Manipulation de microparticules par permanent des ondes acoustiques de Surface avec bi-fréquence Excitations
21 août 2018
Un protocole permettant de manipuler les microparticules dans un canal microfluidique avec une double fréquence d’excitation est présenté.
Cette méthode peut aider à résoudre des problèmes clés dans le domaine biomédical, tels que la manipulation des microparticules et aider au tri dans un canal microfluidique pour les laboratoires sur puce. Le principal avantage de cette technique est qu’elle peut améliorer l’accordabilité de la commission d’ondes acoustiques de surface stationnaire. Yannapol, un étudiant diplômé de mon groupe, fera la démonstration de la procédure.
Commencer par un moule pour le canal microfluidique. Celui-ci est un motif photosensible à tons négatifs sur une plaquette de silicium. Plus de détails sont fournis par le motif de photolithographie utilisé pour le créer.
Mélangez 10 parties de PDMS avec une partie du rapport de volume de base en élastomère. Dégazez le mélange dans un four sous vide pendant environ 15 minutes. Après le dégazage, apportez le mélange dans le moule.
Là, versez-le sur la résine photosensible sur la plaquette de silicium. Maintenant, dégazez la plaquette de silicium recouverte pendant encore 15 minutes. Après cela, chauffez la plaquette dans un incubateur pour solidifier le PDSM.
Lorsque le PDMS est refroidi, retirez-le de la plaquette. Le canal microfluidique est prêt pour les prochaines étapes du protocole. Préparez un substrat pour la fabrication des transducteurs.
Dans ce cas, utilisez une plaquette de niobate de lithium de quatre pouces de diamètre. Sur une machine à revêtir, enduisez la plaquette d’une photorésine positive. Ensuite, utilisez la photolithographie pour modeler la résine photosensible avec 20 bandes de 150 nanomètres dans une ouverture de deux centimètres.
Après la photolithographie, il s’agit de la représentation schématique du changement de section transversale du substrat. Une fois la résine photosensible développée, pulvérisez 20 nanomètres de chrome sur le substrat, suivis de 400 nanomètres d’aluminium. Utilisez de l’acétone pour enlever la couche de chrome et d’aluminium sur les zones non exposées.
Prenez le substrat pour le traitement de surface dans le plasma d’oxygène. Utilisez un rapport azote/oxygène de deux pour un avec 30 watts de puissance pendant 60 secondes. Une fois terminé, travaillez à la fois avec le substrat et le microcanal.
Alignez le microcanal PDMS et collez-le avec le substrat de niobate de lithium. Appuyez sur les deux ensemble pendant quelques secondes pour les lier. Placez l’appareil intégré dans la chambre de chauffe à 60 degrés pendant trois heures.
Après avoir chauffé la chambre, l’appareil est prêt pour des études utilisant des excitations à double fréquence d’ondes acoustiques de surface stationnaire. Pour les observations, utilisez un microscope inversé avec l’appareil sur sa platine. Placez la plaquette avec les transducteurs interdigités en contact avec la platine et placez le microcanal sur le dessus.
Connectez les transducteurs au signal amplifié d’un générateur de fonctions. Disposez les fluides d’un pousse-seringue pour qu’ils passent sur un agitateur magnétique. Préparez la solution pour les expériences.
Mélangez quatre microbilles de polystyrène dans de l’eau déminéralisée. Faites tourner le mélange dans un tourbillon pendant deux à trois minutes. Ensuite, placez le mélange dans un sonicateur à ultrasons pendant 10 minutes.
Transférez le mélange dans une seringue de trois millilitres. Ajoutez également une barre d’agitation dans la seringue. Ensuite, placez la seringue sur le pousse-seringue.
Assurez-vous que la seringue se trouve au-dessus de l’agitateur magnétique et qu’elle est connectée à l’entrée de l’appareil. Réglez le débit de la pompe à seringue à quelques microlitres par minute. Maintenant, pilotez l’appareil avec la fondamentale et la troisième harmonique des transducteurs interdigités.
Observez les microparticules stabilisées au microscope et enregistrez des images avec l’appareil photo numérique. Commencez sans excitation et faites varier la différence de phase entre les deux fréquences. Utilisez les images enregistrées pour déterminer la concentration de microparticules à chaque nœud de pression.
Il s’agit d’un graphique des formes d’ondes de pression d’une onde acoustique de surface stationnaire aux fréquences d’excitation de 6,2 et 18,6 mégahertz. L’axe vertical est la position le long d’un microcanal de 300 micromètres de large. Les courbes représentent différents rapports de puissance, le pourcentage de puissance en mode fondamental par rapport à la puissance totale de 146 milliwatts.
Voici la force de rayonnement acoustique appliquée à quatre microsphères micrométriques dans le même canal dans les mêmes conditions de puissance. À un rapport de puissance supérieur à 90 %, la force est toujours en phase et produit un seul nœud de pression à la position de 150 micromètres dans le canal. Des nœuds supplémentaires apparaissent pour un rapport de puissance inférieur à 90 %Lorsque quatre microsphères de polystyrène micrométriques sont initialement placées sur une paroi du canal, leur mouvement est déterminé par le rapport de puissance.
Remarque :Pour les rapports de puissance supérieurs à 90 %, les particules vont au nœud central. Pour des rapports de puissance de 90 % et moins, ils vont aux nœuds latéraux. La comparaison des données expérimentales, tracées à l’aide de symboles, avec des simulations tracées par des lignes pointillées, pour la position des particules en fonction du rapport de puissance donne un bon accord.
Notez que ce graphique montre à la fois les nœuds latéraux supérieur et inférieur. Une concordance similaire est évidente dans un graphique de la concentration des particules en fonction du rapport de puissance. Lors de la tentative de cette procédure, il est important de se rappeler de régler l’onde acoustique stationnaire dans le canal microfluidique en ajustant le rapport de puissance de l’excitation à double fréquence.
Après son développement, cette technique a ouvert la voie aux chercheurs dans le domaine de l’ingénierie biomédicale pour explorer la manipulation rapide, efficace et flexible des microparticules dans les laboratoires sur puce. N’oubliez pas que travailler avec des instruments électriques peut être extrêmement dangereux et que des précautions pour éviter les chocs électriques doivent toujours être prises lors de l’exécution de cette procédure.
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Aperçu
Cet article présente un protocole permettant de manipuler des microparticules dans un canal microfluidique à l'aide d'une excitation à double fréquence. Cette technique répond à des problèmes clés dans le domaine biomédical, notamment dans les applications de laboratoires-sur-puce.
Composantes clés de l'étude
Domaine scientifique
- Microfluidique
- Génie biomédical
- Manutention de particules
Contexte
- Les canaux microfluidiques sont essentiels pour diverses applications biomédicales.
- La manipulation de microparticules peut améliorer le tri et le traitement dans ces canaux.
- Les ondes acoustiques de surface stationnaires peuvent accroître la réglabilité de la manipulation des microparticules.
- Cette étude utilise un motif de résine photosensible de tonalité négative sur un wafer de silicium pour la fabrication du canal.
Objectif de l'étude
- Démontrer une méthode de manipulation de microparticules dans des canaux microfluidiques.
- Améliorer les capacités de tri dans les laboratoires-sur-puce.
- Optimiser la réglabilité des techniques de manipulation par ondes acoustiques.
Méthodes utilisées
- Conception de canaux microfluidiques par photolithographie.
- Application d'une excitation à double fréquence pour la manipulation de particules.
- Démonstration de la procédure par un étudiant diplômé.
- Évaluation de l'efficacité de la technique pour le tri de microparticules.
Résultats principaux
- La méthode manipule avec succès les microparticules de manière contrôlée.
- Des capacités de tri améliorées ont été observées dans le canal microfluidique.
- L'excitation à double fréquence a amélioré la réglabilité des ondes acoustiques.
- La démonstration a confirmé la faisabilité de la technique pour les laboratoires-sur-puce.
Conclusions
- Ce protocole offre une méthode fiable pour la manipulation de microparticules.
- Il a des implications importantes pour les applications biomédicales et la recherche.
- De futures études pourraient approfondir les applications de cette technique.
Questions fréquemment posées
Pertinence professionnelle dans l'industrie
Cette méthode améliore la réglabilité des ondes acoustiques de surface stationnaires pour la manipulation de microparticules dans les systèmes lab-on-a-chip, répondant ainsi à un défi majeur en ingénierie biomédicale : le contrôle précis et non invasif des particules biologiques dans des applications diagnostiques et thérapeutiques. En permettant des champs de forces acoustiques reconfigurables grâce à une excitation à double fréquence, elle accroît la fiabilité prédictive des protocoles de tri et de concentration des particules, soutenant ainsi la validation précoce des cibles et le développement d'essais. L'approche réduit l'ambiguïté mécanistique dans la manipulation des particules en microfluidique, facilitant des décisions adaptées au risque dans les filières de recherche fondamentale et translationnelle.
Applications stratégiques en recherche et développement en biopharmaceutique
Début de la découverte et validation de la cible
- Valeur scientifique : Permet l'interrogation d'hypothèses thérapeutiques en contrôlant la concentration de microparticules au niveau de nœuds de pression spécifiques afin d'étudier l'interaction avec la cible ou la modulation de voies biologiques.
- Valeur opérationnelle : Facilite la réduction des risques biologiques grâce à une manipulation reproductible et ajustable des particules, permettant de mieux comprendre le comportement fonctionnel des cibles dans des microenvironnements contrôlés.
- Valeur prédictive : Renforce la confiance dans l'identification de composés candidats en autorisant un positionnement précis des particules en vue d'analyses ultérieures, réduisant ainsi le nombre de faux positifs lors des campagnes de criblage.
Développement de criblages et de tests
- Valeur scientifique : Prépare des systèmes biologiques validés pour des flux opérationnels en aval en permettant un façonnage cohérent de microparticules aux nœuds acoustiques définis.
- Valeur opérationnelle : Répond à la standardisation des tests et à la reproductibilité grâce à un contrôle, dépendant du rapport de puissance, du nombre et de la position des nœuds de pression, assurant ainsi une évaluation fiable des composés.
- Valeur de la plateforme : Met en évidence la préparation au criblage et la possibilité de montée en échelle par une intégration non invasive dans des systèmes lab-on-a-chip avec des modifications minimales de configuration, soutenant des applications à haut débit.
Recherche translationnelle et préclinique
- Valeur scientifique : Aborde la pertinence pour les maladies en permettant la manipulation de microparticules biomimétiques dans des canaux microfluidiques modélisant des conditions d'écoulement physiologiques.
- Valeur opérationnelle : Décrit une continuité allant de la découverte à la validation préclinique en autorisant un contrôle ajusté par phase de la distribution des particules sur plusieurs nœuds pour des études longitudinales.
- Progrès ajusté au risque : Soutient les décisions fondées sur des mesures quantitatives de concentration des particules obtenues à différents rapports de puissance, en accord avec les objectifs mécanistes de réduction des risques.
Intégration des pipelines et des flux de travail
La méthode s'inscrit dans le continuum de la découverte, allant du test d'hypothèses en biologie précoce à la préparation des tests lors de l'identification de composés candidats, notamment lorsque la manipulation de particules permet des lectures fonctionnelles ou un tri aligné sur des biomarqueurs dans des plateformes microfluidiques.
- Biologie de la découverte : Explique comment la méthode permet de tester des hypothèses en faisant varier les rapports de puissance pour contrôler l'agrégation des particules en un ou plusieurs nœuds, clarifiant ainsi les réponses dépendantes de la cible.
- Criblage : Décrit la prêts-à-l’emploi du test grâce à des profils reproductibles de concentration de microparticules, permettant une détection fiable des modifications induites par des composés dans le comportement des particules.
- Analytique : Met en évidence des sorties quantitatives telles que la position et la concentration des particules en fonction du rapport de puissance et de la différence de phase, permettant des comparaisons statistiques entre différentes conditions expérimentales.
- Recherche translationnelle : Relie la méthode à la continuité préclinique en permettant un contrôle par réglage de phase de trois nœuds de pression afin de modéliser le trafic dynamique des particules dans des systèmes pertinents pour la maladie.
- Réutilisation en entreprise : Présente la méthode comme une capacité réutilisable pour la manipulation de particules en microfluidique dans plusieurs projets, réduisant ainsi le besoin de développer un test personnalisé pour chaque cible.
Impact opérationnel et organisationnel
- Valeur scientifique : Confiance prédictive dans les résultats de la manipulation des particules, réduction de l'ambiguïté mécanistique dans les systèmes microfluidiques et amélioration de la validation des cibles grâce à un positionnement contrôlé des particules.
- Valeur opérationnelle : Normalisation par seuils de rapport de puissance (par exemple, >90 % de fréquence fondamentale pour un contrôle à un seul nœud), reproductibilité entre les essais et évolutivité de l'excitation à double fréquence dans des formats de laboratoire-sur-puce.
- Valeur stratégique : Meilleures décisions d'orientation (go/no-go) lors de l'identification des candidats prometteurs en permettant un tri précis des particules qui réduit le bruit biologique, efficacité du capital grâce à des formes d'onde reconfigurables, et réduction du risque en phase avancée par une meilleure prévisibilité préclinique.
- Impact sur le portefeuille : Priorisation ajustée au risque des cibles fondée sur des données quantitatives de concentration des particules, soutenant des décisions d'avancement ancrées dans une dé-risquisation mécanistique.
Considérations relatives à la mise en œuvre
- Une expertise scientifique requise en fabrication de dispositifs microfluidiques, en théorie des ondes acoustiques et en traitement du signal pour l'excitation à double fréquence.
- Les besoins en instrumentation comprennent des générateurs de fonctions, des amplificateurs, des transducteurs interdigitaux sur des substrats piézoélectriques (par exemple, niobate de lithium) et une microscopie pour le suivi des particules.
- La standardisation entre équipes exige un alignement sur les seuils de rapport de puissance, les protocoles d'étalonnage de phase et les méthodes de mesure de concentration des particules.
- Les considérations d'adaptation selon les systèmes modèles impliquent l'ajustement des dimensions des canaux, de la taille des particules et des propriétés des fluides afin de maintenir la résonance acoustique et l'efficacité de la manipulation.
- Les limitations pratiques incluent la nécessité d'un contrôle précis de la phase pour éviter des décalages indésirables des nœuds, ainsi que la dépendance vis-à-vis du contraste acoustique des particules pour une manipulation efficace, comme observé expérimentalement avec des microsphères de polystyrène.
F.A.Q. sur la bio-industrie pharmaceutique
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
