área de la ciencia
- Microfluidos
- Ingeniería biomédica
- Dinámica de fluidos
Antecedentes
- El bombeo pasivo implica crear una diferencia de presión utilizando gotas.
- Las gotas de fluido alternadas pueden crear paquetes de flujo en microcanales.
- Se pueden lograr altos caudales con gotas de bajo volumen.
- Esta tecnología puede mejorar la experimentación y el análisis biológico.
Propósito del estudio
- Desarrollar un sistema microfluídico rentable.
- Mejorar la precisión de suministro de fluidos en aplicaciones biológicas.
- Automatizar procesos para una mejor repetibilidad y velocidad.
Métodos utilizados
- Diseño de un sistema microfluídico que utiliza bombeo pasivo.
- Implementación de un mecanismo de suministro de fluidos controlado por el usuario.
- Prueba de caudales con tamaños de gotas variables.
- Evaluación del rendimiento del sistema en contextos biológicos.
Resultados principales
- El sistema demostró una alta precisión volumétrica.
- Los caudales mejoraron significativamente con el nuevo diseño.
- La automatización condujo a una mayor repetibilidad en los experimentos.
- El sistema es adaptable para varias aplicaciones biológicas.
Conclusiones
- El sistema microfluídico desarrollado ofrece una herramienta prometedora para los investigadores.
- Su bajo costo y facilidad de uso lo hacen accesible para varios laboratorios.
- Las futuras aplicaciones podrían expandirse a múltiples áreas de investigación biológica.
Preguntas frecuentes
Executive Industry Relevance
This droplet-based microfluidic system enables precise, high-frequency fluid delivery for biological applications by combining passive pumping with automated droplet generation. It supports reproducible reagent dosing and dynamic fluid exchange in microchannels, addressing key challenges in assay development and target validation workflows. The technology enhances predictive confidence in early discovery by providing controllable fluid dynamics for drug-cell interaction studies and mechanistic screening.
Strategic Applications in Biopharma R&D
Early Discovery & Target Validation
- Scientific Value: Enables interrogation of therapeutic hypotheses through controlled fluid exchange and droplet-mediated mixing at microfluidic inlets.
- Operational Value: Provides volumetrically precise droplet delivery via voltage-controlled valves, supporting reproducible compound dosing in microfluidic assays.
- Predictive Value: Facilitates dynamic fluid exchange in channels as fast as eight milliseconds, allowing rapid perturbation and readout in target engagement studies.
Screening & Assay Development
- Scientific Value: Supports preparation of stable fluid shells at channel inlets through high-frequency droplet delivery, enabling consistent baseline conditions for screening.
- Operational Value: Achieves flow rates up to 4 mL/min in 2.2mm x 260µm channels, enabling high-throughput fluid exchange and reagent replenishment in microfluidic formats.
- Scalability: Uses commercially available micro-nozzles and control systems, allowing platform reuse across multiple microfluidic device designs.
Translational & Preclinical Research
- Translational Continuity: Enables drug-cell studies by controlling flow characteristics and momentum-driven mixing at microfluidic inlets, relevant to pharmacokinetic and pharmacodynamic modeling.
- Mechanistic De-risking: Allows study of interplay between droplet momentum and surface tension, providing insight into fluidic behavior that affects reagent delivery and cellular response.
- Predictive Confidence: Offers a disease-relevant system for studying fluid-mediated biological processes under controlled hydrodynamic conditions.
Pipeline & Workflow Integration
The system integrates into early discovery workflows by enabling precise fluid manipulation for target validation and assay readiness, bridging droplet-based delivery with passive pumping for continuous microfluidic operation.
- Discovery Biology: Supports hypothesis testing via controlled droplet delivery and fluid exchange, allowing researchers to probe target dynamics under defined flow conditions.
- Screening: Enables assay readiness through stable fluid shell formation at inlets via high-frequency droplet delivery, improving reproducibility in compound screening.
- Analytics: Provides quantitative fluid exchange measurements (e.g., 8 ms exchange time) that help teams compare conditions and assess kinetic responses in microfluidic formats.
- Translational Research: Connects to preclinical continuity by enabling drug-cell studies under controlled flow, relevant to modeling in vivo-like fluid dynamics.
- Enterprise Reuse: Leverages a reusable microfluidic device with reversible PDMS-glass attachment, supporting repeated use across multiple experiments and teams.
Operational & Enterprise Impact
- Scientific Value: Reduces mechanistic ambiguity in fluid-driven biological responses by enabling precise control over droplet momentum and surface tension equilibration.
- Operational Value: Ensures standardization and reproducibility through calibrated, voltage-controlled droplet delivery and reversible device attachment.
- Strategic Value: Improves go/no-go decisions by providing reliable fluid exchange kinetics and mixing capabilities for early-stage biological assessment.
- Portfolio Impact: Supports risk-adjusted prioritization through quantifiable fluid dynamics outputs that inform assay design and target validation confidence.
Implementation Considerations
- Requires expertise in microfluidic device fabrication, passive pumping principles, and voltage-controlled fluid delivery systems.
- Needs instrumentation including micro-dispensing valves, control boxes (spike/hold), pressure reservoirs, and microscopy for flow observation.
- Demands cross-team standardization of droplet volume calibration, nozzle positioning, and reservoir setup to ensure consistent performance.
- Involves adaptation considerations for different channel geometries, fluid viscosities, and droplet angles to avoid inlet overflow or unstable flow shells.
- Includes practical limitations such as bubble formation risk if pressure head is unstable, and the need to manage outlet drop size to prevent backflow or inlet perturbation.
