מאמר שיטה

מכשירים מיקרופלואידיים מודפסים בתלת-ממד בעלות נמוכה לאב-טיפוס מהיר ויישומים ביולוגיים

DOI:

10.3791/69494

⸱

20 במרץ 2026

 ,  , 
1Department of Biology, University of Saskatchewan

במאמר זה

סיכום

$$\rightleftharpoonup{xx}$$ $$\longleftharp{xx}$$, $$\longrightharp{xx}$$,

פיתחנו מכשיר מיקרופלואידיק בעלות נמוכה ומודפס בתלת-ממד ותוכנה מבוססת פייתון בקוד פתוח שיכולה ליצור גרדיאנטים בריכוז מתוכנתים. אישרנו את הפלטפורמה הניתנת להתאמה אישית זו באמצעות אוסמומטריה וניתוח קולורימטריה, מה שמאפשר מחקרי חשיפה אוסמוטית שחוזרים ובדיקות ביו-רפואיות עם חומרים בעלות נמוכה מ-5 דולר והדפסת תלת-ממד לצרכן.

תקציר

$$\rightleftharpoonup{xx}$$ $$\longleftharp{xx}$$, $$\longrightharp{xx}$$,

מכשירים מיקרופלואידיים מציעים שליטה מדויקת על ערבוב תמיסה ויצירת גרדיאנטים, חיוניים לבדיקות מבוססות תאים במחקר קריוביולוגי וביו-רפואי. עם זאת, שיטות ייצור מסורתיות גוזלות זמן, יקרות ודורשות מומחיות מיוחדת, מה שמגביל את הנגישות. כדי להתמודד עם אתגרים אלו, פיתחנו תהליך עבודה חסכוני, אמין ומודפס בתלת-ממד מלא, כדי להקל על אבטיפוס מהיר וזול באמצעות מדפסת צרכנית ושרפים מפלסטיק ביוקואמיטיביים. כאן, אנו מדגימה את תהליך העבודה הזה עם מכשיר ערבוב נוזלי המסוגל לייצר גרדיאנטים של ריכוז מתוכנתים ושילובי תמיסות. מכשירי ערבוב מסחריים עולים יותר מ-300 דולר כל אחד ואינם ניתנים להתאמה אישית. באמצעות שימוש בחומרים ברזין במחירים נגישים ועיצוב חדשני של ערוץ פתוח אטום בסרט דבק שקוף, התגברנו על בעיות ייצור נפוצות כמו סתימת ערוצים, מה שאפשר ייצור מהיר וניתן לשחזור של ארכיטקטורות מיקרופלואידיות מורכבות, הכל בעלות חומרים של פחות מ-5 דולר. כאן אנו מדגימים תהליך עבודה זה, תוך שילוב משאבות דו-מזרקיות ליצירת גרדיאנטים אוסמוטיים ליניאריים, הנעים מתנאים איזו-אוסמוטיים (~300 mOsm/kg) ועד היפראוסמוטיים (~9,000 mOsm/kg), ואחריהם חזרה לאיזוטוניות לאורך מרווחים מוגדרים. כדי להבטיח אוטומציה ושחזור, פיתחנו כלי תוכנה בקוד פתוח מבוסס פייתון שמווסת במדויק את הפעלת משאבת המזרק, קצב הזרימה ותזמון הגרדיאנט. ביצועי המכשיר אושרו באמצעות מדידות אוסמומטריות רציפות, שאישרו הן את הליניאריות והן את דיוק יצירת הגרדיאנטים, והן מדידות צבעוניות לאישור יעילות הערבוב. פלטפורמה מיקרופלואידית נגישה וחסכונית זו משפרת משמעותית את השחזוריות של מחקרי חשיפה אוסמוטית ומראה פוטנציאל ליישומים ביו-רפואיים שונים, כולל סקר תרופות ומודולציה כימית מדויקת.

מבוא

$$\rightleftharpoonup{xx}$$ $$\longleftharp{xx}$$, $$\longrightharp{xx}$$,

מכשירים מיקרופלואידיים הפכו לחיוניים לשליטה בריכוזים ובסביבות כימיות בבדיקות מבוססות תאים, מחקרי לחץ אוסמוטי וניסויים במנהל תרופות במחקר ביו-רפואי, קריוביולוגיה ויישומים אבחנתיים נוספים. מכשירים אלו מאפשרים שליטה מדויקת בזרימת הנוזל ובריכוז בקנה מידה של מיקרומטר. לדוגמה, נעשה שימוש במכשירים מיקרופלואידיים להוספת והסרה של סוכני קריוגפטן במהלך שימור התאים למניעת נזק אוסמוטי3. באופן דומה, מכשירים מיקרופלואידיים אלו משמשים גם לקביעת דילול סדרתי של אנטיביוטיקה לבדיקת רגישות אנטימיקרוביאלית לאורגניזמים עמידים4. דבר זה מאפשר זיהוי שילובי תרופות מיטביים לטיפול בזיהומים עמידים לאנטימיקרוביאליזם (AMR). יתרה מזאת, הוא מאפשר הדמיה וניטור של תאים חיים, מפחית צריכת תגובות ומקל על דיוק בגרדיאנטים של ריכוז, בניגוד לטכניקות מקרוסקופיות כמו תא בויידן, שמספקות גרדיאנטים גסים וסטטיים יותר ללא ניטור תאים בזמן אמת 1,5. יכולות אלו מאפשרות חיקוי סביבות כימיות דמויות חיות במבחנה למחקרים ברזולוציה גבוהה של התנהגות תאים, נדידת תאים, בדיקות פלישה לתאית, תגובת תרופות ובדיקות רעילות.

למרות היתרונות של מכשירים מיקרופלואידיים, טכניקות מיקרו-ייצור מסורתיות למכשירים אלו (למשל, פוטוליתוגרפיה ותבניות פולידימתילסילוקסן (PDMS)) הן לעיתים קרובות גוזלות זמן, יקרות ודורשות ציודומומחיות מיוחדים. לכן, יצירת מכשיר חדש באמצעות ליתוגרפיה רכה יכולה לקחת ימים של עבודה, ושינויים עיצוביים איטרטיביים גם הם דורשים עבודה רבה6. לאחרונה, הדפסת תלת-ממד הפכה לאלטרנטיבה מהירה לאב-טיפוס כדי להתגבר על מגבלות אלו. עם זאת, האימוץ המוקדם של מיקרופלואידיקה מודפסת בתלת-ממד הוגבל בשל עלות מדפסות ברזולוציה גבוהה (לעיתים ≥ 10,000 דולר), ויחידות זולות אינן מספקות מספיק רזולוציה7. השיפור בסטריאוליתוגרפיה מבוססת LCD בעלות נמוכה קידם משמעותית את התחום הזה, כאשר מדפסות ברמת צרכן (לעיתים ~$150-$500) מציעות כיום רזולוציה בקנה מידה מיקרו (~20-50 מיקרון), מספיקהליישומים מיקרופלואידיים רבים. בהתחשב בהתקדמויות אלו, המטרה הכוללת של עבודתנו הייתה להקים זרימת עבודה חסכונית ויעילה למכשירים מיקרופלואידיים מודפסים בתלת-ממד במלואם, שיכולים לייצר גרדיאנטים מרוכזים מבוקרים ללא חסמי מורכבות הייצור הרגילים8. מטרתנו לפתח שיטה מהירה ואמינה לייצור מערכות מודלים מיקרופלואידיות מותאמות אישית באמצעות מדפסת LCD תלת-ממדית ברמת צרכן ושרף ביוקומפורטיבי, כדי להפוך אותה לנגישה למגוון רחב של מעבדות.

כאן אנו מציגים מכשיר מיקרופלואידי מודפס בתלת-ממד המסוגל לערבב תמיסות, יצירת גרדיאנטים רציפים וניתנים לתכנות ריכוזים, וליצור שילובי תמיסה ומדרגות ריכוז מתוכנתות. המכשיר מיוצר באמצעות סטריאוליתוגרפיה שולחנית ומורכב לחלוטין, תוך שימוש בעיצוב ערוץ פתוח האטום לחלוטין עם סרט דבק שקוף – חסימת תעלה הנגרמת על ידי שרף – היא אתגר מדווח נרחב בסטריאוליתוגרפיה מיקרופלואידית 9,10; עם זאת, גישה זו מפתחת מכשיר מיקרופלואידי עמיד ועמיד לדליפות ללא צורך בציוד ייעודי לטיפול פני שטח או הדבקה, ומתגברת על הבעיה הנפוצה של שרף לא מעובד החוסם את התעלות הקטנות במהלךההדפסה 11. יתרה מזאת, באמצעות שימוש בשרפים זולים וניתנים לריפוי ב-UV, ניתן לייצר כל מכשיר במהירות בעלות של כמה דולרים בלבד בחומרים. יתרון נוסף הוא שהעיצוב שלו אינו קבוע; ניתן לשנות ולהדפיס אותו בקלות, בניגוד למכשירים מסחריים שעולים מאות דולרים כל אחד ואינם ניתנים להתאמה אישית 12,13,14.

לשליטה בריכוז התמיסה, המכשיר המודפס בתלת-ממד שולב עם משאבות מזרק כפולות (אחת לכל פתרון קלט) שנשלטו על ידי סקריפט פייתון בקוד פתוח, כפי שתואר קודם לכן עבור יישומים מיקרופלואידיים15. דבר זה מאפשר ויסות מדויק של קצבי הזרימה, שלבי הגרדיאנט והתזמון באופן אוטומטי. 15 קצבי הזרימה במערכת שלנו נעים בדרך כלל בין כמה מיקרוליטרים ל-30 מיקרוליטר/דקה לכל כניסה, שבתוכה הושגה ערבוב אחיד באופן עקבי, תוך שמירה על מאמץ גזירה מינימלי. באמצעות מערכת זו, יצרנו פרופילי ריכוז ליניאריים הנעים מתנאים איזו-אוסמוטיים בקירוב (~300 mOsm/kg) ועד היפראוסמוטיים קיצוניים (~9,000 mOsm/kg) וחזרה לאיזוטוניים, לאורך מרווחי זמן מוגדרים. קריאות אוסמומטר רציפות אישרו שהגרדיאנטים שנוצרו היו ליניאריים ומדויקים, ומבחן קולורימטרי פשוט אישר ערבוב יעיל של פתרונות הקלט. תוצאות אלו מאשרות כי ניתן להשיג גרדיאנטים מורכבים ומשתנים בזמן של ריכוז באמצעות פלטפורמת ההדפסה התלת-ממדית המלאה שלנו, מה שמדגיש את הפוטנציאל שלה לשפר את קצב התפוקה והסטנדרטיזציה של מחקרי חשיפה אוסמוטית בעלות קטנה מהרגיל.

פלטפורמת מיקרופלואידיק מודפסת בתלת-ממד זו מדגימה את ההתקדמות האחרונה לפתרונות "מעבדה על שבב" המספקים רזולוציה מספקת ליישומים רבים של מיקרופלואיד מבוסס תאים 16,17. יתרה מזאת, מומחים צופים כי ייצור תוספי צפוי להפוך לשיטה מובילה לייצור מיקרו-מכשירים ככל שההתקדמות בטכנולוגיית המדפסות ובחומרים נמשכת. יתרון מרכזי בגישה שלנו הוא שהנגישות אינה באה על חשבון הביצועים. בהתאם למחקרים קודמים שהראו אסטרטגיות ייצור מיקרופלואידיות בעלות נמוכה18,19, מדפסות זולות אלו מייצרות תכונות מכשירים הדומות למערכות תעשייתיות מסחריות רבות מבחינת אמינות ודיוק7. כך חוקרים יכולים לאמץ שיטה זו בביטחון שהיא תענה על דרישות הדיוק של רוב היישומים. פלטפורמה זו ניתנת להתאמה לצרכים מגוונים, החל מאוטומציה של הוספה/הסרה של מגן קריופרוטקט רב-שלבי, ועד סינון תגובות תרופות לטווחי ריכוז שונים ומתן מודולציה כימית מדויקת במודלים של איבר על שבב16. במיוחד, גדלי הרזולוציה המודפסים (כ-100 מיקרון בערוצים) מספיקים לבדיקות ביולוגיות רבות,ומספקים טווח טוב לקני מידה טיפוסיים של אורך תא או חלקיקים. לסיכום, על ידי הפחתת זמן הייצור, העלות ודרישות המומחיות, פלטפורמת מיקרופלואידיק מודפסת תלת-ממד זו מאפשרת לחוקרים לבצע אבטיפוס ויישום פתרונות מיקרופלואידיים מותאמים ביעילות. בעוד שלבי עיבוד ידניים כמו ליטוש משטחים ואיטום דבק עדיין נדרשים, זרימת העבודה הכוללת נשארת נגישה וחוסכת זמן בהשוואה לשיטות מיקרו-ייצור מסורתיות.

הגישה מוגבלת. התחברו או התחילו תקופת ניסיון כדי לצפות בתוכן זה.

פרוטוקול

$$\rightleftharpoonup{xx}$$ $$\longleftharp{xx}$$, $$\longrightharp{xx}$$,

1. עיצוב סלייד המיקס המיקרופלואידי

  1. באמצעות תוכנת CAD מתאימה (למשל, AutoCAD 3D או TinkerCAD, AutoDesk, Inc), תעצב מיקרו-ערוץ סרפנטיני עם כניסות דו-ערוציות וצומת בצורת מיקס בצורת Y, ואחריו מסלול שיקל על ערבוב יעיל ויספק אורך ערוץ מספק לדיפוזיה. משלב את רכיבי הערוץ לאזור אחד.
  2. צור סלייד מלבני (85 מ"מ x 28 מ"מ x 3 מ"מ) שישמש כמצע הבסיס. לאחר מכן, מחסר את המיקרו-ערוץ הסרפנטיני שתוכנן מראש מהמשטח העליון של המחסנית ליצירת מבנה תעלה פתוחה עם עומק ורוחב מתאימים.
  3. צור כל פורט מחבר עם הברגה (1/4"-28 UNF) עבור צינור OD בגודל 1/16" כתכונה נפרדת וממזג אותו עם גוף הסלייד, כדי להבטיח שההברגה הפנימית של UNF תואמת בדיוק לחיבורים.

2. הכנת העיצוב להדפסה

  1. כדי להתכונן לתהליך ההדפסה התלת-ממדית, ייבא את קבצי STL של מכלול סלייד מיקרופלואידי שתוכנן לתוכנת חיתוך בקוד פתוח, כגון CHITUBOX Basic v2.3.1 (שנג'ן CBD Technology Co. Ltd, סין).
  2. טען הגדרות הגדרות מוגדרות מראש למדפסת ופרופילי שרף (Phrozen_Sonic_Mini_8K_Power_Resin_SG_00.cfgx) בתוכנת החיתוך. ייבא את קובץ ההגדרות המלא של המדפסת והשרף ממאגר GitHub המצורף באמצעות: Slice Settings > Import Settings.
    הערה: מדריך מלא להדפסת שרף בתלת-ממד אינו בתחום העבודה הזו; עם זאת, רוב יצרני מדפסות התלת-ממד מספקים מדריכים כיצד לכוון הגדרות שרף ולמיקום הדפסות להצלחה, כלומר https://phrozen3d.com/blogs/tutorials/resin-print-failures.
  3. כוון את כיוון הדגם לכ-45-50° ביחס ללוח הבנייה (46.67° משמש כאן), כדי לקבל את תוצאות ההדפסה הטובות ביותר. מיקום זה מונע בעיות יניקה במהלך ההדפסה ושומר על תעלות וחורים קטנים נקיים.
    הערה: לאחר ייבוא סלייד המיקס STL, הסלייד מונח שטוח על משטח ההדפסה. כיוון הסלייד חייב להיות מסובב כדי לאפשר לשרף להתנקז ולמזער את הסיכון להבדלי לחץ שיכולים להיגרם מיצירת תכונות חלולות על משטח שטוח.
  4. הוסף את התמיכה המבנית לסלייד באמצעות תכונת התמיכה האוטומטית בתוכנת החיתוך. ודא שהערוץ פונה הרחק מראש ההדפסה הנראה בחלון הראשי של Chitubox. לאחר מכן, הגדילו את המרחק בין הסלייד ללוח ההדפסה ל-5 מ"מ באמצעות כפתור התרגום והתפריט שנמצאים בצד שמאל של המסך הראשי של Chitubox. פער זה יאפשר מבני תמיכה ורפסודה לתמיכה לחלק המשודר.
  5. לאחר מכן, מוסיפים את התמיכות הנוספות ידנית, מגדילים את צפיפות חלקי התמיכה בנקודה הקרובה ביותר לראש ההדפסה ומוסיפים תמיכות משני צידי הסלייד כדי להבטיח שהחלק יישאר במצב סטטי בזמן שהוא מורם דרך השרף הצמיגי.
  6. בדוק בקפידה את התמיכות שנוצרו אוטומטית והוסף תמיכות נוספות ידנית לפי הצורך כדי לשפר את היציבות, במיוחד סביב תכונות מורכבות כמו קצוות וערוצים.
  7. חתך את הדגם ובחן בקפידה כל שכבה, וודא שאין רווחים נראים לעין בין הפרסות.
  8. לחץ על כפתור זיהוי האי דרך: Slice > Island Detection כדי למצוא אזורים לא נתמכים שיכולים לגרום לשגיאות הדפסה. אם מזוהים אזורים מבודדים, יש לחזור על תהליך החיתוך.
  9. לאחר שהמודל עובר את בדיקת האי ללא אזורים מבודדים, שמרו את קובץ הדגם המוכן כקובץ ".ctb" על כונן USB, כדי להכין אותו להדפסה תלת-ממדית.
    הערה: הגדרות השרף יובאו לפי המלצת היצרן ונבדקו באמצעות דגם XP Finder שסופק על ידי היצרן וניתן למצוא אותן ב-https://phrozen3d.com/pages/phrozens-xp-finder-and-rp-tester-test-model-download-and-tutorials. מכיוון שההגדרות יכולות להשתנות בהתאם לתנאי המעבדה הסביבתיים ובין המדפסות, חשוב לבדוק הגדרות אלו ובמקרים מסוימים לבצע התאמות כדי להתחשב בתנאים התוך-מעבדתיים. קובץ הגדרות מלא למדפסת ולשרף נמצא במאגר GitHub שמלווה את הטקסט הזה, יחד עם כל הקוד וכל קובץ .stl שהוזכר. יש לשים לב שהתכווצות ועיוות יכולים להתרחש גם במהלך ההדפסה. ניתן להאזין לכך במידה מסוימת על ידי התאמת הגדרות השרף, זווית ההדפסה ופיזור עמודי התמיכה כדי להתאים לתנאי הסביבה של המעבדה. יש לשים לב ששקיפות הסלייד מושפעת מאוד מהזווית שבה השכבות נוצרות; עם זאת, מאחר ששקופית זו משמשת רק למיקס, לא להדמיה, הדבר היה רק דאגה להבטחת בהירות מספקת לצבעוני המיקס. זה הושג על ידי הבטחת שהתחתית של הסלייד תהיה בין 20 ל-60 מעלות יחסית ללוח ראש ההדפסה. במקרה זה השתמשו בזווית של 46.67 מעלות, שכן זווית זו סיפקה בהירות אופטית גבוהה המבוססת על יישור השכבות, אך גם לא הייתה תלולה מדי כדי לגרום לתכונות לא נתמכות במהלך תהליך ההדפסה, כפי שנעשה באמצעות כפתור בדיקת האיים ב-Chitubox שניתן למצוא במסך החיתוך שמופיע לאחר לחיצה על כפתור החיתוך .

3. הדפסה ועיבוד לאחר מכן

  1. בחר את קובץ .ctb המתאים למכלול הסלייד והמחבר המיקרופלואידי והתחל את עבודת ההדפסה.
    אזהרה: בעוד שמדפסות תלת-ממד מבוססות שרף מיועדות לשימוש בסביבות ביתיות, חומרי שרף עלולים לפלוט תרכובות אורגניות נדיפות (VOCs) שעלולות להיות מסוכנות. לכן, מומלץ להפעיל את מדפסת התלת-ממד בתוך מכסה אדים כימי, או באזור עם אוורור מתאים.
  2. עקוב אחרי תהליך ההדפסה מדי פעם. הדפסה טיפוסית של עיצוב זה אורכת כ-3-4 שעות, בהתאם לתכונות השרף ולמהירות המדפסת.
  3. לאחר ההדפסה, הסר בזהירות את המכשיר המודפס מלוח הבנייה באמצעות מגרדת פלסטיק ומרסס מיד את הדגם המודפס ב-90% אתנול כדי להסיר שרף לא מעובד.
    אזהרה: שרף לא מעובד עלול לגרום לכוויות כימיות חמורות. ודאו שלבוש ציוד מגן אישי (PPE) מתאים, כולל כפפות, חלוק מעבדה ומשקפי מגן, בזמן הטיפול במכשירים עד להתקשות וניקוי מלא. אתנול המשמש לשטיפת דגימות מודפסות צריך להיות מטופל באזור מאוורר היטב. ודא שלבוש ציוד מגן אישי, כולל כפפות והגנה על העיניים.
  4. בעוד שההדפסה עדיין רכה, ודאו שכל החורים הקטנים, התעלות והאזורים המושחלים נקיים ונגישים. במידת הצורך, השתמש בכלים קטנים בעדינות, כמו קצה פיפטה או מחט דקה, כדי לפנות אזורים חסומים או חסומים חלקית. השתמש באוויר דחוס או במזרק מלא באתנול כדי לשטוף תעלות ולאשר את הפטנטיות.
  5. טבלו לחלוטין את הדגם המודפס ב-99% אתנול למשך 2-3 דקות, תוך פירוק שאריות שרף לא מפותח והבטח ניקוי יסודי של כל התעלות והחריצים.
  6. הניחו את ההדפסה הנקייה בתא ייבוש UV. חשפו כל צד של הסלייד המודפס באופן שווה לאור UV למשך כ-30 שניות לכל צד. חשיפה אחידה מונעת עיוות ומבטיחה יציבות ממדית.
    זהירות: תמיד יש ללבוש משקפי בטיחות מגן UV במהלך הליכי ריפוי UV כדי למנוע נזק לעיניים.
    הערה: קופסת הייבוש מכילה מנורה בעוצמה גבוהה של 405 ננומטר. מכיוון שהחלק שקוף ברובו והמנורה מוחזקת 10 ס"מ מעל החלק, תהליך ההתקשות מתרחש במהירות. ניסויים במשכי חשיפה שונים של מנורות הראו כי 6 שניות של זמן מנורה, ואחריהן 3 שניות עם החלק מסובב, הם יעילים. היצרן ממליץ להקשות עם תחנת ריפוי רפואית שנקבעה ל-30 דקות ודקות ריקות, בהתאמה.
  7. לאחר הקיבוש, יש לטבול או לשטוף את ההדפס בקצרה באתנול, ואז להכניס אותה לשקית זיפלוק אטומה המכילה אתנול כדי למנוע ייבוש והקשחת שרף באזורים לא מכוונים.
  8. הניחו את השקית האטומה עם אתנול ואת הדגם המיובש במנקה אולטרסוני. Sonicate ל-180 שניות כדי להסיר ביעילות כל שרף לא מעובד או מזהמים.
    הערה: לחילופין, תחנות שטיפה ועיבוד מסחריות זמינות יכולות לשמש לסטנדרטיזציה של העיבוד לאחר המעבדות בין המעבדות.
  9. לאחר הסוניקציה, שטוף היטב את המכשיר המודפס במים מזוקקים.
  10. בצע שלב ניקוי סופי על ידי ריסוס וטבילה מחדש של המכשיר ב-90% אתנול. אם יש צורך, חזור על הניקוי האולטרסולי למשך 180 שניות נוספות כדי להבטיח ניקיון מלא.
  11. לאחר הייבוש, לבריש בזהירות את פני השטח עם נייר זכוכית 440. לאחר קיבוש את המחברים המוברגים שיוכנסו למחסנית הערבוב באותו תהליך, עם ההערה ש-3 מחברים מודפסים, נשטפים ומקושרים בו-זמנית על ידי הצבתם זה לצד זה במדפסת, בקופסת העיבוד ובתוך הזיפלוק המכילים אתנול. שטפו שוב במים מזוקקים ותנו להם להתייבש באוויר או לייבוש בעדינות באוויר דחוס כדי להסיר את שארית המים.
    הערה: תמונות שלב אחר שלב של תהליך ההדפסה מוצגות באיור משלים 1.

4. ליטוש ואיטום המשטח של תעלת המיקרופלואיד

  1. כדי להשיג חלקות לוויזואליזציה ברורה ואיטום טוב, השתמשו באבן זכוכית כדי ללטש את פני השטח של המגלשה המיקרופלואידית.
  2. ראשית, השתמש באבן זכוכית בגודל 2.45 מיקרון (6,000 רשת) (טווח גריט ~1.5-2.3 מיקרון) כדי ללטש את פני השטח העליונים עד שתהיה חלקה באופן אחיד. לאחר מכן לשפר עוד את גימור פני השטח על ידי ליטוש באבן עדינה יותר של 0.92 מיקרון (16,000 רשת) (טווח גריט ~0.76-1.5 מיקרון). זה יבטיח גימור חלק אף יותר (איור משלים 2).
  3. אוטום את המיקרו-ערוץ באמצעות טלאי שקוף, אטום וסרט איטום. ודאו שהסרט מכסה לחלוטין את כל שטח התעלה תוך שמירה על חורי המחבר והיציאות פתוחים (ראו איור 1).
  4. ראשית, מרח את הסרט מצד אחד של המחסנית, ואז לחץ בעדינות אך בנחישות עם אגודל כדי להבטיח הידבקות אחידה ולמנוע בועות אוויר.
  5. השתמש במספריים חדות או בסכין כדי לגזור את הסרט העודף מקצוות הסלייד, כדי להבטיח שהמחבר נחתך בצורה נקייה ונשאר פונקציונלי.
  6. אפו את המחסנית המודבקת בטמפרטורה של 60 מעלות צלזיוס למשך 30 דקות כדי לשפר את חוזק הדבק.
  7. לאחר הקירור, מרח ג'ל דבק סופר כדי לקבע את המחברים לקצה הסלייד. הפעילו לחץ עדין על כל מחבר בזמן שהדבק מתייצב כדי להבטיח יישור נכון, מה שמקל על חיבורי צינורות אמינים לטיפול בנוזלים.
    הערה: תמונה מייצגת של המכשיר המודפס המציגה שקיפות אופטית מספקת מוצגת באיור המשלים 3.

5. הגדרת זרימת נוזלים ובדיקות

  1. טעין את פתרונות הבדיקה הרצויים לשני מזרקים נפרדים (מסומנים מזרק A ומזרק B; איור 1). ליצירת גרדיאנט, השתמשו בשתי תמינות: (i) תמיסה איזוסמוטית המורכבת ממלח מפוזר-זרחן (PBS), ו-(ii) תמיסה היפראוסמוטית המורכבת מ-40% (v/v) דימתיל סולפוקסיד (DMSO) עם 1.2 מיליון נתרן כלוריד (NaCl) המוכן ב-PBS.
    הערה: המכשיר יצר גרדיאנטים ליניאריים של ריכוזים שנעו בין איזו-אוסמוטיים בקירוב (~300 mOsm/kg) לתנאים היפראוסמוטיים קיצוניים (~9,000 mOsm/kg) וחזרה לאיזוטוניים, לאורך מרווחי זמן מוגדרים.
  2. השתמשו במזרקי זכוכית אטומים לגז מדויקים לשליטה מדויקת בזרימת הנוזלים ולוויסות הלחץ. חבר מזרקים למחסנית באמצעות חיבורים 1/4"-28, פרולים וצינור OD PEEK בגודל 1/16".
  3. לאחר חיבור בטוח של מזרקים וצינורות למכשיר המיקרופלואידי, התקן את המזרקים על משאבות מזרק מדויקות מתוכנתות.
  4. חבר את שתי משאבות המזרקים (משאבה A ומשאבה B) זו לזו באמצעות כבל הרשת שסופק, כדי להבטיח פעולה מסונכרנת.
  5. חבר את משאבה A למחשב עם כבל RS232 שמחובר ליציאת הסיריאלית של המחשב.
  6. הגדר את משאבה C במורד הזרם של המכשיר המיקרופלואידי במצב משיכה כדי לשמור על זרימה יציבה ולמנוע הצטברות לחץ.
  7. הרץ את הסקריפט מבוסס פייתון כדי לשלוט בדיוק בזרימת הנוזלים ממשאבות מזרק. הוא ינהל את משאבה A ו-B ליצור גרדיאנט אוסמוטי ליניארי מתנאי איזו לתנאי היפר-אוסמוטיקה, ואחריו חזרה לתנאים איזו-אוסמוטיים לאורך מרווחי זמן מוגדרים על ידי המשתמש.
  8. כוון פרמטרים ניסיוניים כמו קצב זרימה, מרווחי גרדיאנט וזמן ריצה כולל בתוכנת פייתון כדי להתאים תנאי ניסוי לדרישות בדיקה ספציפיות.

הגישה מוגבלת. התחברו או התחילו תקופת ניסיון כדי לצפות בתוכן זה.

תוצאות

$$\rightleftharpoonup{xx}$$ $$\longleftharp{xx}$$, $$\longrightharp{xx}$$,

איור 1 ממחיש את ההגדרה הכוללת של המכשיר שלנו

figure-results-1
איור 1: הגדרת מערכת.משמאל לימין, תוכנת בקרה מבוססת פייתון מאפשרת יצירת עקומות מדויקות של זמן מול ריכוז על ידי שינוי קצבי השאיבה של משאבות המזרקים A ו-B. הנוזל זורם ממזרקי זכוכית דרך צינור פוליאתר קטון (PEEK) לערבוב במיקסר מיקרופלואידי מודפס בתלת-ממד. עקומות...

הגישה מוגבלת. התחברו או התחילו תקופת ניסיון כדי לצפות בתוכן זה.

דיון

$$\rightleftharpoonup{xx}$$ $$\longleftharp{xx}$$, $$\longrightharp{xx}$$,

תאי ערבוב מיקרופלואידיים הם בדרך כלל רכיבים יקרים המיוצרים עם תצורות מוגדרות מראש. כתב יד זה מדגים כיצד אבטיפוס מהיר וקוד מותאם אישית מאפשרים למעבדות לפתח במהירות תאי ערבוב, ומאפשרים מגוון רחב של מערכות ניסוי.

אנו מאמתים ערבוב מלא באמצעות ניתוח קולורימטרי ואוסמומטריה. המדידות האוסמוטיות הושוו לערכים תיאורטיים מחושבים המבוססים על ריכוז התערובת. ניתוח קולורימטרי ואוסומומטריה תומכים בשקופית זו כמו גם סלייד מסחרי במיקסינג. עלות החומר של מחסנית זו נמוכה פי שניים מז...

הגישה מוגבלת. התחברו או התחילו תקופת ניסיון כדי לצפות בתוכן זה.

גילויים

$$\rightleftharpoonup{xx}$$ $$\longleftharp{xx}$$, $$\longrightharp{xx}$$,

למחברים אין מה לחשוף.

תודות

$$\rightleftharpoonup{xx}$$ $$\longleftharp{xx}$$, $$\longrightharp{xx}$$,

עבודה זו מומנה על ידי המועצה הלאומית למחקר מדעי והנדסי (RGPIN-2023-04007) והמכון הקנדי למחקר בריאות (PJT-175283).

הגישה מוגבלת. התחברו או התחילו תקופת ניסיון כדי לצפות בתוכן זה.

חומרים

רשימת החומרים שנעשה בהם שימוש במאמר זה
שםחברהמספר קטלוגהערות
1/16" OD PEEK צינורות קפילריים & ndash; 65 ומיקרו; קוטר פנימי mIDEX בריאות ומדע, ארה"בSKU: ID-15601.5 מטר, נחתך לחלקים קטנים יותר. נרכש מ-Darwin Microfluidics
מדפסת תלת-ממד עם אור ריפוי שרף UV ו-ndash; 230 וולט, 405 ננומטרסקופי, סיןמשמש כתחנת ייבוש לאחר השימוש, על ידי הנחתו בקופסת סטיראפום לבנה עם חלק שרף ל-~6 שניות
3 מזרקי זכוכית 1/4-28 של UNF Gastight – 5 מ"להמילטון, ארה"בSKU: HM-10103664חיבור 1/4-28 מאפשר חיבור ל-1/16" צינור הצצה. נרכש מ-Darwin Microfluidics
דימתיל סולפוקסיד (DMSO), ACS מוסמךפישר סיינטיפיק, ארה"בCat.No: D128-1נרכש מ-Fisher Scientific
תקן כיול ELITechGroup, 850 MOSM/KELITechGroup, ארה"בVCAT: SS-277, קטגוריה. לא: NC1876875נרכש מ-Fisher Scientific
תקן כיול ELITechGroup, 300 MOSM/KELITechGroup, ארה"בVCAT: SS-276, קטולוגיה. לא: NC1876872נרכש מ-Fisher Scientific
פלנג'לס PFA אביזרים וציוד ETFE Ferrules 1/4"-28 עד 1/16"  IDEX בריאות ומדע, ארה"בה-SKU: ID-XP-245Xחבילת 10, נרכש מ-Darwin Microfluidics
צבעי מאכלבית המועדון, קנדה
פריזפוינט 6000P אוסמומטר נקודת קיפאוןELITechGroup, ארה"בדגם: 6000P
כלי המדידה של נקודת הקפאהELITechGroup, ארה"בVCAT: SS-279, קטגוריה. לא: NC1876881נרכש מ-Fisher Scientific
Gorilla Super Glue Gel חברת הדבק גורילה, ארה"בhttps://gorillatough.com/product/gorilla-super-glue-gel/
מערבל Herringbone - שבב זכוכיתמפעל ליטל ת'ינגסSKU: LTF-012.00-4264נרכש מ-Darwin Microfluidics
מדיה היפראוסמוטית - 40% DMSO (v/v) עם 1.2 מיליון NaClתוצרת המעבדה
Ibidi &-micro;-Slide VI 0.4 – ibiTreatאיבידי, גרמניהCat.No: 80606
מדיה איזוסמוטית - ציטיבה HyClone פוספט מלוח מלח (PBS)סיטיבה, ארה"בCat.No: SH3025601נרכש מ-Fisher Scientific
סטריאוסקופ מוטימוטיק, הונג קונגמודל:  SMZ-168 TLED
משאבות מזרק NE1000 SyringONEניו אירה פאמפ סיסטמס בע"מ, ארה"בדגם: 1010-USנרכש מ-New Era Pump Systems Inc.
מדפסת תלת-ממד Phrozen Sonic Mini 8k שרףפרוזן טק בע"מ טאיוואן (R.O.C.)פרוזן סוניק מיני 8k
כבל רשת ראשי RS-232 משאבה-למחשבניו אירה פאמפ סיסטמס בע"מ, ארה"בדגם: CBL-PC-PUMP-7 (כבל באורך 7 רגל)ממיר סידורי ל-RS232 עם 9 פינים, נרכש מ-New Era Pump Systems Inc.
כבל רשת משנית משאבה-למשאבהניו אירה פאמפ סיסטמס בע"מ, ארה"בדגם: CBL-NET-7 (כבל באורך 7 רגל)כבל RS232, נרכש מ-New Era Pump Systems Inc.
שרף - PowerResins Sugical Guide שרף 1000 GRPowerResins, 3BFab Inc, Tü RKIYEשופט: PSG-03-C
כבל ממיר RS-232 ל-USBProlific Technology, טייוואן (R.O.C.)דגם: CBL-USB232נרכש מ-New Era Pump Systems Inc.
סרט איטום סלייד - סרט גורילה צלול 1.88" x 9 יארדחברת הדבק גורילה, ארה"ב
נתרן כלוריד (NaCl)EMD Millipore, MilliporeSigma, גרמניהחתול. לא: M1064041000נרכש מ-Fisher Scientific

מקורות

$$\rightleftharpoonup{xx}$$ $$\longleftharp{xx}$$, $$\longrightharp{xx}$$,
  1. Samandari, M., et al. A simple, low cost and reusable microfluidic gradient strategy and its application in modeling cancer invasion. Sci Rep. 11 (1), 1-11 (2021).
  2. Sackmann, E. K., Fulton, A. L., Beebe, D. J. The present and future role of microfluidics in biomedical research. Nature. 507 (7491), 181-189 (2014).
  3. Zhao, G., Fu, J. Microfluidics for cryopreservation. Biotechnol Adv. 35 (2), 323-323 (2017).
  4. Sweet, E., et al. 3D microfluidic gradient generator for combination antimicrobial susceptibility testing. Microsyst Nanoeng. 6, 92(2020).
  5. Bhattacharjee, N., Urrios, A., Kang, S., Folch, A. The upcoming 3D-printing revolution in microfluidics. Lab Chip. 16 (10), 1720-1720 (2016).
  6. Nielsen, A. V., Beauchamp, M. J., Nordin, G. P., Woolley, A. T. 3D printed microfluidics. Annu Rev Anal Chem. 13 (1), 45-65 (2020).
  7. Leong, K. M., et al. Democratizing access to microfluidics: rapid prototyping of open microchannels with low-cost LCD 3D printers. ACS Omega. 9 (45), 45537-45544 (2024).
  8. Qiu, J., et al. 3D printing of individualized microfluidic chips with DLP-based printer. Materials. 16 (21), 6984(2023).
  9. Carnero, B., Bao-Varela, C., Gómez-Varela, A. I., Álvarez, E., Flores-Arias, M. T. Microfluidic devices manufacturing with a stereolithographic printer for biological applications. Mater Sci Eng C Mater Biol Appl. 129, 112388-112388 (2021).
  10. Ahmed, I., Sullivan, K., Priye, A. Multi-resin masked stereolithography (MSLA) 3D printing for rapid and inexpensive prototyping of microfluidic chips with integrated functional components. Biosensors (Basel). 12 (8), 652(2022).
  11. Razavi Bazaz, S., et al. 3D printing of inertial microfluidic devices. Sci Rep. 10 (1), 5929(2020).
  12. Naderi, A., Bhattacharjee, N., Folch, A. Digital manufacturing for microfluidics. Annu Rev Biomed Eng. 21, 325-325 (2019).
  13. Duong, L. H., Chen, P. C. Simple and low-cost production of hybrid 3D-printed microfluidic devices. Biomicrofluidics. 13 (2), 024108(2019).
  14. Felton, H., Hughes, R., Diaz-Gaxiola, A. Negligible-cost microfluidic device fabrication using 3D-printed interconnecting channel scaffolds. PLoS One. 16 (2), e0245206(2021).
  15. Lake, J. R., Heyde, K. C., Ruder, W. C. Low-cost feedback-controlled syringe pressure pumps for microfluidics applications. PLoS One. 12 (4), e0175089(2017).
  16. Shafique, H., et al. High-resolution low-cost LCD 3D printing for microfluidics and organ-on-a-chip devices. Lab Chip. 24 (10), 2774-2790 (2024).
  17. Waheed, S., et al. 3D printed microfluidic devices: enablers and barriers. Lab Chip. 16 (11), 1993-2013 (2016).
  18. Liu, J., Hwang, H. H., Wang, P., Whang, G., Chen, S. Direct 3D-printing of cell-laden constructs in microfluidic architectures. Lab Chip. 16 (8), 1430-1438 (2016).
  19. Zhao, L., Wang, X. 3D printed microfluidics for cell biological applications. TrAC Trends Anal Chem. 158, 116864-116864 (2023).
  20. Elliott, J. A. W., Prickett, R. C., Elmoazzen, H. Y., Porter, K. R., McGann, L. E. A multisolute osmotic virial equation for solutions of interest in biology. J Phys Chem B. 111 (7), 1775-1785 (2007).

הגישה מוגבלת. התחברו או התחילו תקופת ניסיון כדי לצפות בתוכן זה.

הדפסות חוזרות והרשאות

בקש הרשאה לשימוש חוזר בטקסט או באיורים של מאמר JoVE זה

בקש הרשאה

תגיות

Python
הסרטון יגיע בקרוב

מאמרים קשורים