Puces microfluidiques contrôlée avec les tableaux microvanne élastomère

La microfluidique offre aux biologistes cellulaires une technologie permettant de réaliser des expériences à haut débit nécessitant une manipulation précise des fluides. Bonjour, je suis Nin Chen Lee du laboratoire Folk du département de génie biologique de l'Université de Washington. Aujourd'hui, je vais vous montrer comment fabriquer des embouts microfluidiques commandés par un réseau de microvannes en PDMS.

Le dispositif se compose de trois couches. La première couche, appelée couche fluidique, contient des micro-chambres de différentes tailles, et la deuxième couche, appelée couche de commande, contient des canaux situés entre les deux couches. Une fine membrane PMS est présente en raison de l'hydrophobicité et de la conformité du PMS.

La membrane s'hermétise contre sa chambre, isolant ainsi les chambres fluides les unes des autres. Si nous appliquons un vide à travers les canaux de commande, la membrane en PDMS peut alors se déformer et relier les chambres fluides auparavant isolées. Aujourd'hui, je vais vous montrer un mélangeur parallèle qui permet de mélanger des volumes subnanolitriques de solutions aqueuses à différents rapports de mélange.

Ensuite, une étape cruciale de notre laboratoire va vous présenter un système microfluidique intégré qui permet de perfuser plusieurs solutions dans des cultures cellulaires. Commençons. Ici, je vous montre un moule maître avec des caractéristiques de canal au-dessus d'une tranche de silicium.

Le moule a été fabriqué selon des procédures photographiques SUH standard à partir de ces moules. Nous pouvons réaliser des répliques en PDMS encore et encore. Pour faciliter le démoulage du PDMS à partir des moules, nous devons d'abord silaniser le moule.

Nous effectuons habituellement la lithographie par nano-impression du moule à l’aide de F foods, car nous travaillons avec l’île de Florence. J’insère d’abord la plaquette dans l’appareil et dépose des gouttelettes de la forêt, puis je ferme la chambre de la table coulissante, j’actionne le vide, maintiens le vide pendant 1, 2, 3 minutes, puis je ferme le vide. Je laisse s’évaporer pendant une demi-heure, puis je prélève la goutte de la plaquette. Avant de réaliser la réplique en PDMS, nous devons d’abord pré-mélanger le prépolymère de PDMS et l’agent de réticulation selon un rapport de 10 à 1.

Je pèse donc un prépolymère de 31 grammes, puis je pèse les agents de durcissement pour 3,1 gramme et je mélange le tout soigneusement pendant cinq minutes. Le produit fini présente cet aspect. Ensuite, je place le mélange dans un four à dégazage pour débubbliser le PS pendant cinq à dix minutes, jusqu'à ce qu'il devienne transparent.

Pendant que le PMS débulle, je peux coller des tubes en silicone sur la région de la couche de commande. Nous choisissons des tubes en silicone car ils sont constitués du même matériau que le PMS, de sorte qu'ils pourront ultérieurement être intégrés dans le dispositif et former un joint étanche à l'air et aux fluides. J'ajoute maintenant un peu de colle D sur l'extrémité du petit morceau de tube en silicone et je l'appose sur la zone d'entrée du moule.

Ainsi, afin que les tubes ne dépassent pas trop des ampoules, ces tubes en silicone doivent être très plats lorsqu’on les coupe, et il ne faut pas mettre trop de colle sur le dessus. Expliquez simplement comment vous appliquez la colle. Voyons voir. Des zones sont créées sur le côté ventilé, et retirez le couvercle.

Maintenant que le PS a été élaboré, je vais verser le PS sur le dessus du moule principal. Veillez à retirer délicatement les PGAs entourant les tubulures.

Je verse maintenant sur l'autre matrice qui présente des caractéristiques de couches fluides. Après avoir versé le PS sur les matrices, il faut à nouveau les débarrasser des bulles dans l'enceinte anti-poussière pendant cinq à dix minutes. Après l'élimination des bulles, nous réticulons le PMS au four à une température de 65 à 70 degrés pendant une heure à 24 heures.

Très bien. Après deux heures, le PMS a été durci. Nous découpons maintenant le dispositif PMS à partir du moule SU et du motif destiné à la couche de commande.

En utilisant le mode tubulures, nous retirons la colle des zones d'entrée. Dans nos dispositifs, les régions d'entrée sont créées sur les trois couches ainsi que sur les couches de commande, mais nous insérons le tube en silicone uniquement dans une couche.

Par exemple, ici uniquement sur la couche de contrôle. Pour créer un accès à la couche fluide, nous pouvons percer la membrane située sous les tubulures en silicone afin d'obtenir un accès. Ainsi, nous pouvons accéder à tous ces dispositifs par le haut, ce qui facilite l'observation au microscope, au stéréoscope ainsi qu'au microscope inversé traditionnel.

Nous allons maintenant entrer dans la salle C. Pour préparer les membranes CTM S, je vais vous montrer comment faire tourner la membrane PDF à l’aide du centrifugeuse Headway. Avant de placer la plaquette sur le support de vérification, j’ai recouvert la bille en graphite plastique et placé une serviette en papier en dessous afin de faciliter le nettoyage en cas de désordre.

Donc, si cela a été finalisé, comme nous l'avons fait précédemment avec les masters, après le nettoyage sous vide, je dépose environ deux millilitres de PMS taxi directement sur la tranche de silicium, car nous souhaitons obtenir une membrane d'environ 11 à 12 micromètres d'épaisseur. La tranche sera ensuite tournante à 7 000 tr/min pendant 20 secondes. C'est parti. À ce stade, on peut observer la tranche en rotation. Nous la faisons tourner pendant la durée requise. Après la phase de rotation, nous plaçons la tranche sur la plaque chauffante à 85 degrés pendant quatre minutes. À présent, la membrane en PDMS est polymérisée.

Nous oxydons ensuite la membrane P DM S et la couche de contrôle dans un four à plasma. Nous réglons la puissance du platine à 75 % et utilisons une pression d'oxygène de 30 PSI et un débit de cinq. Ces paramètres peuvent toujours être ajustés selon les différentes applications.

Activez la fourchette, puis activez le plasma pendant 30 secondes. Placez maintenant la couche de contrôle au-dessus de la membrane. Après quelques minutes de contact, la couche de contrôle sera liée à la membrane.

Après quelques minutes, retirez la couche de contrôle avec la membrane. Très bien, nous sommes maintenant prêts à aligner la couche de contrôle avec la partie entièrement transparente. Puisque nous ne sommes plus en salle blanche, nous utilisons la pointe adhésive pour enlever la poussière sur la partie entièrement transparente.

Nous devons également retirer la membrane de la zone d'entrée des couches de commande. Cela permet d'accéder à la couche de fluide située en dessous. Placez donc la couche de commande, avec la membrane, au-dessus de la couche de fluide.

Examinez toutes les chambres de fluide et les valves. Assurez-vous qu'elles sont toutes alignées de gauche à droite. Si l'alignement n'est pas correct, vous pouvez retirer la couche de commande et la refaire.

Ici, vous pouvez voir que la couche de fluide et la couche de commande sont alignées. J'insère maintenant des tubes plus fins dans ces entrées pour les relier aux sources de fluide et aux sources de pression. Je branche à présent les valves à la source de pression et les entrées de fluide à la source de fluide.

Ici, nous disposons de deux colorants différents, l'un bleu et l'autre jaune, pour ouvrir et fermer les microvannes en PDMS. Nous utilisons des vannes solénoïdes reliées à une source de vide et à une pression d'air, et les vannes sont commandées par un logiciel de contrôle lumineux. J'ouvre maintenant l'ensemble de vannes numéro un.

Nous pouvons observer les membranes en PDMS se déformer et les valves s'ouvrir. Maintenant, je ferme le premier jeu de valves, puis j'ouvre le second jeu. Toutes les microvalves fonctionnent désormais.

Je vais remplir les chambres microfluidiques avec deux dés différents. J'ouvre le jeu de valves numéro un et utilise également un vide pour attirer les deux dés dans les chambres. Une fois les chambres remplies de dés, je ferme le jeu de valves numéro un afin d'isoler chaque chambre, puis j'active le jeu de valves.

Deuxièmement, mélanger les paires dans les deux réseaux. L'ouverture de la vanne et le mélange prennent généralement entre une et deux minutes. Étant donné que nous avons conçu des chambres en 10 tailles différentes.

Nous avons donc un rapport de mélange de 11 rapports différents. Une fois le mélange terminé, je ferme la vanne et vous pouvez ainsi voir chaque chambre individuelle. Les rapports de mélange sont différents.

La couleur est passée du bleu au vert, puis au jaune. Une fois fabriqués, ces dispositifs pourraient être utilisés dans des essais biomédicaux tels que le criblage de médicaments ou des études en biologie cellulaire, comme la chimiotaxie ou la réponse cellulaire à différentes concentrations de produits chimiques, de facteurs de croissance ou de médicaments. Je suis Chris Sip et je vais vous présenter un dispositif qui constitue un système de perfusion microfluidique intégré, très similaire au dispositif précédemment vu dans l'étape de fabrication.

La seule et principale différence réside dans le fait que, au lieu de disposer de chambres séparées par une vanne et qui se mélangent par diffusion, nous avons plusieurs entrées qui convergent et sont contrôlées par des vannes, selon un schéma de multiplexage des vannes. Ce que je vais démontrer, c'est l'activation sélective des vannes, qui permettra de commander l'ouverture ou la fermeture de différentes entrées. De plus, je montrerai le fonctionnement d'un canal de mélange intégré ainsi que la gestion des gradients.

En haut de l'écran, vous voyez 16 entrées qui convergent, et le flux va descendre depuis le haut à travers ce canal vertical et pénétrer dans ce réseau de bifurcation, qui constitue la chambre de culture cellulaire. Nous observons maintenant les entrées passer à un colorant de couleur bleue, qui s'écoule, et vous pouvez voir le profil d'écoulement laminaire lors de son passage à travers la chambre. Nous combinons maintenant du bleu et du jaune, puis nous pouvons inverser cette combinaison pour créer la combinaison opposée.

Nous pouvons diriger notre gradient vers le côté droit. Nous pouvons créer d'autres types de gradients. Ici, on observe la commutation rapide des vannes, ce qui nous permet d'alterner assez rapidement entre différentes solutions.

Nous faisons maintenant passer du bleu et du jaune dans cet homogénéisateur, et la solution ressort verte dans la chambre. Nous pouvons également commuter un nombre quelconque d'entrées différentes. Dans ce cas, nous introduisons une entrée rouge, qui remplace entièrement la solution verte. Aujourd'hui, je vous ai simplement montré comment fabriquer des dispositifs basés sur des valves microstructurées et démontré le mélange de deux colorants en différentes proportions, à des volumes inférieurs au litre, de manière précise.

Chris de notre laboratoire a également démontré des systèmes microfluidiques intégrés pour la perfusion de différentes solutions. Merci d'avoir regardé et bonne chance avec votre propre expérience.