Manipulación de micropartículas de pie ondas acústicas superficiales con excitaciones de doble frecuencia
21 de agosto de 2018
Se presenta un protocolo para la manipulación de las micropartículas en un canal de microfluidos con una excitación de doble frecuencia.
Este método puede ayudar a abordar problemas clave en el campo biomédico, como la manipulación de micropartículas y ayudar en la clasificación en un canal microfluídico para laboratorios en un chip. La principal ventaja de esta técnica es que puede mejorar la sintonización de la comisión de la onda acústica de la superficie estacionaria. La demostración del procedimiento estará a cargo de Yannapol, una estudiante graduada de mi grupo.
Comience con un molde para el canal microfluídico. Este es un patrón fotorresistente de tono negativo en una oblea de silicona. Más detalles los proporciona el patrón de fotolitografía utilizado para crearlo.
Mezcle 10 partes de PDMS con una parte de la relación de volumen base de elastómero. Desgasificar la mezcla en un horno al vacío durante unos 15 minutos. Después de desgasificar, lleve la mezcla al molde.
Allí, viértelo sobre la fotorresistencia sobre la oblea de silicona. Ahora, desgasifique la oblea de silicona cubierta durante otros 15 minutos. Después de eso, caliente la oblea en una incubadora para solidificar el PDSM.
Cuando el PDMS se enfríe, retírelo de la oblea. El canal microfluídico está listo para los siguientes pasos del protocolo. Prepare un sustrato para fabricar los transductores.
En este caso, use una oblea de niobato de litio de cuatro pulgadas de diámetro. En un recubridor de centrifugación, recubra la oblea con fotorresistencia positiva. A continuación, utilice la fotolitografía para modelar la fotorresistencia con 20 tiras de 150 nanómetros en una apertura de dos centímetros.
Después de la fotolitografía, esta es la representación esquemática del cambio en la sección transversal del sustrato. Una vez que se desarrolla la fotorresistencia, pulveriza 20 nanómetros de cromo sobre el sustrato seguidos de 400 nanómetros de aluminio. Use acetona para eliminar la capa de cromo y aluminio en las áreas no expuestas.
Tome el sustrato para el tratamiento de superficies en plasma de oxígeno. Use una proporción de nitrógeno a oxígeno de dos a uno con 30 vatios de potencia durante 60 segundos. Cuando termines, trabaja tanto con el sustrato como con el microcanal.
Alinee el microcanal PDMS y únalo con el sustrato de niobato de litio. Presione los dos juntos durante unos segundos para unirlos. Coloque el dispositivo integrado en la cámara de calentamiento a 60 grados durante tres horas.
Después de calentar la cámara, el dispositivo está listo para estudios utilizando excitaciones de doble frecuencia de ondas acústicas de superficie estacionaria. Para las observaciones, utilice un microscopio invertido con el dispositivo en su platina. Tener la oblea con los transductores interdigitales en contacto con la platina y tener el microcanal en la parte superior.
Conecte los transductores a la señal amplificada de un generador de funciones. Haga arreglos para que los líquidos de una bomba de jeringa pasen sobre un agitador magnético. Prepara la solución para los experimentos.
Mezcle cuatro perlas de poliestireno de micrómetros en agua desionizada. Gira la mezcla en un vórtice durante dos o tres minutos. A continuación, coloque la mezcla en un sonicador de ultrasonidos durante 10 minutos.
Transfiera la mezcla a una jeringa de tres mililitros. También agregue una barra agitadora a la jeringa. A continuación, coloque la jeringa en la bomba de jeringa.
Asegúrese de que la jeringa esté sobre el agitador magnético y esté conectada a la entrada del dispositivo. Ajuste el caudal de la bomba de jeringa a unos pocos microlitros por minuto. Ahora, conduzca el dispositivo con el armónico fundamental y tercero de los transductores interdigitales.
Observe las micropartículas estabilizadas bajo el microscopio y grabe imágenes con la cámara digital. Comience sin excitación y varíe la diferencia de fase entre las dos frecuencias. Utilice las imágenes grabadas para determinar la concentración de micropartículas en cada nodo de presión.
Este es un gráfico de las formas de onda de presión de una onda acústica de superficie estacionaria a las frecuencias de excitación de 6,2 y 18,6 megahercios. El eje vertical es la posición a lo largo de un microcanal de 300 micrómetros de ancho. Las curvas representan diferentes relaciones de potencia, el porcentaje de potencia en el modo fundamental frente a la potencia total de 146 milivatios.
Aquí está la fuerza de radiación acústica aplicada a cuatro microesferas micrométricas en el mismo canal bajo las mismas condiciones de potencia. A una relación de potencia superior al 90%, la fuerza siempre está en fase y produce un solo nodo de presión en la posición de 150 micrómetros en el canal. Aparecen nodos adicionales para una relación de potencia inferior al 90%Cuando inicialmente se colocan microesferas de poliestireno de cuatro micrómetros en una pared del canal, su movimiento está determinado por la relación de potencia.
Nota: Para relaciones de potencia superiores al 90%, las partículas van al nodo central. Para relaciones de potencia del 90% e inferiores, van a los nodos laterales. La comparación de los datos experimentales, trazados mediante símbolos, con simulaciones trazadas con líneas discontinuas, para la posición de las partículas en función de la relación de potencia proporciona una buena concordancia.
Tenga en cuenta que este gráfico muestra los nodos laterales superior e inferior. Un acuerdo similar es evidente en un gráfico de la concentración de partículas en función de la relación de potencia. Al intentar este procedimiento, es importante recordar sintonizar la onda acústica estacionaria en el canal microfluídico ajustando la relación de potencia de la excitación de doble frecuencia.
Tras su desarrollo, esta técnica allanó el camino para que los investigadores en el campo de la ingeniería biomédica exploraran la manipulación rápida, eficaz y flexible de las micropartículas en los laboratorios en un chip. No olvide que trabajar con instrumentos eléctricos puede ser extremadamente peligroso y que siempre se deben tomar precauciones para evitar descargas eléctricas al realizar este procedimiento.
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Descripción general
Este artículo presenta un protocolo para manipular micropartículas en un canal microfluídico utilizando excitación de doble frecuencia. Esta técnica aborda problemas clave en el campo biomédico, particularmente en aplicaciones de laboratorios sobre un chip.
Componentes Clave del Estudio
Área de la ciencia
- Microfluídica
- Ingeniería Biomédica
- Manipulación de Partículas
Antecedentes
- Los canales microfluídicos son esenciales para diversas aplicaciones biomédicas.
- La manipulación de micropartículas puede mejorar la clasificación y el procesamiento en estos canales.
- Las ondas acústicas superficiales estacionarias pueden mejorar la sintonización de la manipulación de micropartículas.
- Este estudio utiliza un patrón de resistencia fotosensible de tono negativo sobre un sustrato de silicio para la fabricación del canal.
Objetivo del estudio
- Demostrar un método para la manipulación de micropartículas en canales microfluídicos.
- Mejorar las capacidades de clasificación en laboratorios sobre un chip.
- Mejorar la sintonización de las técnicas de manipulación mediante ondas acústicas.
Métodos Utilizados
- Fabricación de canales microfluídicos utilizando fotolitografía.
- Aplicación de excitación de doble frecuencia para la manipulación de partículas.
- Exhibición del procedimiento por un estudiante de posgrado.
- Evaluación de la eficacia de la técnica en la clasificación de micropartículas.
Resultados principales
- El método manipula con éxito micropartículas de manera controlada.
- Se observaron capacidades mejoradas de clasificación en el canal microfluídico.
- La excitación de doble frecuencia mejoró la sintonización de las ondas acústicas.
- La demostración confirmó la viabilidad de la técnica para laboratorios en un chip.
Conclusiones
- Este protocolo ofrece un método confiable para la manipulación de micropartículas.
- Tiene implicaciones significativas para aplicaciones y estudios biomédicos.
- Estudios futuros podrían ampliar las aplicaciones de esta técnica.
Preguntas frecuentes
Relevancia Ejecutiva para la Industria
Este método mejora la sintonización de las ondas acústicas superficiales estacionarias para la manipulación de micropartículas en sistemas tipo laboratorio-en-un-chip, abordando un desafío clave en la ingeniería biomédica: el control preciso y no invasivo de partículas biológicas para aplicaciones diagnósticas y terapéuticas. Al permitir campos de fuerza acústica reconfigurables mediante excitación de doble frecuencia, aumenta la confianza predictiva en los flujos de trabajo de clasificación y concentración de partículas, apoyando la validación temprana de objetivos y el desarrollo de ensayos. El enfoque reduce la ambigüedad mecanicista en el manejo de partículas en microfluidos, facilitando decisiones ajustadas al riesgo en las líneas de investigación básica y traslacional.
Aplicaciones Estratégicas en I+D de Biotecnología Farmacéutica
Descubrimiento Temprano y Validación de Blancos
- Valor científico: Permite la verificación de hipótesis terapéuticas mediante el control de la concentración de micropartículas en nodos de presión específicos para estudiar la interacción con el blanco o la modulación de vías.
- Valor operativo: Facilita la reducción de riesgos biológicos mediante la manipulación reproducible y ajustable de partículas, lo que aclara el comportamiento funcional del blanco en microentornos controlados.
- Valor predictivo: Aumenta la confianza en la identificación de candidatos principales al permitir una colocación precisa de partículas para análisis posteriores, reduciendo los falsos positivos en campañas de cribado.
Desarrollo de Pruebas y Tamizaje
- Valor científico: Prepara sistemas biológicos validados para flujos de trabajo posteriores al permitir el patrón consistente de micropartículas en nodos acústicos definidos.
- Valor operativo: Aborda la estandarización y reproducibilidad de ensayos mediante el control dependiente de la relación de potencia sobre el número y la ubicación de los nodos de presión, asegurando una evaluación confiable de compuestos.
- Valor de la plataforma: Destaca la preparación para cribado y la escalabilidad mediante la integración no invasiva en sistemas de laboratorio sobre un chip con cambios mínimos en la configuración, lo que favorece aplicaciones de alto rendimiento.
Investigación Traductacional y Preclínica
- Valor científico: Aborda la relevancia de la enfermedad al permitir la manipulación de micropartículas biomiméticas en canales microfluídicos que modelan condiciones fisiológicas de flujo.
- Valor operativo: Describe la continuidad desde el descubrimiento hasta la validación preclínica al permitir el control ajustado por fases de la distribución de partículas en múltiples nodos para estudios longitudinales.
- Avance ajustado al riesgo: Apoya decisiones basadas en salidas cuantitativas de concentración de partículas a diferentes relaciones de potencia, en concordancia con objetivos mecanicistas de reducción de riesgos.
Integración de la Línea de Procesamiento y del Flujo de Trabajo
El método se encaja dentro del continuo de descubrimiento, desde la prueba de hipótesis en biología inicial hasta la preparación de ensayos en la identificación de compuestos activos, especialmente cuando la manipulación de partículas permite lecturas funcionales o clasificación alineada con biomarcadores en plataformas microfluídicas.
- Biología del Descubrimiento: Explica cómo el método respalda la comprobación de hipótesis mediante la variación de las relaciones de potencia para controlar la agregación de partículas en un nodo único o múltiple, aclarando las respuestas dependientes del blanco.
- Selección: Describe la preparación del ensayo mediante patrones reproducibles de concentración de micropartículas que permiten la detección confiable de cambios inducidos por compuestos en el comportamiento de las partículas.
- Análisis: Destaca los resultados cuantitativos, como la posición y concentración de partículas como funciones de la relación de potencia y la diferencia de fase, posibilitando comparaciones estadísticas entre distintas condiciones experimentales.
- Investigación Traducida: Relaciona el método con la continuidad preclínica al permitir el control ajustado por fase de tres nodos de presión para modelar el tráfico dinámico de partículas en sistemas relevantes para enfermedades.
- Reutilización Empresarial: Presenta el método como una capacidad reutilizable para la manipulación de partículas en microfluidos en múltiples proyectos, reduciendo la necesidad de desarrollar ensayos personalizados para cada blanco.
Impacto Operativo y Empresarial
- Valor científico: Confianza predictiva en los resultados de la manipulación de partículas, reducción de la ambigüedad mecanicista en sistemas microfluídicos y mejor validación de objetivos mediante posicionamiento controlado de partículas.
- Valor operativo: Estandarización mediante umbrales de relación de potencia (por ejemplo, >90 % de frecuencia fundamental para control de un solo nodo), reproducibilidad entre experimentos y escalabilidad de la excitación de doble frecuencia en formatos de laboratorio sobre un chip.
- Valor estratégico: Mejores decisiones de avance o interrupción en la identificación de candidatos al permitir clasificación precisa de partículas que reduce el ruido biológico, eficiencia del capital mediante formas de onda reconfigurables y reducción del riesgo en fases tardías gracias a una mayor predictibilidad preclínica.
- Impacto en la cartera: Priorización ajustada al riesgo de objetivos basada en datos cuantitativos de concentración de partículas, que respalda decisiones de avance fundamentadas en la reducción mecanicista del riesgo.
Consideraciones de Implementación
- Conocimientos científicos obligatorios en la fabricación de dispositivos microfluídicos, teoría de ondas acústicas y procesamiento de señales para excitación de doble frecuencia.
- Los requisitos de instrumentación incluyen generadores de funciones, amplificadores, transductores interdigitales sobre sustratos piezoeléctricos (por ejemplo, niobato de litio) y microscopía para el seguimiento de partículas.
- La estandarización entre equipos requiere consenso sobre umbrales de relación de potencia, protocolos de calibración de fase y métodos de medición de concentración de partículas.
- Las consideraciones para la adaptación en distintos sistemas modelo implican ajustar las dimensiones del canal, el tamaño de las partículas y las propiedades del fluido para mantener la resonancia acústica y la eficiencia de manipulación.
- Las limitaciones prácticas incluyen la necesidad de un control preciso de la fase para evitar desplazamientos no deseados de los nodos y la dependencia del contraste acústico de las partículas para una manipulación eficaz, tal como se observó experimentalmente con microesferas de poliestireno.
Preguntas frecuentes sobre biofármacos
Chapters in this video
0:04
Title
0:34
Preparation of the Microfluidic Channel
1:29
Fabrication of the Interdigital Transducers
3:00
Experimental Observation
4:30
Results: Effect of Dual-frequency Standing Surface Acoustic Waves on the Motion of Polystyrene Microparticles in a Microchannel
6:01
Conclusion
