מהירות גבוהה Droplet מבוססי משלוח מערכת פסיבי שאיבה מכשירים microfluidic
2 בספטמבר 2009
מערכת microfluidic הרומן פותחה באמצעות תופעת שאיבה פסיבית נוזל מבוקר המשתמש מערכת המסירה. מערכת זו microfluidic יש פוטנציאל לשמש במגוון רחב של יישומים ביולוגיים נתון, עלות נמוכה שלה וקלות השימוש, דיוק נפחי, מהירות גבוהה, הדירות ואוטומציה.
שאיבה פסיבית דורשת טיפה גדולה המונחת בשקע וקטנה המונחת בכניסה. זה יגרום להפרש הלחץ הדרוש להנעת זרימה. טיפות לסירוגין של נוזלים שונים יגרמו להטסת מנות בתעלה ובסופו של דבר להיאסף ביציאה.
ניתן להשיג קצבי זרימה גבוהים על ידי אספקת טיפות בנפח נמוך בתדר גבוה מספיק כדי להשיג מעטפת נוזל יציבה בכניסה. היי, אני פדרו רטו ממעבדת ג'סטין וויליאמס במחלקה להנדסה ביו-רפואית באוניברסיטת ויסקונסין לרפואה. ואני בריאן מוגן, גם הוא מהמעבדה של וויליאמס.
ואני אהרון בורייר ממעבדת פרופסור ס', גם הוא במחלקה להנדסה ביו-רפואית ב-W Medicine. היום אנו הולכים להראות לכם נוהל לביצוע שאיבה פסיבית במכשירים מיקרופלואידיים. במעבדה שלנו, אנו משתמשים בהליך זה כדי לחקור זרימה בתוך תעלות מיקרו ולחקור חילופי נוזלים בתוך התעלה ליישומים ביולוגיים.
אז בואו נתחיל. ראשית, באמצעות טכניקת הליתוגרפיה הרכה, צור מכשיר מיקרופלואידית באמצעות פולימתיל סובוקסון. לאחר מכן, גזרו את המכשיר ואז הפיך.
חבר את התקן ה-PDMS למגלשת זכוכית על ידי לחיצה עליו על המגלשה וסחיטת בועות אוויר החוצה. חיבור הפיך מאפשר לעשות שימוש חוזר במכשיר מספר פעמים. כעת מלאו את המכשיר בנוזל.
אנו משתמשים במים עם צבעי מאכל. אם הנוזל לא נכנס לתעלה מעצמו, שים טיפת נוזל בכניסה והשתמש בפיפטה בקצה הנגדי כדי למצוץ את הנוזל דרך התעלה. לאחר מילוי המכשיר בנוזל, הניחו טיפה קטנה על הכניסה וטיפה גדולה יותר על השקע.
ודא שהנוזל נע על ידי צפייה בטיפה הקטנה בכניסה קורסת בזמן שירידת היציאה גדלה. לפני שנמשיך הלאה, בואו נסביר את הקשרים הבסיסיים של שאיבה פסיבית. דינמיקה של טיפות שאובות תלויה בכמה דברים, במידות הערוץ עם גובה ואורך, ובגודל הטיפה המונחת בכניסה.
כדי לתת לך מושג טוב יותר על האופן שבו גורמים אלה משפיעים על הזרימה, ניתן כמה דוגמאות. נתחיל בשני ערוצים דומים. יש להם אותו רוחב וגובה, אבל האחד ארוך מהשני.
כעת אנו מניחים טיפות באותו גודל בכניסה של כל ערוץ. ראה כיצד כניסת הערוצים הקצרים יותר מתכווצת מהר יותר מאשר ירידת הערוצים הארוכים יותר. הסיבה לכך היא שלתעלה ארוכה יותר יש התנגדות נוזלית גדולה יותר והזרימה בתוכו איטית יותר.
לאחר מכן, בואו נחקור שני ערוצים נוספים באותו אורך וגובה, אך ברוחב שונה. בואו נניח טיפות זהות בכניסה של כל ערוץ ונראה אותן קורסות. רואים איך לתעלה הדקה יותר לוקח יותר זמן למוטט את ירידת הכניסה?
הסיבה לכך היא שלערוץ הדק יותר יש התנגדות נוזלית גדולה יותר מאשר לתעלה הרחבה יותר. לבסוף, בואו ניקח שני ערוצים זהים ונניח טיפות בגודל שונה בכניסה של כל אחד מהם. שימו לב כיצד לירידת הכניסה הגדולה יותר לוקח זמן רב יותר לקרוס מאשר לירידת הכניסה הקטנה יותר.
הסיבה לכך היא שלטיפה קטנה יותר יש פחות נפח ולחץ פנימי גדול יותר מהגדולה יותר. לדעת שטיפות קטנות יותר טובות יותר מגדולות יותר. ואחרי שראינו כמה מהר הטיפות הקטנות האלה יכולות לקרוס, אנו שואלים את עצמנו כעת כיצד להעביר טיפות מדויקות מבחינה נפחית לכניסה של תעלה באופן כזה שנוכל לבצע ניסויים ביולוגיים.
באמצעות ערכת ההתחלה של מיקרו חלוקה של חברת לי, הרכיבו שסתום אחד או יותר שכל אחד מהם מורכב משסתום הוול, זרבובית בגודל פתח של 0.0100 אינץ' ומתאם צינור רך. אז הנה יש לנו את השסתום המחובר לתיבת הבקרה דרך מחברי שסתום הצינור, מה שעשינו בשלב הקודם. ואז יש לנו מקור מתח ספייק, שהוא השורש הזה כאן.
ואז יש לנו את מקור מתח הבקרה שלנו, ואחריו מקור מתח ההחזקה. ולבסוף, בחיבור לקרקע להחזיק את השסתומים במקומם תוך כדי כיוון לכניסה. השתמש בכלי ביו-מדע, מחזיקים מיניאטוריים.
אלה מספקים דרך לכוון במדויק ולהחזיק את השסתום במיקום מסוים. במהלך הניסוי, באמצעות מזרקים של שלושת רבעי אונקיות, הכינו מערכת מאגר שתוצב כמה מטרים מעל מכשיר ה-PDMS. המאגר מספק ראש לחץ להנעת החרירים.
חבר מחט מזרק למזרק. כעת חבר את מחט המזרק לצינור פנימי של 1.14 מילימטר, ולאחר מכן חבר אותה לצינורות בקוטר פנימי של 1.58 מילימטר. שימוש ב-PDMS כחומר איטום.
כעת חבר את הצינור בקוטר פנימי של 1.58 מילימטר למתאם הצינור הרך של השסתום. כעת, כשיש קו בין מחט המזרק לשסתום, מלאו את מאגרי המזרק בנוזל כדי לטהר את השסתומים ולאפשר למלא את הצינור במים. הנח מגנט לצד השסתום וצפה בנוזל מתחיל לזרום מהמאגר דרך השסתום והחוצה מהזרבובית בגודל 0.01 אינץ'.
אנו שולטים במערכת זו באמצעות מחשב באמצעות תצוגת מעבדה ותיבת הבקרה של חברת לי. כדי לכייל את המערכת, כוון שסתום אחד לצלחת פטרי או לסירת מי גבינה לשקילה. כעת פתח את השסתום לכל פרק זמן שתבחר ושקול את נפח המים הכולל היוצא מהזרבובית.
חלקו אמצעי אחסון זה בזמן הפתיחה הכולל של המערכת. כיול זה מאפשר למשתמש למצוא את נפח המים שנורה מהזרבובית לכל פרק זמן נתון. לאחר כיול המערכת, כוון את הזרבובית לכניסה של תעלה על סמך ירי הכיול הקודם מהזרבובית, נפח כזה שיורה טיפה בכניסה לתעלה מבלי להיות גדול מכדי לגרום לבלגן או קטן מכדי שלא יבחינו בו.
זכור להסיר בועות בין ניסויים. כעת, לאחר שהעקרונות הבסיסיים של שאיבה פסיבית מובנים וכיול המערכת הוסבר, בואו נסתכל מה משתמש צריך לראות אם הדברים הולכים כמו שצריך. הסרטון הבא הוא זרימה דרך תעלה מיקרופלואידית העוברת מנפחים גבוהים יותר בתדרים נמוכים יותר לנפחים נמוכים בתדרים גבוהים.
זה אמור לתת למשתמש הבנה של יכולות השאיבה בעבר יחד עם מערכת אספקה נוזלית אוטומטית. מידות המכשיר המשמשות בסרטונים הבאים הן רוחב 2.22 מילימטר, אורך 10 מילימטר ו-260 מיקרומטר. קוטר הכניסה והיציאה לגובה הוא 1.78 מילימטר ו -5.11 מילימטר בהתאמה.
שני שסתומים או יותר נחוצים כדי ליצור זרימות מתחלפות כפי שמוצג. הבא הוא סרטון המציג את קצב הזרימה המרבי האפשרי מתוך המכשיר הנוכחי בשימוש. שסתום יחיד משמש לאספקת נוזלים במקרה זה.
כדי לשמור על איזון המערכת, חשוב לכוון את השסתום ישירות מהחלק העליון של הכניסה. שימו לב למעטפת שהטיפה יוצרת בכניסה. זה מייצג את הלחץ הקבוע שנשמר על ידי אספקת מים לכניסה במהירות שבה המכשיר יכול לשאוב אותם באופן פסיבי.
כמו כן, שימו לב כיצד ירידת הכניסה עולה על גדותיה בשלב מסוים. סביר להניח שזה נגרם על ידי הפרעה, ירידת היציאה. על ידי הסרת הגלישה בכניסה, המערכת חוזרת לשיווי משקל והזרימה נמשכת.
בדרך כלל, זה עתה הראינו לך כיצד להגדיר, לכייל ולהפעיל מערכת שאיבה פסיבית באמצעות חרירי מיקרו זמינים מסחרית. בעת ביצוע ניסויים אלה חשוב תמיד לזכור שיהיה מקור לחץ קבוע כדי למנוע בועות להיכנס לערוץ שלך, לדעת את הפשרות בין גיאומטריית הערוץ, גודל הטיפה על מנת להשיג את הזרימות והחילופים הרצויים. כדי לא לתת לנפילת השקע להיות גדולה מדי, למשל, זה יעשה בלגן או יגיע לכניסה שלך וכדי לשמור על מכשירי ה-PDMS שלך נקיים ויבשים.
אז זהו. תודה על הצפייה ובהצלחה על הניסויים שלך.
צפו בתמליל המלא וקבלו גישה לאלפי סרטונים מדעיים
סקירה כללית
פותחה מערכת מיקרופלואידיקה חדשנית המשתמשת בשאיבה פסיבית ובמערכת הזרקת נוזלים הנשלטת על ידי המשתמש. מערכת זו תוכננה עבור יישומים ביולוגיים מגוונים הודות לעלותה הנמוכה, להקלות השימוש בה ולדיוקה הגבוה.
מרכיבי מפתח של המחקר
תחום המדע
- מיקרופלואידיקה
- הנדסה ביו-רפואית
- דינמיקה של נוזלים
רקע
- שאיבה פסיבית כוללת יצירת הפרש לחצים באמצעות טיפות.
- טיפות נוזל לסירוגין יכולות ליצור חבילות זרימה (flow packets) במיקרו-ערוצים.
- ניתן להשיג קצבי זרימה גבוהים עם טיפות בנפח נמוך.
- טכנולוגיה זו יכולה לשפר ניסויים וניתוחים ביולוגיים.
מטרת המחקר
- פיתוח מערכת מיקרופלואידיקה חסכונית.
- שיפור דיוק הזרמת הנוזלים ביישומים ביולוגיים.
- אוטומציה של תהליכים לשיפור החזרתיות והמהירות.
שיטות שנעשה בהן שימוש
- תכנון של מערכת מיקרופלואידית המשתמשת בשאיבה פסיבית.
- הטמעה של מנגנון הזרמת נוזלים הנשלט על ידי המשתמש.
- בדיקה של קצבי זרימה עם גדלי טיפות משתנים.
- הערכת ביצועי המערכת בהקשרים ביולוגיים.
תוצאות עיקריות
- המערכת הפגינה דיוק נפחי גבוה.
- סביעות הזרימה השתפרו באופן משמעותי עם העיצוב החדש.
- האוטומציה הובילה לשיפור בחזרתיות של הניסויים.
- המערכת ניתנת להתאמה ליישומים ביולוגיים מגוונים.
מסקנות
- המערכת המיקרופלואידית שפותחה מציעה כלי מבטיח עבור חוקרים.
- עלותה הנמוכה וקלות השימוש בה הופכות אותה לנגישה עבור מעבדות שונות.
- יישומים עתידיים עשויים להתרחב למספר תחומים של מחקר ביולוגי.
שאלות נפוצות
רלוונטיות תעשייתית למסמך סיכום
מערכת מיקרופלואידיקה מבוססת טיפות זו מאפשרת אספקת נוזלים מדויקת בתדר גבוה ליישומים ביולוגיים, על ידי שילוב של שאיבה פסיבית עם יצירת טיפות אוטומטית. היא תומכת במינון רהיטים הדיר ובהחלפת נוזלים דינמית במיקרו-תעלות, ובכך נותנת מענה לאתגרים מרכזיים בפיתוח בדיקות ובתהליכי תיקוף מטרות. הטכנולוגיה משפרת את רמת הביטחון החזויה בשלבי הגילוי המוקדמים על ידי אספקת דינמיקה נשלטת של נוזלים למחקרי אינטראקציה בין תרופות לתאים ולסריקה מכניסטית.
יישומים אסטרטגיים במחקר ופיתוח בביופארמה
גילוי מוקדם ותיקוף מטרה
- ערך מדעי: מאפשר בדיקה של היפותזות טיפוליות באמצעות חלפת נוזלים מבוקרת וערבוב מתווך טיפות בכניסות מיקרופלואידיות.
- ערך תפעולי: מספק הגשה מדויקת של טיפות מבחינת נפח באמצעות שסתומים מבוקרי מתח, התומכת במינון הדירסומי של תרכובות בבדיקות מיקרופלואידיות.
- ערך ניבוי: מאפשר חלפת נוזלים דינמית בערוצים במהירות של עד שמונה מילישניות, מה שמאפשר הפרעה וקריאה מהירות במחקרי מעורבות מטרה.
סריקה ופיתוח בדיקות (Assay)
- ערך מדעי: תומך בהכנת מעטפות נוזליות יציבות בכניסות הערוץ באמצעות הזרקת טיפות בתדר גבוה, מה שמאפשר תנאי בסיס עקביים לסריקה.
- ערך תפעולי: משיג קצבי זרימה של עד 4 mL/min בערוצים של 2.2mm x 260µm, מה שמאפשר החלפת נוזלים וחידוש ריאגנטים בתפוקה גבוהה בפורמטים של מיקרופלואידיקה.
- יכולת הרחבה: משתמש במיקרו-נחירים ובמערכות בקרה זמינות מסחרית, מה שמאפשר שימוש חוזר בפלטפורמה עבור תכנוני התקני מיקרופלואידיקה מרובים.
מחקר תרגומי ופרה-קליני
- רציפות תרגומית: מאפשר מחקרי תרופה-תאים על ידי בקרת מאפייני זרימה וערבוב מונע-מומנטום בכניסות מיקרופלואידיות, דבר הרלוונטי למידול פרמקוקינטיקה ופרמקודינמיקה.
- הפחתת סיכונים מכניסטית: מאפשר לבחון את השפע ההדדי בין מומנטום טיפות למתיחות פנימית, ובכך מספק תובנה לגבי התנהגות פלואידית המשפיעה על מסירת ריאגנטים ותגובה תאית.
- ביטחון ניבוי: מציע מערכת רלוונטית למחלה לבדיקת תהליכים ביולוגיים המתווכים על ידי נוזלים תחת תנאים הידרודינמיים מבוקרים.
שילוב תהליכי עבודה ומסלולי עיבוד
המערכת משתלבת בתהליכי עבודה של גילוי מוקדם על ידי אפשור מניפולציה מדויקת של נוזלים לצורך תיקוף מטרות והכנה של בדיקות, ובכך מגשרת בין הזרקה מבוססת טיפות לבין שאיבה פסיבית להפעלה מיקרופלואידית רציפה.
- ביולוגיה של הגילוי: תומכת בבדיקת היפותזות באמצעות אספקת טיפות מבוקרת והחלפת נוזלים, מה שמאפשר לחוקרים לבחון דינמיקה של יעדים תחת תנאי זרימה מוגדרים.
- סריקה: מאפשרת מוכנות של המערך באמצעות יצירת מעטפת נוזלים יציבה בכניסות (inlets) באמצעות אספקת טיפות בתדר גבוה, ובכך משפרת את ההדירות בסריקת תרכובות.
- אנליטיקה: מספקת מדידות כמותיות של החלפת נוזלים (למשל, זמן החלפה של 8 ms) המסייעות לצוותים להשוות בין תנאים ולהעריך תגובות קינטיות בפורמטים מיקרופלואידיים.
- מחקר תרגומי: מקשרת לרציפות פרה-קלינית על ידי אפשרות לביצוע מחקרי תרופה-תא תחת זרימה מבוקרת, הרלוונטיים למידול דינמיקה של נוזלים הדומה לתנאים in vivo.
- שימוש חוזר ארגוני: מנצלת התקן מיקרופלואידי הניתן לשימוש חוזר עם חיבור PDMS-glass הפיך, התומך בשימוש חוזר במספר ניסויים וצוותים.
השפעה תפעולית וארגונית
- ערך מדעי: מפחית עמימות מכניסטית בתגובות ביולוגיות המונעות על ידי נוזלים, על ידי מתן אפשרות לבקרה מדויקת על תנע טיפות ועל השיווי המשקלי של מתח פנים.
- ערך תפעולי: מבטיח סטנדרטיזציה והדירות באמצעות הזראת טיפות מכוילת ונשלטת במתח, והצמדה הפיכה של המכשיר.
- ערך אסטרטגי: משפר קבלת החלטות של go/no-go על ידי אספקת קינטיקה אמינה של חילוף נוזלים ויכולות ערבוב להערכה ביולוגית בשלבים מוקדמים.
- השפעה על הפורטפוליו: תומך בתיעדוף מותאם סיכונים באמצעות פלטים כמותיים של דינמיקת נוזלים, המנחים את תכנון הבדיקה ואת רמת הביטחון בתיקוף המטרה.
שיקולי יישום
- נדרשת מומחיות בייצור התקני מיקרופלואידיקה, בעקרונות של שאיבה פסיבית ובמערכות להגשת נוזלים הנשלטות על ידי מתח חשמלי.
- נדרש מיכשור הכולל שסתומי מיקרו-דיספנסינג (micro-dispensing), תיבות בקרה (spike/hold), מאגרי לחץ ומיקרוסקופ לצפייה בזרימה.
- נדרש סטנדרטיזציה בין-צוותית של כיול נפח טיפה, מיקום פיית ההזרקה והגדרת המאגר כדי להבטיח ביצועים עקביים.
- כולל שיקולי התאמה עבור גאומטריות שונות של תעלות, צמיגויות נוזלים וזוויות טיפה כדי למנוע גלישה בכניסה או מעטפות זרימה לא יציבות.
- כולל מגבלות מעשיות כגון סיכון ליצירת בועות אם ראש הלחץ אינו יציב, והצורך לנהל את גודל הטיפה ביציאה כדי למנוע זרימה חוזרת או הפרעה בכניסה.
