Haute Vitesse Delivery System gouttelettes à base de passif de pompage dans des dispositifs microfluidiques

La pompe passive nécessite une grande goutte placée à la sortie et une petite goutte placée à l'entrée. Cela créera la différence de pression nécessaire pour entraîner l'écoulement. L'alternance de gouttes de fluides différents provoquera l'écoulement de paquets dans le canal et leur collecte finale à la sortie.

Des débits élevés peuvent être obtenus en délivrant des gouttelettes de faible volume à une fréquence suffisamment élevée pour former une enveloppe fluide stable à l'entrée. Salut, je suis Pedro Reto du laboratoire de Justin Williams du Département de génie biomédical de la Faculté de médecine de l'Université du Wisconsin. Et moi, c'est Brian Mogan, également du laboratoire Williams.

Et je suis Aaron Burier du laboratoire du professeur S, également rattaché au département de génie biomédical de W Medicine. Aujourd'hui, nous allons vous montrer une procédure permettant d'effectuer un pompage passif dans des dispositifs microfluidiques. Dans notre laboratoire, nous utilisons cette procédure pour étudier l'écoulement dans des microcanaux et pour analyser les échanges fluidiques au sein du canal dans des applications biologiques.

Commençons. Tout d'abord, à l'aide de la technique de lithographie douce, créez un dispositif microfluidique en utilisant du polyméthylsulfoxyde. Ensuite, découpez le dispositif, puis inversez-le réversiblement.

Fixez le dispositif en PDMS sur une lame de verre en l'appuyant contre la lame et en chassant toutes les bulles d'air. Une fixation réversible permet de réutiliser le dispositif plusieurs fois. Remplissez maintenant le dispositif avec un liquide.

Nous utilisons de l'eau avec un colorant alimentaire. Si le liquide n'entre pas de lui-même dans le canal, déposez une goutte de liquide à l'entrée et utilisez une pipette à l'extrémité opposée pour aspirer le liquide à travers le canal. Après avoir rempli l'appareil avec le liquide, placez une petite goutte à l'entrée et une goutte plus grande à la sortie.

Vérifiez que le fluide est en mouvement en observant la petite goutte à l'entrée se rétracter tandis que la goutte à la sortie grossit. Avant d'aller plus loin, expliquons les relations fondamentales du pompage passif. La dynamique des gouttes pompées dépend de plusieurs facteurs : les dimensions du canal, sa hauteur et sa longueur, ainsi que la taille de la goutte placée à l'entrée.

Pour vous donner une meilleure idée de la manière dont ces facteurs influencent l'écoulement, nous allons fournir quelques exemples. Commençons par deux canaux similaires. Ils ont la même largeur et la même hauteur, mais l'un est plus long que l'autre.

Nous plaçons maintenant des gouttes de même taille à l'entrée de chaque canal. Observez comment la goutte à l'entrée des canaux plus courts s'effondre plus rapidement que celle des canaux plus longs. Cela s'explique par le fait qu'un canal plus long présente une résistance fluidique plus élevée et que l'écoulement à l'intérieur est plus lent.

Ensuite, explorons deux autres canaux de même longueur et hauteur, mais de largeurs différentes. Plaçons des gouttes identiques à l'entrée de chaque canal et observons leur effondrement. Remarquez comme le canal plus fin met plus de temps à faire s'effondrer la goutte d'entrée ?

Cela s'explique par le fait que le canal plus étroit possède une résistance fluidique plus grande que celle du canal plus large. Enfin, prenons deux canaux identiques et plaçons des gouttes de tailles différentes à l'entrée de chacun. Remarquez comment la goutte d'entrée plus grande met plus de temps à s'effondrer que la goutte d'entrée plus petite.

Cela s'explique par le fait qu'une goutte plus petite a un volume moindre et une pression interne plus élevée que celle d'une goutte plus grande. Sachant que les gouttes plus petites sont préférables aux plus grandes, et ayant observé à quelle vitesse ces petites gouttes peuvent s'effondrer, nous nous demandons maintenant comment délivrer des gouttes de volume précis à l'entrée d'un canal de manière à pouvoir réaliser des expériences biologiques.

À l’aide du kit de départ pour micro-distribution de Lee Company, assemblez une ou plusieurs valves, chacune composée de la valve vol, d’un embout avec une ouverture de 0,0100 pouce et d’un raccord de tube souple. Ici, nous avons donc la valve reliée à la boîte de commande via les raccords de valve à tube, comme nous l’avons fait à l’étape précédente. Ensuite, nous disposons d’une source de tension de pointe, qui est ce branchement ici.

Ensuite, nous avons notre source de tension de contrôle, suivie par la source de tension de maintien. Enfin, en connexion à la masse, pour maintenir les valves en place tout en les orientant vers l'entrée. Utilisez des outils de biologie et des supports miniatures.

Ces éléments permettent de diriger précisément la valve et de la maintenir en une position donnée. Pendant l'expérimentation, en utilisant des seringues de trois quarts d'once, mettez en place un système de réservoir à placer à quelques pieds au-dessus du dispositif en PDMS. Le réservoir fournit une pression hydrostatique nécessaire pour actionner les buses.

Fixer une aiguille de seringue à la seringue. Fixer ensuite l'aiguille de seringue à un tube d'un diamètre intérieur de 1,14 millimètre, puis relier celui-ci à un tube de diamètre intérieur 1,58 millimètre. Utiliser du PDMS comme agent d'étanchéité.

Connectez maintenant le tube de 1,58 millimètre de diamètre intérieur à l'adaptateur de tube souple du robinet. Maintenant qu'une conduite relie l'aiguille de la seringue au robinet, remplissez les réservoirs de la seringue avec un liquide afin de purger les robinets et permettre au tube de se remplir d'eau. Placez un aimant sur le côté du robinet et observez le liquide commencer à s'écouler du réservoir à travers le robinet et sortir par l'orifice de 0,01 pouce.

Nous contrôlons ce système à l’aide d’un ordinateur utilisant LabVIEW et la boîte de commande « spike and hold » de Lee Company. Pour étalonner le système, orientez une valve vers une boîte de Pétri ou un bateau en aluminium destiné à la pesée. Ouvrez ensuite la valve pendant la durée souhaitée et pesez le volume total d’eau sortant de la buse.

Divisez ce volume par le temps d'ouverture total du système. Ce calibrage permet à l'utilisateur de déterminer le volume d'eau qui jaillit de la buse pendant une période donnée. Une fois le système calibré, orientez la buse vers l'entrée d'un canal en vous basant sur le tir de calibration précédent, en ajustant le volume de manière à ce qu'une goutte soit projetée à l'entrée du canal sans être trop grande pour provoquer un désordre ni trop petite pour passer inaperçue.

N'oubliez pas d'éliminer les bulles entre les expériences. Maintenant que les principes de base du pompage passif sont compris et que l'étalonnage du système a été expliqué, examinons ce qu'un utilisateur devrait observer lorsque tout fonctionne correctement. La vidéo suivante montre un écoulement dans un canal microfluidique, passant de volumes élevés à basses fréquences à des volumes faibles à hautes fréquences.

Ceci devrait permettre à l'utilisateur de comprendre les capacités du pompage antérieur ainsi que d'un système automatisé de distribution fluidique. Les dimensions du dispositif utilisées dans les vidéos suivantes sont une largeur de 2,22 millimètre, une longueur de 10 millimètres et une hauteur de 260 micromètres. Les diamètres de l'entrée et de la sortie sont respectivement de 1,78 millimètre et de 5,11 millimètres.

Deux valves ou plus sont nécessaires pour créer des flux alternatifs, comme indiqué ci-dessus. Voici une vidéo montrant le débit maximal possible avec le dispositif actuel utilisé. Une seule valve est utilisée pour acheminer le fluide dans ce cas.

Pour maintenir l'équilibre du système, il est important de viser la vanne directement depuis le haut de l'entrée. Observez la goutte qui se forme à l'entrée. Elle représente la pression constante maintenue en acheminant de l'eau à l'entrée aussi rapidement que l'appareil peut la pomper passivement.

Remarquez également comment la goutte d'entrée déborde à un certain moment. Cela est très probablement causé par une perturbation de la goutte de sortie. En éliminant le débordement à l'entrée, le système retrouve son équilibre et l'écoulement se poursuit.

Normalement, nous venons de vous montrer comment installer, étalonner et utiliser un système de pompage passif à l'aide de microbuses disponibles dans le commerce. Lorsque vous réalisez ces expériences, il est toujours essentiel de disposer d'une source de pression stable afin d'éviter que des bulles n'entrent dans votre canal, de connaître les compromis entre la géométrie du canal, la taille des gouttes afin d'obtenir les débits et échanges souhaités. Veillez également à ne pas laisser la goutte en sortie devenir trop grande, car cela pourrait créer un désordre ou atteindre votre entrée, et à maintenir vos dispositifs en PDMS propres et secs.

Voilà, c'est tout. Merci d'avoir regardé et bonne chance pour vos expériences.