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Article de méthode

Gravité réduite manifestations Environnement matérielles d'un cytomètre de flux et Compagnon microfluidique technologie de mélange prototype miniaturisé

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DOI :

10.3791/51743

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13 novembre 2014

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1DNA Medicine Institute, 2Harvard Medical School, 3NASA Glenn Research Center, 4ZIN Technologies

* These authors contributed equally

Dans cet article

Résumé

Vol spatial diagnostics sanguins doivent innovation. Peu de manifestations ont été publiés illustrant en vol, technologie de diagnostic santé gravité réduite. Nous présentons ici une méthode pour la construction et l'exploitation d'une plate-forme d'essais en vol parabolique pour un prototype de point de soins cytométrie de flux, avec des composants et des stratégies de préparation adaptables à d'autres configurations.

Résumé

Jusqu'à récemment, des échantillons sanguins ont été prélevés astronautes en vol, transportés à terre de la navette spatiale, et analysés dans les laboratoires terrestres. Si l'homme est de se rendre au-delà de l'orbite terrestre basse, une transition vers prêt-espace, le point-of-care testing (POC) est nécessaire. Ces tests doit être globale, facile à réaliser dans un environnement à gravité réduite, et non affecté par les contraintes du lancement et les vols spatiaux. Dispositifs d'innombrables POC ont été développées pour imiter leurs homologues de l'échelle du laboratoire, mais la plupart des applications étroites et peu ont recours démontrable dans un environnement en vol à gravité réduite. En fait, des démonstrations de diagnostics biomédicaux en gravité réduite sont limitées tout, faire le choix des composants et certains problèmes logistiques difficiles à approcher quand on cherche à tester une nouvelle technologie. Pour aider à combler le vide, nous présentons une méthode modulaire pour la construction et l'exploitation d'un dispositif de diagnostic sanguin de prototype et son associé parabolic essais en vol plate-forme qui répondent aux normes pour les essais en vol à bord d'un vol parabolique, avion gravité réduite. La méthode se concentre d'abord sur l'assemblage de plate-forme pour, les essais en vol à gravité réduite d'un cytomètre de flux et une puce microfluidique de mélange de compagnon. Les composants sont adaptables à d'autres conceptions et des composants personnalisés, comme un échantillon de micro-volume et le micro-chargeur peuvent être d'un intérêt particulier. La méthode puis tourne maintenant son attention à la préparation du vol, en offrant des lignes directrices et des suggestions pour préparer un test en vol avec succès en ce qui concerne la formation des utilisateurs, le développement d'une procédure d'exploitation standard (SOP), et d'autres questions. Enfin, des expériences en vol spécifiques à nos manifestations sont décrites.

Introduction

L'insuffisance des diagnostics actuels de santé prêt à l'espace présente un facteur limitant de plus profond exploration spatiale habitée. Diagnostics doivent être complets, facile à utiliser en gravité réduite, et relativement peu affectée par les contraintes du lancement et les vols spatiaux (par exemple, les forces G élevées, vibrations, rayonnements, les changements de température et de pression de la cabine changements). L'évolution des tests au point de soins (POCT) peuvent se traduire par des solutions de vol spatial efficaces grâce à l'utilisation de petits échantillons de patients (par exemple, une piqûre au doigt), fluidique et plus simple (c.-à-microfluidique), et de réduire les besoins d'énergie électrique, entre autres avantages. La cytométrie en flux est une approche intéressante pour POC dans l'espace en raison de la large utilité de la technologie, y compris vers le comptage des cellules et quantification des biomarqueurs, ainsi que le potentiel de miniaturisation importante. Précédent cytomètres pertinente de l'espace comprennent le 'emballage effic nucléaireiency »(NPE) instrument utilisé fluorescence simultanée lampe à arc induite et du volume électronique (Coulter volume) mesure 1-4, un relativement petit cytomètre en flux représentant la« première génération de flux en temps réel les données de cytométrie en zéro gravité »5, un «microflow introducteur cytomètre 'capable de 4 et 5 parties de globules blancs (WBC) différentiel utilisant prétraité 5 pl des échantillons de sang total 6-9, et une« fibre optique à base de «cytomètre de flux récemment testé à bord de l'Internationale Station spatiale 10.

Technologie de diagnostic d'évaluation pour les applications spatiales potentielles est généralement effectuée à bord des avions à gravité réduite qui utilisent une trajectoire de vol environ parabolique pour simuler un niveau d'apesanteur (par exemple, zéro-gravité, martien-gravité) 11 choisi. L'évaluation est difficile en raison des possibilités de vol sont limités, repetfenêtres itive courts de microgravité, il peut être difficile d'évaluer des méthodes ou des procédés qui exigent habituellement des périodes ininterrompues de plus de 20-40 secondes, et les démonstrations peuvent nécessiter du matériel supplémentaire pas facilement utilisé en vol 12-15. En outre, les précédentes manifestations de (IVD) technologies de diagnostic in vitro utilisés dans, ou conçus pour, gravité réduite sont limitées et beaucoup de travail reste inédit. En plus des cytomètres de flux ci-dessus, d'autres IVD-technologies pertinent spatiales décrites dans la littérature comprennent ensemble un dispositif de coloration de sang pour des applications d'immunophénotypage 16, une base de l'appareil automatisé cytomètre 12, un analyseur clinique de poche pour potentiométrie intégré, l'ampérométrie, et conductimétrie 12,17, un dispositif microfluidique 'T-capteur "pour la quantification analyte qui repose sur un mélange à base de diffusion-18 et de la séparation, et une rotation sur un laboratoire' CD 'une plateforme de diagnostic9,20. Les nouveaux arrivants à l'expérimentation gravité réduite peuvent également regarder des démonstrations de vols paraboliques non liés au diagnostic in vitro en tentant de faire de l'évaluation de l'appareil possible (ou de déterminer ce qui est possible). Démonstrations de l'autre une expérience médicale ou biologique précédente avec la préparation du vol, les stratégies en vol, et l'équipement d'essai de vol bien documenté sont inclus dans le tableau 1 15, 21-35. Ceux-ci peuvent être informatif raison de l'inclusion des tâches manuelles en vol, l'utilisation de l'équipement spécialisé et le confinement expérimental.

Catégorie Exemples
Soins médicaux d'urgence L'intubation trachéale (laryngoscope-guidée, sur manikà) 21, en ​​réanimation cardiorespiratoire (porcs anesthésiés) 22
Les soins chirurgicaux La chirurgie laparoscopique (vidéo simulée 23, sur des porcs anesthésiés 24,25)
L'imagerie médicale ou l'évaluation de la physiologie Ultrasons avec chambre inférieure du corps de pression négative 26, Doppler débitmètre (tête montée) 27, moniteur de la pression veineuse centrale 28
Matériel biologique spécialisée Lecteur de microplaque (en vol et la boîte à gants) 29, système de contrôle de température pour les expériences du cycle cellulaire (30, microscope à fond clair, contraste de phase et fluorescence multi-canaux capable) 15, capillaireappareil d'électrophorèse couplé à un microscope vidéo 31
Autre récolte des plantes avec une pince 32, contenue rats 33,34 et 35 poissons pour l'observation

Tableau 1. Exemples de vols paraboliques de démonstration avec bien décrit Méthodes / Essais

Pour développer sur des exemples précédents et de fournir un meilleur aperçu des démonstrations en vol avec succès, nous présentons une procédure modulaire et adaptable pour la construction et l'exploitation d'un prototype cytomètre de flux avec la technologie microfluidique connexe de mélange dans le cadre d'une plate-forme d'essais en vol parabolique. La plate-forme permet des démonstrations de chargement de l'échantillon, le mélange microfluidique, et la détection de particules fluorescentes, et a été testé à bord de 2010 NASA facilité l'accès à l'environnement spatial (FAST) de flig paraboliquehts, effectuées du 29 Septembre au 1 Octobre 2010. Ces manifestations tirer dès le début, un milieu et une fin, respectivement, d'un flux de travail de l'appareil potentiel dans lequel les échantillons de sang bout du doigt taille sont chargés, dilués ou mélangés avec des réactifs, et analysé via optique la détection. Mise à l'échelle d'un cytomètre de flux dans une unité compacte nécessite innovation et la sélection de partie prudent. Personnalisé et composants hors-the-shelf sont utilisés ici, choisi comme le meilleur début approximations de choix définitifs de composants, et peuvent être adaptées aux conceptions des autres innovateurs. Suite à un contour de choix de composants de prototype, la configuration est décrite sur une structure de support servant de squelette de l'assemblage de forage. des prototypes de composants sont affectés lieux, sécurisés, et accompagnés par des composants supplémentaires nécessaires pour l'expérimentation réussie. L'attention se porte alors à des procédures plus abstraites impliquant procédure d'exploitation standard (SOP) le développement, la formation et d'autres moyens logistiques. Enfin, les procédures spécifiques de démonstration sontdécrite. Les stratégies décrites ici et le choix des composantes de soutien de plate-forme (par exemple, un microscope, boîte en acrylique, etc.), bien que mis en œuvre ici pour prototype spécifique, d'aborder des questions générales et les défis pertinents à l'essai d'un équipement de diagnostic de sang dans un environnement à gravité réduite .

Dans les vols de 2010, deux lunaire gravité (atteindre environ 1/6 gravité terrestre) et deux vols micro-gravité ont été prévue dans 4 jours, mais finalement ils ont été reportées sur 3 jours. Des démonstrations ont été effectuées à bord d'un opérateur privé, à fuselage étroit avion de ligne modifié 36. Chaque vol, à condition 30-40 paraboles, chacune produisant environ 20 sec de haute gravitation (environ 1,8 g), puis 20-25 sec de conditions de gravité réduite. Après la moitié des paraboles ont été exécutés, le plan en pause pour une période d'environ 5-10 min en vol de niveau pour permettre à l'avion de faire demi-tour et de retourner vers le site d'atterrissage en PErforming le reste des paraboles.

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Protocole

Les échantillons de sang humain utilisée dans ce protocole ont été recueillies avec approbation de l'IRB en utilisant des protocoles minimalement invasives (voir Remerciements).

1. Rig Assemblée

  1. Assembler les éléments de prototypes (fluidique, optique, électronique d'acquisition de contrôle / données) pour un simple système de cytométrie en flux pour être utilisé dans des conditions de gravité réduite
    1. Préparer un système de pression avec un minimum de poids et de puissance doit conduire fluidique du système
      1. Raccorder une pompe à air miniaturisé à un capteur de pression différentielle.
      2. Pour maintenir une pression constante de conduite, contrôler la sortie de la pompe à l'aide d'impulsions à modulation de largeur et un cycle de service réglable grâce à un régulateur proportionnel-intégral-dérivé dans le logiciel de contrôle personnalisé (étape 1.1.7).
    2. Assembler un conteneur de source de fluide qui peut être chargé sans emprisonner de l'air (voir étape 3.4)
      1. Monter un flacon en plastique rigide (figure 1A) avec un diaphra de latexg, fermement capuchon peut être fixé, et les tubes d'admission d'air à la base du flacon (scellé connexion en utilisant un adhésif optique).
      2. Assurez-vous que la pompe met sous pression le flacon sans air ou fuite de liquide, la compression de la membrane pour entraîner l'écoulement de fluide hors de la tubulure de sortie de la capsule.
    3. Concevoir un conteneur à déchets fluide pour collecter les déchets sans avoir à construire une contre-pression qui pourraient compromettre flux
      1. Utilisez un flacon-collé-dans-un-flacon conception (figure 1B) pour le double confinement.
      2. Boucher les flacons avec une fenêtre de l'éponge de mousse sécurisé qui emprisonne les déchets flottants mais permet l'égalisation de pression d'air avec l'environnement de la cabine.
    4. Faire un échantillon chargeur pour une utilisation en gravité réduite
      1. Usiner et assembler un modèle de pince à ressort avec rails de guidage (figure 1C) de telle sorte qu'il Colliers de manière fiable un capillaire de gaine équipée entre deux joints toriques dans la ligne fluide. Assurez-vous qu'il préserve le volume de l'échantillon lors du chargement, accueille système pgivrage lorsqu'un échantillon est pas insérée, et évite errant introduction bulle.
      2. Veiller à ce que, en l'absence d'un capillaire, les ressorts appuyez sur les joints toriques ensemble pour compléter la ligne fluide et permettre l'amorçage sans fuite (figure 1D, gauche).
    5. Concevoir un micro-mélangeur qui ne repose pas sur des sous-mécanique actionnée à fonctionner
      1. Concevoir un micro-mélangeur spirale vortex deux entrée (figure 1E) qui réalise advection chaotique nécessaire pour surmonter flux laminaire dans les canaux microfluidiques. Cette conception offre toute entrée de fluide en aval de sorte que seul passage de l'échantillon ne porte pas atteinte à la prochaine.
      2. Pour plus de commodité, fabriquer design choisi selon la méthode (figure 1F) rapide prototype polydiméthylsiloxane (PDMS). Utiliser un masque photographique bidimensionnel conçu assistée par ordinateur imprimé à 20 000 dpi pour fabriquer le SU-8 moule nécessaire dans une installation de salle blanche 37.
        REMARQUE: Utilisez une modificationFied calibre 23 apte à une usine de forage vertical pour percer des trous sur les entrées, vortex, entrée de détection, et des taches de sortie de détection, et une loupe à la main pour aider à viser l'aiguille. Découpez les copeaux du PDMS en utilisant une lame de rasoir et adapter les trous avec 0,5 "tiges d'acier creux qui sortait de la partie non moulé arrière de la puce. Raccorder la broche de sortie en spirale au centre de la broche d'entrée de canal de détection en utilisant un tube de micro-alésage.
      3. Puce nettoyer soigneusement avec de l'éthanol et la surface moulée sec avec du scotch mat. Utilisez une seringue vide pour souffler de l'éthanol sur les broches. Traiter puce PDMS et un verre de couverture vierge à l'intérieur nettoyeur à plasma et les lier dans les 10 secondes en appliquant une légère pression, vérifier immédiatement par microscopie optique que la puce est enfoncé sans compromettre la perméabilité canal.
    6. Monter un bloc optique miniature paume de la main pour détecter les particules fluides individuels
      1. La conception de la figure 2AB est adapté pour deux couleurs epifluorescence illumination laser et détection, et utilise un canal linéaire PDMS (120 par 200 um) cellule de mesure pour plus de commodité.
      2. Bloc de montage (figure 2C) en utilisant des composants disponibles dans le commerce opto-mécaniques et aligner des modules de comptage de photons unique fibrées.
    7. électronique de logiciels de conception et de contrôle de l'appareil et d'acquisition de données
      1. Pour plus de commodité dans le prototypage rapide, utiliser des pièces soudées à la main liées à l'acquisition de données (DAQ) cartes (Figure 2D).
      2. Code et programme un logiciel personnalisé (exemple de la figure 2E) pour commander des appareils de forage et de synchroniser toutes les données.
  2. Des composants supplémentaires (pas officiellement partie du prototype)
    1. Incorporer un accéléromètre 3 dimensions (figure 2D, à gauche) et un compteur de débit (non représenté). Un accéléromètre est présent à bord de l'avion, mais (probablement) ne peut pas être directement synchronisés avec other données enregistrées.
  3. Gestion de l'alimentation électrique
    1. Un mécanisme de fermeture électronique rapide et complète (nécessaire pour des raisons de sécurité sur les vols de gravité réduite)
      1. Connectez une bande d'alimentation unique (avec un seul bouton I / O) sur le panneau de distribution électrique de l'avion (120 VAC 60 Hz).
      2. Retirez la batterie d'ordinateur portable et un ordinateur portable mis à fonctionner par câble d'alimentation seule.
    2. Alimentation pour tous les appareils
      1. Directement alimenter l'ordinateur portable (batterie enlevée), un microscope optique, et deux détecteurs de photons à l'aide de bande de puissance.
      2. périphériques restants électriques via des cartes d'acquisition de données USB connectés aux batteries d'ordinateurs portables ou de l'utiliser.
  4. Vol-prêt plate-forme mise en page
    1. Considérations pour la réussite de la performance en vol
      1. L'espace total disponible est limité à une zone plus petite que celle prévue pour une démonstration similaire sur le sol (figure 3A). Considérer l'espace total disponible et comment que l'artrythme sera divisé entre l'espace de plate-forme expérimentale (y compris pour les composants autres que ceux officiellement partie du prototype) et l'espace utilisateur autour de la plate-forme. Plates-formes expérimentales varient en termes de positionnement vers l'avant ou vers l'arrière, mais cela ne surtout pas d'incidence sur l'espace opérationnel disponible (ou en vol physique).
      2. Déterminer quels composants sont accessibles de façon plus appropriée à un debout, à genoux, ou la hauteur du plancher, ainsi que d'examiner les composants seront les principaux bénéficiaires de la protection atteint dans une structure de support.
    2. Structure de support de Rig
      1. Obtenir ou construire un rack vertical qui répond en considération les besoins de mise en page, contient tous les composants, permet différents niveaux verticaux pour l'organisation, résiste à des accélérations de vol, et en toute sécurité attache au sol de la cabine de l'avion prévu.
      2. Attribuez composants de niveaux au sein du rack (figure 3B): un niveau supérieur afin de positionner l'ordinateur portable, un niveau mi-rack à csous-prototypes ontain et un niveau de sol pour contenir lingettes supplémentaires, des gants et un conteneur de déchets divers.
      3. Concevoir des structures supplémentaires dans le rack pour accueillir différents niveaux désirés. Mettre en place des poutres de soutien à «hauteur d'mid' de tenir une 2 pi. Par 2 pi. Plaque microscope de maquette pour le vissage des composants de plate-forme, et les poutres de soutien d'environ 2 pieds pour soutenir un ordinateur portable creux de vol approuvé.
      4. Dans niveaux verticaux, déterminer montage des composants optimale, en tenant compte des limites de l'accessibilité encourus en raison de la présence d'autres composants ainsi que du fait de la possibilité position / orientation de la plate-forme elle-même à bord d'un vol (par exemple, 4 ème côté d'une voile carrée peut être proche de la paroi de l'avion, ne laissant que 3 côtés accessible).
        REMARQUE: les cuissardes pour sécuriser les opérateurs de test sont à une distance fixe de la plate-forme et peuvent ne pas être disponibles sur tous les côtés.
      5. Sur la base de ces déterminations, le diVide la plaque de maquette en 4 quadrants (figure 3C), plaçant les emplacements dédiés pour l'électronique et le bloc optique vers le mur de l'avion, et l'échantillon chargeur et puce microfluidique vers l'espace de la cabine.
  5. Prototype de fixation, le confinement, la configuration et de visualisation
    1. l'électronique du système
      1. Conception, découpé au laser, et réunir une boîte en acrylique sur mesure (figure 2D) pour contenir les cartes d'acquisition de données (sanglé) et les conseils soudé à la main (vissé à la boîte murale).
      2. Utiliser une porte battante pour accès facile (fixé en vol avec tissu crochet et velcro) et des trous de sortie pour les câbles USB et des câbles.
    2. chargeur de l'échantillon
      1. Fabriquer un «gant» boîte en acrylique sur mesure (figure 4A) avec accès à bras trous de fournir un espace cubique dans lequel effectuer le chargeur de démonstration (figure 4C) sans risque de contamination de la cabine de vol.
      2. Alimentation pour tube et de la chargeuse à travers de petits trous circulaires dans le côté de la boîte.
    3. Micromélangeur
      1. Adapter l'équipement utilisé sur le terrain. Visser une loupe binoculaire (figure 4B) à la plaque de planche à pain et l'équiper d'un support de puce acrylique personnalisé, aussi boulonné à la plaque.
      2. Monter une caméra CCD USB ​​à l'oculaire du microscope et le connecter à l'ordinateur portable (figure 4D) pour enregistrer la vidéo synchronisée avec d'autres données (gravité, pression de conduite, et le débit).
    4. Bloc optique
      1. Fabriquer une boîte acrylique opaque personnalisée (figure 4A, à droite) pour couvrir le bloc, le protégeant de la lumière ambiante et maîtriser les risques de laser.
      2. Utiliser un filtre «fenêtre» optique de vérifier en toute sécurité la fonction laser.
    5. Portatif
      1. Visser un plateau portable vol approuvé pour des poutres de support au sein de la structure de support.
      2. Utilisez hook-agrippante pour fixer les câbles USB sur l'architecture de rack.
  6. En vol de mise en œuvre de démonstration
    1. Des interventions simples de procéder à travers des manifestations
      1. Intégrer des composants supplémentaires qui éliminent nécessaires ajustements manuels de tubes en vol ou d'autres actions qui nécessitent une dextérité importante ou risqueraient de fuites de fluides dans l'environnement de la cabine.
        1. Sur commande à la machine et intégrer un collecteur de pression (Figure 5A) constitué par un cylindre en aluminium percé et taraudé pour être compatibles avec un adaptateur à visser sur l'aiguille Luer servant d'entrée de pression. Percer des trous plus petits autour de la circonférence à adapter les joints toriques et les tubes de microbore comme points de vente. Utilisez pour faire pression sur des flacons contenant plusieurs sources simultanément.
        2. Assembler un panel de trois voies électrovannes (figure 5B) contrôlées par des interrupteurs tandem MOSFET (figure 5C) connecté à une carte d'acquisition de données. Adapter tube microbore pour répondreles ports de la vanne. Utiliser pour contrôler l'écoulement du fluide dans les différents flacons.
      2. logiciel du programme de procéder à travers des démonstrations (figure 6) à l'aide d'interventions à un seul bouton (par exemple, un simple clic sur l'ordinateur portable).
    2. Commande manuelle de secours
      1. Ajouter pinces de glissement de plate-forme pour permettre un certain contrôle manuel sur la fluidique, peut-être si la tubulure de façon inattendue doit être déconnecté et reconnecté pendant le vol.
      2. Inclure les lingettes de nettoyage suffisantes dans la section de support de plancher en cas de fuite en vol.
  7. Vol perturbation préparation: système prêt pour d'éventuelles forces brusques secousses, des vibrations ou une collision de passagers en vol.
    1. stabilisation d'alignement
      1. Appliquer à séchage rapide époxy composants alignés qui sont facilement déréglé, en particulier les composants optiques.
      2. Appliquez l'époxy de qualité industrielle sur l'époxy à séchage rapide, ainsi que d'obtenir d'autres COMPOSANts selon les besoins, y compris la fixation de la caméra CCD de l'oculaire du microscope.
    2. Test de perturbation physique
      1. Secouez la structure de support de plate-forme avec tous les composants en place.
      2. Vérifier la fonctionnalité du composant individuel après avoir soumis la plate-forme de la perturbation, les composants optiques en particulier alignés.
    3. la gestion des risques de passagers
      1. Appliquer la mousse de rembourrage pour les zones (coins, bords) de la structure de rack vertical qui pourrait nuire à un passager de vol qui frappe accidentellement dans la plate-forme (figure 4C).
      2. Rembourrage sécurisé avec du ruban adhésif noir.

2. Démonstration Préparation et logistique

  1. En vol et l'équipe au sol attributions de rôles
    1. Attribuez opérateur (s) de plate-forme pour effectuer à la fois l'installation de forage et toutes les opérations de pratique en vol. Mains sur les opérateurs peuvent mieux visualiser lorsque l'installation de forage est terminée.
    2. attribuer un lecteur de SOP à lire à haute voix le SOP pendant l'entraînement et en vol. Le processus de SOP lecture pendant l'entraînement peut identifier mise en scène maladroite ou inopportune.
    3. Affecter au sol pour effectuer la préparation des échantillons et d'autres tâches de préparation ne comportant pas directement la plate-forme, en minimisant les charges de temps sur les opérateurs de plate-forme.
  2. Procédure initiale d'exploitation standard (SOP) développement
    1. Donnez toutes les mesures pour intégrer pré-vol (la veille et le matin avant), en vol, et les procédures post-vol utilisant uniquement des équipements et des matériaux, qui sera disponible à l'emplacement du vol. Un bloc de 5 à 10 min de vol en palier de l'avion peut être disponible pour les procédures de configuration de dernière minute avant paraboles commencent ou à la mi-course que l'avion tourne autour.
    2. Affecter des expériences en vol aux numéros dédiés de paraboles, notant que les paraboles seront probablement séparés à mi-chemin à travers pour permettre à l'avion de faire demi-tour et de retourner à l'atterrissagesite, et qu'un autre groupe peut demander l'avion pour niveler la mi-expérience ou moins paraboles peuvent être exécutées que prévu.
    3. Concevoir des procédures de démonstration pour minimiser les risques de danger biologique au-delà de confinement efficace, en évitant les échantillons biologiques réels lorsque cela est possible. Utiliser colorant alimentaire bleu enrichi avec billes de comptage fluorescentes (Figure 1D) comme une alternative au sang lors de la manifestation échantillon de chargeur.
  3. formation de démonstration
    1. Fixer un calendrier de formation suffisante pour réviser entièrement et affiner le SOP, ainsi que de générer des données de contrôle au sol approfondies à comparer avec les données de vol.
    2. Après avoir effectué avant le vol SOP, «verrouiller» la plate-forme dans une salle pour simuler l'expérience en vol, coupant l'accès à des outils ou des matériaux de base. Pour la formation encore plus stricte, marquer une section du plancher répondant aux dimensions attribuées qui seront disponibles en vol 32.
    3. Pendant la formation, suivre SOP eXactly, et utiliser un chronomètre pour annoncer 20 à 30 paraboles sec, indiquant l'entrée et la sortie de la gravité réduite, ainsi que d'une pause de la mi-parabole vol.
    4. Incorporer PON établies dans le calendrier réel de jours de vol, en divisant les activités «pré-vol» entre le jour de vol et le jour avant le vol.
    5. Former pour événements imprévus en vol, y compris les forces brutales qui frappent la plate-forme ou le plan de mise à niveau tout à coup au milieu d'une expérience.
    6. stabilités des tests d'échantillons et de réactifs lorsqu'ils sont soumis à une pause prolongée (h ou plus) entre les procédures pré-vol et en vol activité. Notez également que les températures peuvent être beaucoup plus élevé à l'emplacement du vol.
    7. Former plusieurs personnes comme opérateurs principaux pour faire fonctionner le dispositif experte en vol. Il est imprévisible qui tombe malade pendant les paraboles, et un utilisateur donné peut être affecté sur un vol et tombent malades sur un autre.
  4. Le matériel au sol et le soutienmatériels
    1. Monter une boîte à outils pour inclure des composants de sauvegarde et de l'équipement nécessaires pour les réparations, y compris les outils à main, équipement de soudure, et de la colle époxy / parmi beaucoup d'autres articles.
    2. Recueillir l'échantillon et les quantités de réactifs au-delà de ce qui est destiné à être utilisé au cours des vols réguliers en cas inattendu report de vol se produit après un échantillon ou réactif a déjà été préparé pour vol.
  5. Livraison
    1. expédition nécessaire pour le transport de la plate-forme d'installation, équipement au sol (outils, centrifugeuses, pipettes, vortex, etc.) et les denrées périssables (cellules sanguines, réactifs). Assurez-vous suffisamment de temps pour recevoir, inspecter, assembler et tester le matériel pour la campagne de vols.
    2. Plate-forme Encase sur tous les côtés, sauf en bas à l'aide du papier bulle. gréement des navires avec une caisse extérieure en bois sur mesure, aménagement intérieur avec des tampons en mousse et matériau de choc.
    3. Navire de soutien matériel au sol / outils dans un récipient rigide ou de la poitrine.
    4. périssables navires dans une épaisse isolation en.la boîte de mousse, contenant de la glace sèche pour les articles nécessitant -20 ° C stockage et congélateur accumulateur de froid pour les articles nécessitant 4 ° C stockage.
  6. Les tests pré-vol
    Effectuer des tests de pré-vol à l'emplacement du vol pour vérifier la fonctionnalité de tous les composants plusieurs jours avant les vols.
    plates-formes de vol sont pesés et grue chargés sur l'avion, et demeurera probablement dans l'avion pour la durée de la semaine de vol.

3. démonstrations en vol

Démonstrations / expériences sont divisés entre deux désignations de jour («Jour A" et "B Day" ci-dessous). Jour A est désigné pour la démonstration de micro-mélange et Jour B est désigné pour la détection de particules et de l'échantillon des démonstrations de chargement.

  1. la préparation des échantillons de terre pour des démonstrations de micro-mélangeur (Jour A uniquement)
    1. Diluer 3 ml bleu colorant alimentaire dans 12 ml 1x tampon phosphate salin (PBS).
    2. Diluer 3 ml de colorant jaune alimentaire into 12 ml de PBS 1X.
    3. La souche 15 ml de globules rouges dans le commerce purifiés.
      ATTENTION: Comme aucune des méthodes d'essai peuvent garantir avec certitude à 100% l'absence d'un agent infectieux, produits de droits dérivés doivent toujours être traités comme des risques biologiques.
    4. flacons d'échantillons de charge (voir l'étape 3.3) pour chaque échantillon, plus un flacon supplémentaire contenant uniquement une solution saline.
  2. la préparation des échantillons de terre pour le bloc optique démonstration
    1. Mélanger 60 pi billes de comptage fluorescentes avec 14 ml de PBS 1X (4,3 perles / pi) avec 1% de Tween. Charger dans le flacon d'échantillon.
      ATTENTION: Manipuler tous les produits chimiques avec prudence et en utilisant un équipement de protection individuelle (EPI).
    2. Diluer un échantillon de sang total 100 fois 50 pi doigt bâton avec 1x PBS et ajouter SYTO 83 colorant pour [Final] = 5 um. Légèrement vortex pour mélanger. Incuber pendant> 5 min à température ambiante.
      ATTENTION: SYTO 83 colorant est dissous dans dimethylsulfoxide (DMSO), qui est facilement absorbé par la peau. Peut être irritant pour les yeux, les voies respiratoires et la peau. Poignée utilisation des EPI.
    3. Centrifugeuse échantillon de cellules (à 2300 g pendant 4 min), pipette le surnageant.
    4. Laver échantillon de cellules colorées par addition de 1 ml 1x PBS, centrifugation à 2300 g pendant 4 min pipetage le surnageant. Répéter deux autres fois.
    5. Retour volume à 15 ml avec du PBS 1X pour atteindre une finale dilution de 1: 500 fois de stock commercial d'origine. cellules souches et de la charge dans le flacon d'échantillon.
  3. Rez-de préparation des échantillons pour l'échantillon chargeur démonstration (Jour B uniquement)
    1. Préparer consommables capillaires pour l'échantillon chargeur démonstration en coupant les tubes capillaires micro-hématocrite dans des segments de 15 mm avec une lame de rasoir.
    2. Préparer l'échantillon pour chargeur démonstration: Mélanger 250 pi perles stock fluorescentes avec 250 pi non dilué colorant alimentaire bleu (500 billes / pi). Dessiner 250 pi d'échantillon en deux seringues de 1 ml, équipés chacun d'une pointe émoussée needle qui est enregistrée fermée avec du ruban électrique.
  4. Charger des flacons de source de fluide
    1. Appliquer frais, latex diaphragme sans poudre dans le flacon (coupe de doigt de gant acceptable). Assurez-vous que la membrane est suffisamment longue pour s'étendre à partir de l'étage flacon et replier le bord extérieur haut. Faites glisser la bague flacon sur la partie pliée.
    2. Placez une pince à glissière temporaire sur tubulure de sortie de bouchon qui empêche l'expulsion de fluide lors de l'insertion de bouchon.
    3. Avant de remplir le flacon, sous pression négative le flacon avec une seringue d'élargir le diaphragme. Verser fluide pour le haut du flacon et insérer le bouchon à un angle tel que l'air est piégé sous le capot lors de la pose du bouchon (un peu de liquide se renverse). Retirez brièvement la pince coulissante pour amorcer la tubulure de sortie et la libération pression exercée par l'effondrement de la membrane.
  5. Préparer des démonstrations de plate-forme
    1. Connectez-vous et vérifiez toutes les connexions de tubes
    2. Accrochez flacons source dans le système. Flacons insérer dans un acry personnaliséporte-flacon lic et les fixer avec et crochet-et-agrippante.
    3. Vider les déchets contenus dans des flacons ou des bacs.
    4. Vérifiez l'espace disque et des logiciels de démonstration personnalisée démarrage.
    5. Effectuer fluidique du système procédure spécifique à chaque manifestation d'amorçage.
    6. Swap de nouvelles batteries à tout dispositif alimenté par batterie (par exemple, accéléromètre).
    7. Agiter manuellement des échantillons de particules fluorescentes.
    8. Exécutez brève expérience de test de pré-vol.
  6. Évitez en vol cinétose
    1. Prenez les médicaments fournis (scopolamine et dextroamphétamine, à la fois sûrs et efficaces pour prévenir le mal des transports en vol)
    2. Heed recommandé des stratégies de positionnement du corps en vol (par exemple, reposer à plat sur ​​le dos pendant augmenté gravité, avec le corps droit et la tête penchée en avant, et permet à votre corps de flotter sur son propre cours de la transition à la gravité réduite). Si possible, utilisez plusieurs premières paraboles à adapter aux changements de gravité.
    3. Conservez un sac de plastique vomi facilement accessible dans une poche avant. Les vomissements peuvent survenir soudainement et sans nausées précédent.
  7. Position opérateurs de plate-forme une fois en vol, approchant l'espace aérien de parabole dédié. Prévoyez suffisamment d'espace pour permettre aux opérateurs de plate-forme pour se coucher pendant des intervalles de haute gravitation et permettent l'accès à des sangles de jambe. Une fois paraboles commencent, ne pas appliquer des forces importantes sur le corps au cours de gravité réduite car cela peut envoyer le corps trop vite et un peu dangereusement.
  8. Effectuer microfluidique mélangeur démonstration (Jour A uniquement)
    1. Agiter manuellement flacon de sang avant test.
    2. Mélanger le sang et une solution saline dans un rapport de 1: 1,5 à 1, 2, 3, 4, 5, et 6 psi, pendant au moins deux paraboles chacun, l'enregistrement des données vidéo synchronisées avec d'autres lectures.
    3. Injecter de l'air dans l'entrée de solution saline pour vérifier si l'architecture de canal volonté piège une bulle qui pourrait empêcher un mélange optimal.
    4. Mélanger les colorants alimentaires bleu et jaune à 1,5, 2, 3, 4, 5, et 6 livres par pouce carré pendant au moins 2paraboles chacune, enregistrer à nouveau les données synchronisées.
    5. Placer des colliers de glissement à fluidique du système lorsque vous avez terminé pour prévenir la production de déchets.
    6. Vérifier l'intégrité des données avant l'arrêt électronique en cas de répétition de démonstration est nécessaire.
  9. Effectuer bloc optique et des démonstrations de chargeur échantillons (Jour B uniquement)
    1. Agiter manuellement avant d'exécuter les échantillons.
    2. Conduisez billes de comptage fluorescentes à travers le bloc optique pour 3 paraboles. Rincer le système avec une solution saline pour au moins 1 parabole entre types d'échantillons.
    3. Répétez 3.9.2 pour les particules et les globules blancs d'hydrogel fluorescentes.
    4. Vérifier les données pour toutes les entités manquantes qui doivent être répétées avant de passer à l'échantillon chargeur démonstration.
    5. Commencez l'enregistrement démonstration échantillon de chargeur en utilisant enregistreur vidéo HD.
    6. Quand l'avion entre dans la gravité réduite, utiliser une seringue de prélèvement à placer une goutte du mélange de colorants comptage de perles sur le bout du doigt pour simuler un échantillon au bout du doigt. Utilisez uneexagérément forte baisse (figure 1D) pour tester les limites de la tenue d'un échantillon de piqûre au doigt sur ​​un doigt lors de la gravité réduite.
    7. Utilisez capillaire consommable à ramasser échantillon (environ 10 pi) de doigt et la charge en capillaire chargeur.
    8. Essuyez échantillon restant de doigt à l'aide de lingettes inclus dans la boîte.
    9. Conduisez échantillon dans le système optique de détection.
    10. Répéter des tests plusieurs fois en utilisant différents opérateurs.
    11. Vérifier les données pour toutes les entités manquantes qui doivent être répétées avant d'éteindre l'électronique.
  10. Post-arrêt en vol
    1. Déchets vide et disposer correctement à l'aide biohazard marqué récipients de confinement nécessaire. Les déchets dangereux peut exiger expédition hors de l'installation de l'appareil.
    2. Bien rincer le système, en utilisant une seringue de 5 ml chargée avec de l'eau pour permettre un nettoyage énergique. Robinets de chasse d'avant en arrière toutes les 3 ports.
    3. Essuyez tous les gâchis en utilisant des lingettes alcoolisées.
    4. système de réamorcer pour la prochaine manifestation.

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Résultats

Les résultats représentatifs pour la démonstration de Micromélangeur apparaissent dans la figure 7, tel que vu par la caméra CCD monté sur le microscope stéréoscopique. Le mélange peut être évaluée visuellement à tout point le long de la spirale, ainsi que dans le canal de sortie pour des expériences impliquant deux ensembles de fluides: le sang / salées et colorant bleu / jaune. L'analyse quantitative des images en deux dimensions peut inclure la détermination de teinte uniforme sur la largeur du c...

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Discussion

La méthode décrite ici a permis démonstration efficace des principaux composants de la technologie (échantillon de chargement, mélange microfluidique, et de détection optique) pendant les 2010 vols paraboliques rapide, avec des résultats comparables à des essais au sol. Les méthodes de formation et SOP décrites ici ont été particulièrement efficaces, et ont contribué à éclairer les outils et autre être «béquilles» reposaient sur des démonstrations pratiques qui ne seraient pas disponibles à bord du vol parabolique.

...

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Déclarations de divulgation

Eugene Y. Chan, Candice Bae, et Julia Z. Sharpe sont des inventeurs sur les brevets technologiques connexes déposés par l'Institut de médecine de l'ADN, une entité commerciale.

Remerciements

développement de matériel a été pris en charge par les contrats NNX09CA44C et NNX10CA97C NASA SBIR. L'analyse des données pour les démonstrations de blocs et échantillon chargeur optiques a été soutenue par la NASA Phase III NNC11CA04C du contrat. La collecte de sang humain a été réalisée à l'aide de la NASA CISR Protocole # SA-10-008. Logiciel de contrôle / acquisition fournis par le Programme de subventions aux dispositifs médicaux National Instruments. Moules pour les puces ont été faites à l'installation de microfabrication Johns Hopkins et Harvard Center for Nanoscale Systems. Otto J. Briner et Luc Jaffe (Institut de médecine ADN) ont aidé dans l'assemblage de support au cours de l'été 2010. NASA personnel vol vidéo fourni des images vidéo pendant le vol par semaine. Carlos Barrientos (Institut de médecine de l'ADN) a fourni la photo et la figure de l'aide. Un merci spécial à la facilité l'accès à l'environnement de l'espace pour le programme de Technologie 2010, le Bureau Gravity NASA réduit, la division contre-adaptation de l'homme et, NASA Glenn Research Center,ZIN Technologies, et le Programme de recherche sur l'humain.

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Matériaux

Liste des matériaux utilisés dans cet article
NomEntrepriseNuméro de catalogueCommentaires
Micro pompe à airSmart Products, Inc.AP-2P02APression maximale = 6,76 psi ; 1,301 po x 0,394 po x 0,650 po, 0,28 oz (8 g) ; disponible directement auprès du
capteur de pression différentielleHoneywell International, Inc.ASDX015D44RGamme de 0 à 15 psi ; 0,974 po x 0,550 po x 0,440 po (0,09 oz) (2,565 g) ; les fournisseurs comprennent Digi-Key et Mouser Electronics
Flacon en plastique rigide (petite taille)Loritz & Associés, Inc.55-05Polystyrène ; ID 0,81 » (20,6 mm), IH 2,06 » (52,4 mm) ; disponible directement auprès de LA Container Inc. ; produit similaire disponible chez Dynalab Corp.
Gants d’examen en latexDynarex Corporation2337Doigt d’honneur utilisé pour le diaphragme en latex dans un flacon de source de liquide. Autres marques (par exemple , Aurelia ® ;   ; Vibrant &trade ;) Acceptable.
Colle optiqueNorland ProductsNOA 88Adhésif à faible dégazage ; disponible directement auprès de Norland ; Également disponible auprès d’Edmund Optics Inc.
Électrovannes à 3 voiesLa société LEELHDA0531115Hvannes à gaz, mais peut fonctionner avec du liquide ; 1,29 » L, 0,28 » D. Produit discontinué.  ; Des produits similaires sont disponibles auprès de The LEE Company.
Débitmètre volumétrique d’eauOMEGA Engineering inc.sans contact FLR-1602Aest fortement préféré. Nous recommandons le capteur de débit de liquide SENSIRION LG16 OEM pour des débits allant de nl/min jusqu’à 5 ml/min.
Détecteur de photons PCD-mini  ;SenslPCDMini-00100Pour la détection de fluorescence ; disponible directement auprès de Sensl
AccelerometerCrossbow Technology, Inc.CXL02LF3détection de la force dimensionnelle à 3 degrés. Fourni à DMI par la NASA. Produit similaire disponible chez Vernier Software & Technologie, LLC.
StéréomicroscopeAmScopeSE305R-AZ-E
Caméra CCDThorlabsDCU223C1 024 x 768 Résolution, Couleur, USB 2.0 ; disponible directement auprès de Thorlabs
Câble USB et de déclenchement (entrée/sortie) pour caméra CCDThorlabsCAB-DCU-T1Disponible directement auprès de Thorlabs
Tubes MicroboreSaint-Gobain CorporationAAD04103Tygon® ;; ID 0,02 », OD 0,06 », 500 pieds, mur de 0,02 ». Fournisseurs : VWR, Thermo Fisher Scientific Inc.
Goupilles creuses en acierNew England Small Tube(Custom)0.025 » OD, 0.017 » ID, 0.500 » L, tube en acier inoxydable, type 304, coupé, ébavuré, passivé ; permettre les connexions de tubes de microbore, les connexions de tubes de copeaux
Pince à glissièreWorld Precision Instruments, Inc.14042Disponible directement chez World Precision Instruments
Leur adaptateursWorld Precision Instruments, Inc.14011Disponible directement auprès de World Precision Instruments
Plaquette de siliciumAddison Engineering, Inc.6 » de diamètre ; pour la fabrication de moules SU-8
Agent de durcissement en élastomère Polydiméthylsiloxane (PDMS)Dow Corning3097358-1004Fournisseur : Global Industrial SLP, LLC
Aiguille (calibre 23), pointe biseautéeTerumo Medical CorporationNN-2338RParoi ultra mince ; 23 G x 1,5 » ; 22 G également utilisable ; fournisseurs : Careforde, Inc.,  ; Aiguille
(calibre 23), pointe émousséeCML Supply901-23-10023 G x 1" ;   ; disponible auprès de CML Supply
Verre de couvertureThermo Fisher Scientific, Inc.12-518-105EGold Seal&trade ; verre borosilicaté non corrosif ; pour couvercle de copeaux PDMS ; 24 x 60 mm ; disponible auprès de Thermo Fisher Scientific, Inc.
Pompe à videMountainMTN8407Pour le dégazage PDMS ; fournisseur :  ; Ryder System, Inc.  ;
Chambre à videThermo Fisher Scientific, Inc.5311-0250Nalgene&trade ; Polycarbonate transparent ; disponible auprès de Thermo Fisher Scientific, Inc.
Nettoyeur plasmaHarrick PlasmaPDC-32G
Loupe à mainMitutoyo183-131Utiliser dans le sens inverse pour permettre une visualisation à ~15".
EthanolCAROLINA861283Pour le nettoyage des copeaux. Diluer à 70 % avec de l’eau millipore.
Système de purification de l’eauThermo Fisher Scientific, Inc.D11901Disponible directement auprès de Thermo Fisher Scientific, Inc.
Montures de translation optomécanique6 axes ThorlabsK6X; produit abandonné ; nouveau produit (K6XS) disponible directement auprès de Thorlabs
LaptopHewlett-PackardVP209AVHP Pavilion Laptop fonctionnant sous Windows 7
Plateau pour ordinateur portable (à ressort)National Products, INC.RAM-234-3  ;RAM Tough-Tray&trade ;. Peut accueillir des ordinateurs portables de 10 à 16 pouces de large.
Répartiteur USBConnectland Technology Limited3401167
Cartes d’acquisition de données USB (8 entrées analogiques, 12 E/S numériques)National InstrumentsNI USB-600812 bits, 10 kéch./s DAQ multifonction économique
Cartes d’acquisition de données USB (16 entrées analogiques, 32 E/S numériques)National InstrumentsNI USB-621616 bits, 400 kéch./s DAQ MIO isolé de la série M, alimenté par bus
Control/ acquisition LogicielNational InstrumentsLabVIEW 2009Codé sur mesure National Instruments (NI) LabVIEW  ;
Logiciel de modélisation solide 3DDassault Systè ; mes SolidWorks Corp.SolidWorks 2011
Logiciel de modélisation 2DAUTODESKAutoCAD LT 2008
Rack d’équipement vertical(fourni par la NASA)N/A
Plaque d’expérimentation optique en aluminium massifThorlabsMB242424 » x 24 » x 1/2 », 1/4 »-20 Tarauds ; disponible directement auprès de Thorlabs
Acier et durcisseur de qualité industrielleThe J-B Weld CompanyJ-B Weld Acier renforcé Colle époxy
Micro-hématocrite capillaire  ;Fisher Scientific22-362-574diamètre intérieur 1,1 à 1,2 mm
seringues de 1 mlHenke-Sass, Wolf4010.200V0NORM-JECT® ;; fournisseur : Grainger, Inc.
Cellules rouges humainesRecherche innovanteIPLA-WB3Testé et trouvé négatif par le fournisseur pour : HBsAg, VHC, VIH-1, VIH-2, VIH-1Ag ou VIH 1-NAT, ALT et syphilis par des méthodes approuvées par la FDA. Étant donné qu’aucune méthode d’essai ne peut garantir avec une certitude de 100 % l’absence d’agent infectieux, les produits d’origine humaine doivent être manipulés comme suggéré dans le manuel du ministère américain de la Santé et des Services sociaux sur la biosécurité dans les laboratoires microbiologiques et biomédicaux, pour les échantillons de sérum ou de sang humains potentiellement infectieux
Concentré salin tamponné au phosphateP5493SIGMA10x ; dilué à 1x
TweenP9416SIGMADIX® ; 20
CentrifugeuseLW ScientificSTRAIGHT8-5KCentrifugeuse pivotante à 8 places.  ; Disponible auprès des revendeurs agréés. Autres centrifugeuses disponibles directement auprès de LW Scientific.
Enregistreur vidéo HDSonyMHS-CM5
Colorant d’acide nucléique fluorescent orangeInvitrogenS-11364SYTO® ; 83 Colorant d’acide nucléique fluorescent orange. Stocké dans un solvant DMSO. Portez toujours un équipement de protection individuelle recommandé. Aucun conseil particulier en matière de manipulation
n’est nécessaire.
Perles de comptage fluorescentesInvitrogenMP 36950CountBright&trade ; Perles de comptage absolues. Portez toujours un équipement de protection individuelle recommandé. Aucun conseil de manipulation particulier n’est requis.
Smart Products Le débitmètre de distribution Port City Medical Monture optique cinématique

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