Una de microfluidos basada en hidrodinámica trampa para las partículas individuales

El objetivo general de este método es confinar y manipular partículas individuales a micro y nanoescala utilizando flujo laminar en un dispositivo microfluídico. La trampa hidrodinámica consiste en un dispositivo microfluídico con una geometría de canal de ranura cruzada, que da lugar a un flujo de punto de estancamiento en la unión del microcanal. Una válvula en chip ubicada en uno de los canales de salida se utiliza para controlar activamente el flujo de fluido y atrapar partículas.

Las partículas se confinan en un punto de ajuste definido por el usuario mediante el control activo de la posición del punto de estancamiento. Se utiliza un controlador de retroalimentación para rastrear la posición de las partículas y regular la válvula en el chip para mantener la posición de las partículas en el punto de ajuste. Usando la trampa hidrodinámica, las partículas individuales quedan atrapadas en soluciones de partículas diluidas o concentradas y pueden ser visualizadas usando fluorescencia o microscopía de campo claro.

Una sola partícula puede estar confinada a menos de una micra del centro de la trampa, como se muestra en la trayectoria de la partícula y el histograma del desplazamiento de la partícula desde el centro de la trampa. Hola, soy Eric Johnson Rio, del Laboratorio del Profesor Charles Schroer en el Departamento de Ingeniería Química y Biomolecular, y del Centro de Biofísica y Biología Computacional de la Universidad de Illinois. Hola, mi nombre es Ari, investigadora postdoctoral en el Schroeder Lab.

Hola, soy Cheryl Schroeder, y hoy vamos a mostrarte cómo fabricar e implementar un dispositivo microfluídico para el atrapamiento hidrodinámico de partículas individuales. La principal ventaja de esta técnica sobre los métodos existentes, como las trampas ópticas o electrocinéticas, es que el atrapamiento hidrodinámico se logra por la sola acción del flujo de fluido, eliminando así los cuatro campos potencialmente proactivos para el atrapamiento de nanopartículas o células. Esta técnica tiene el potencial de transformar la ciencia fundamental y aplicada al permitir la captura en solución libre de partículas a micro y nanoescala sin requisitos sobre las propiedades químicas o físicas de la partícula atrapada.

Así que comencemos. Con el fin de facilitar el despegado de las réplicas de los ocho moldes de la SU, se debe colocar la superficie de los ocho moldes de la SU colocando las obleas en un desecado al vacío durante 10 minutos con un plato de vidrio que contenga unas gotas de tricloro selina utilizando PDMS mezclado y DGA para las capas de fluidos y de control. Gire la capa de la mezcla de PDMS 15 a uno sobre el molde de capa fluida durante 30 segundos a 750 RPM y luego coloque la oblea en una placa de Petri.

Del mismo modo, coloque el molde de la capa de control en una placa de Petri y vierta una mezcla de PDMS de cinco a uno en el molde hasta un grosor de cuatro milímetros. Para curar parcialmente las capas de PDMS, hornee las obleas y corte los PDM durante 30 minutos a 70 grados centígrados y deje que se enfríen a temperatura ambiente. Corta la réplica de PDMS con el bisturí y despégala del molde SU eight.

Luego, con la aguja de calibre 21, perfore un orificio en el PDMS como puerto de acceso al microcanal que actuará como válvula de membrana en el chip. Coloque la réplica de PDMS con una capa de control en la oblea con la capa fluida de PDMS recubierta de espín. Alinee y selle cuidadosamente la capa de control a la capa fluídica utilizando un microscopio estereoscópico.

Asegúrese de eliminar todas las bolsas de aire entre las capas y hornee a 70 grados centígrados durante la noche para curar completamente ambas capas en una losa monolítica de PDMS con dos capas después de enfriar a temperatura ambiente, use un bisturí para cortar y despegar la réplica de PDMS del molde SU eight y use una cuchilla de afeitar para eliminar el exceso de PDMS y separar cada unidad de dispositivo. Ahora los puertos de acceso del punzón completo a los microcanales en la capa fluídica con una aguja de calibre 21. Limpie un cubreobjetos con acetona IPA y seque con nitrógeno.

Trate tanto el cubreobjetos como las superficies de la réplica del PDMS con plasma de oxígeno a menos de 500 militorr durante 30 segundos. Y luego ponga inmediatamente las dos superficies en contacto para formar un sello irreversible. Finalmente, hornee los dispositivos durante la noche para aumentar la unión entre las capas de PDMS y el cubreobjetos.

Primero, coloque el dispositivo microfluídico en la platina de un microscopio invertido y asegúrelo con clips de platina. A continuación, para administrar las soluciones al dispositivo microfluídico, llene una jeringa hermética de un mililitro y una jeringa apretada de 250 microlitros con soluciones tampón y de muestra, respectivamente. Utilice una válvula T entre la jeringa de muestra y el puerto de muestra del dispositivo microfluídico para controlar la administración de muestras.

Ahora establezca las conexiones fluídicas entre las jeringas y el dispositivo microfluídico, utilizando tubos de oxifluoración, adaptadores de bloqueo de señuelo y tubos metálicos de calibre 24. A continuación, establezca las conexiones fluídicas para los canales de salida en el dispositivo microfluídico con tubería de PFA y tubería metálica de calibre 24. Para mantener una caída de presión constante entre las jeringas y los canales de salida, el tubo de PFA para las salidas debe tener la misma longitud y ambos deben estar sumergidos en un tubo de centrífuga de 1,5 mililitros lleno de solución tampón.

Llene la válvula en el chip con aceite portador fluorado con una jeringa de plástico con cierre de señuelo de tres mililitros para evitar que el aire se filtre a la capa fluídica durante el funcionamiento. Empuje el aire en la cámara de la válvula a través de la membrana PDMS hacia el microcanal. En la capa fluídica.

Para el funcionamiento de la válvula en el chip. Conecte un suministro de gas inerte presurizado al puerto en la capa de control. Enjuague las conexiones fluídicas y el dispositivo microfluídico con 0,5 mililitros de solución tampón para asegurarse de que se eliminen todas las burbujas de aire del sistema, incluidos los canales de salida.

Los caudales típicos utilizados para limpiar burbujas oscilan entre 2000 y 5.000 microlitros por hora después de que las burbujas de aire se enjuagan de los canales microfluídicos, reduzca el caudal a 50 a 100 microlitros por hora, que es un caudal volumétrico típico para la captura de partículas. Ahora cambie la válvula T para permitir que la muestra fluya hacia el dispositivo microfluídico. Ejecute el código de vista de laboratorio personalizado que automatiza la captura de partículas mediante la implementación de un algoritmo de control de retroalimentación lineal.

El código captura imágenes de una cámara CCD y transmite un potencial eléctrico a un regulador de presión que modula activamente la posición de una válvula neumática en chip. Utilizando la platina de traslación XY del microscopio, coloque la región de reventado en el centro de la vista de la cámara. Coloque la región de captura en el enfoque de la lente del objetivo y ajuste la configuración de la cámara para optimizar las condiciones de imagen.

Elija una región rectangular de interés dentro del campo de visión de la cámara, de modo que el centro del ROI sea la posición del centro de la trampa. Ahora inicialice la presión de compensación aplicada a la válvula en chip. Una constricción de 100 a 200 micras de ancho ubicada en el canal de salida opuesto.

Proporciona una presión de compensación para el funcionamiento de la válvula en chip. Inicie el controlador de retroalimentación y ajuste la ganancia proporcional para optimizar la respuesta de la trampa. Dependiendo del caudal y de la posición de la válvula en el chip, existe un valor de ganancia proporcional óptimo, que aumenta la estabilidad de la trampa y elimina las oscilaciones de partículas no deseadas.

El código de vista de laboratorio atrapará automáticamente una de las partículas que ingresen a la región de captura. En este video, el movimiento de las partículas en la dirección del flujo de entrada surge porque el flujo de entrada de la muestra se deja abierto para maximizar la estanqueidad de la trampa del confinamiento en la dirección del flujo de entrada. El usuario puede cerrar el flujo de muestra durante el atrapamiento, que equilibra el flujo de manera uniforme en la unión del canal cruzado, monitorear la partícula atrapada y mantener el enfoque de la partícula dentro del plano de la imagen utilizando el enfoque manual o una configuración de microscopio de enfoque automatizada.

El dispositivo microfluídico integrado consta de un foco de muestra, una unión de ranura cruzada y una válvula neumática que se atrapa en la unión de ranura cruzada y la posición de la partícula se controla mediante el ajuste activo del campo de flujo en la unión de microcanales a través de la válvula neumática. Aquí, una imagen de una sola cuenta está confinada en la trampa hidrodinámica. Además de en el centro de la trampa, se muestran varias cuentas no atrapadas en la región de captura en el cruce del lote transversal.

Se mapea la trayectoria de una cuenta de poliestireno fluorescente de 2,2 micras atrapada. Inicialmente, la partícula queda atrapada durante tres minutos. Luego se libera de la trampa y escapa a lo largo de uno de los canales de salida.

Un histograma del desplazamiento de una gota atrapada desde el centro de la trampa a lo largo de la dirección de los canales de salida indica que la partícula está confinada a una micra del centro de la trampa. Hoy, presentamos la trampa EM como un método para el atrapamiento en solución libre de partículas a micro y nanoescala utilizando un flujo de punto de ación generado dentro de un dispositivo microfluídico. El atrapamiento hidrodinámico permite el confinamiento de una sola partícula objetivo en suspensiones de partículas concentradas, lo que es difícil de utilizar métodos alternativos de atrapamiento basados en campos de fuerza.

Después de un mayor desarrollo, esta nueva técnica permitirá la exploración científica en los campos de la biofísica, la mecánica celular, la dinámica de fluidos, la enzimología y la biología de sistemas. Gracias por mirar y esperamos que esta técnica sea útil para tus experimentos.