מהירות גבוהה Droplet מבוססי משלוח מערכת פסיבי שאיבה מכשירים microfluidic

שאיבה פסיבית דורשת הנחה של טיפה גדולה בפתח היציאה וטיפה קטנה בפתח הכניסה. פעולה זו תגרום להפרש הלחצים הדרוש להנעת הזרימה. טיפות לסירוגין של נוזלים שונים יגרמו לזרימת חבילות של נוזל בערוץ, אשר ייאספו בסופו של דבר בפתח היציאה.

ניתן להשיג קצבי זרימה גבוהים על ידי אספקת טיפות בנפח נמוך בתדר גבוה מספיק כדי להשיג מעטפת נוזל יציבה בכניסה. היי, אני פדרו רטו מהמעבדה של ג'סטין וויליאמס במחלקה להנדסה ביו-רפואית באוניברסיטה של ויסקונסין מדיסין. ואני בריאן מוגן, גם אני מהמעבדה של וויליאמס.

ואני אהרון בוריאר מהמעבדה של פרופסור S, גם היא מהמחלקה להנדסה ביו-במדית ב-W Medicine. היום נדגים לכם הליך לביצוע שאיבה פסיבית (passive pumping) במכשירים מיקרו-פלואידיים. במעבדה שלנו, אנו משתמשים בהליך זה כדי לחקור זרימה בתוך מיקרו-תעלות ולחקור חליפה פלואידית בתוך התעלה עבור יישומים ביולוגיים.

בואו נתחיל. ראשית, באמצעות טכניקת ליתוגרפיה רכה, צרו התקן מיקרופלואידי באמצעות פולימתילסובוקסון. לאחר מכן, גזרו את ההתקן ולאחר מכן הפכו אותו.

הצמידו את התקן ה-PDMS למסלול זכוכית על ידי לחיצה עליו וסחיטה של בועות אוויר שנותרו. חיבור הפיך מאפשר להשתמש במכשיר מספר פעמים. כעת מלאו את ההתקן בנוזל.

אנו משתמשים במים עם צבע מאכל. אם הנוזל אינו חודר לתעלה מעצמו, יש להניח טיפה של נוזל בכניסה ולהשתמש בפיפטה בקצה הנגדי כדי לשאוב את הנוזל דרך התעלה. לאחר מילוי המכשיר בנוזל, הנח טיפה קטנה בכניסה וטיפה גדולה יותר ביציאה.

וודאו שהנוזל זורם על ידי מעקב אחר הטיפה הקטנה בכניסה שמתכווצת בעוד הטיפה ביציאה גדלה. לפני שנמשיך, נסביר את היחסים הבסיסיים של שאיבה פסיבית. הדינמיקה של טיפות נשאבות תלויה במספר גורמים: ממדי התעלה, כולל הגובה והאורך, ובגודל הטיפה המוצבת בכניסה.

כדי לתת לכם מושג טוב יותר לגבי האופן שבו גורמים אלו משפיעים על הזרימה, נציג מספר דוגמאות. נתחיל עם שני תעלות דומות. יש להן את אותו רוחב וגובה, אך אחת ארוכה יותר מהשנייה.

כעת נניח טיפות בגודל זהה בכניסה של כל תעלה. שימו לב כי הטיפה בכניסה לתעלות הקצרות יותר קורסת מהר יותר מהטיפה בתעלות הארוכות יותר. זאת מכיוון שלתעלה ארוכה יותר יש התנגדות זרימה גבוהה יותר והזרימה בתוכה איטית יותר.

כעת, נבחן שני תעלות נוספות בעלות אותו אורך וגובה, אך ברוחב שונה. נניח טיפות זהות בפתח הכניסה של כל תעלה ונצפה בקריסתן. שימו לב כיבתעלה הדקה יותר לוקח זמן רב יותר עד לקריסת הטיפה בפתח הכניסה.

זאת מכיוון שלערוץ הדק יותר יש התנגדות זרימה גבוהה יותר מאשר לערוץ הרחב יותר. לסיום, ניקח שני ערוצים זהים ונניח טיפות בגדלים שונים בכניסה של כל אחד מהם. שימו לב כי לטיפה הגדולה יותר בכניסה לוקח זמן רב יותר לקרוס מאשר לטיפה הקטנה יותר בכניסה.

זאת משום שלטיפה קטנה יותר יש נפח קטן יותר ולחץ פנימי גבוה יותר מאשר לטיפה גדולה יותר. בידיעה שטיפות קטנות עדיפות על טיפות גדולות, ולאחר שצפינו במהירות שבה טיפות קטנות אלו יכולות לקרוס, אנו שואלים את עצמנו כעת כיצד להעביר טיפות מדויקות מבחינה נפחית לכניסה של תעלה באופן שיאפשר לנו לבצע ניסויים ביולוגיים.

באמצעות ערכת ההתחלה למיקרו-דיספנסינג (micro dispensing) של חברת Lee, הרכיבו שסתום אחד או יותר, שכל אחד מהם מורכב משסתום vol, נחיר עם גודל פתח של 0.0100 inches ומתאם לצינור רך. כאן אנו רואים את השסתום המחובר לתיבת הבקרה באמצעות מחברי שסתום הצינור, כפי שביצענו בשלב הקודם. ובנוסף, יש לנו מקור למתח פולס (spike voltage), שהוא החלק המופיע כאן.

לאחר מכן יש לנו את מקור מתח הבקרה, ואחריו את מקור מתח ההחזקה. ולבסוף, בחיבור להארקה כדי להחזיק את השסתומים במקומם בזמן הכוונה אל הכניסה. השתמשו במחזיקים מיניאטוריים של bioscience tools.

אלו מספקים דרך לכיוון מדויק והחזקה של השסתום במיקום מסוים. במהלך הניסוי, השתמש במזרקים של רבע אונקיה כדי ליצור מערכת מיכלים שתמוקם מספר רגליים מעל התקן ה-PDMS. המיכל מספק עומד לחץ להנעת הדיזות.

חברו מחט למזרק. כעת חברו את המחט לצינור עם קוטר פנימי של 1.14 millimeter, ולאחר מכן חברו אותו לצינור עם קוטר פנימי של 1.58 millimeter. השתמשו ב-PDMS כחומר איטום.

כעת חברו את הצינור בעל הקוטר הפנימי 1.58 millimeter למתאם הצינור הרך של השסתום. כעת, כאשר קיים קו מקשר בין מחט המזרק לשסתום, מלאו את מאגרי המזרק בנוזל כדי לנקות את השסתומים ולאפשר למים למלא את הצינור. הניחו מגנט לצד השסתום ועקבו אחר תחילת זרימת הנוזל מהמאגר, דרך השסתום ומחוץ לפיה ברוחב 0.01 inch.

אנו שולטים במערכת זו באמצעות מחשב המשתמש ב-lab view ובתיבת הבקרה spike and hold של חברת Lee Company. כדי לכילול המערכת, כוון שסתום אחד לכלי פטרי או לסירת שמישה (whey boat) לצורך שקילה. כעת פתח את השסתום למשך פרק הזמן שתבחר ושקול את סך נפח המים היוצאים מהנחיר.

חלק נפח זה בזמן הפתיחה הכולל של המערכת. כיול זה מאפשר למשתמש למצוא את נפח המים שנורהים מהנחיר עבור כל פרק זמן נתון. לאחר כיול המערכת, כוון את הנחיר לכניסה של תעלה, ובהתבסס על הכיול הקודם, נורה מהנחיר נפח כך שטיפה תירה לכניסת התעלה, מבלי להיות גדולה מדי כדי לגרום לבלאגן או קטנה מדי כדי שלא תבחין בה.

זכרו להסיר בועות בין הניסויים. כעת, לאחר שהעקרונות הבסיסיים של שאיבה פסיבית הובנו וכיול המערכת הוסבר, בואו נבחן מה המשתמש אמור לראות כאשר התהליך מתבצע כראוי. הסרטון הבא מציג זרימה דרך תעלה מיקרופלואידית, העוברת מנפחים גבוהים בתדרים נמוכים לנפחים נמוכים בתדרים גבוהים.

שלב זה אמור להקנות למשתמש הבנה של יכולות השאיבה לאחור (past pumping) יחד עם מערכת אוטומטית להגשת נוזלים. ממדי ההתקן המשמש בסרטונים הבאים הם 2.22 millimeter רוחב, 10 millimeter אורך ו-260 micrometer גובה. קטרי הכניסה והיציאה הם 1.78 millimeter ו-5.11 millimeter בהתאמה.

נדרשים שני שסתומים או יותר כדי ליצור זרימות לסירוגין כפי שמוצג לעיל. השלב הבא הוא סרטון המציג את קצב הזרימה המקסימלי האפשרי מהמכשיר הנוכחי שבשימוש. במקרה זה, נעשה שימוש בשסתום בודד להזרמת הנוזל.

כדי לשמור על איזון המערכת, חשוב לכוון את השסתום ישירות מהחלק העליון של פתח הכניסה. שימו לב למעטפת שנוצרת מהטיפה בפתח הכניסה. היא מייצגת את הלחץ הקבוע שנשמר על ידי הזרמת מים לפתח הכניסה במהירות המקסימלית שבה המכשיר יכול לשאוב אותם באופן פסיבי.

בנוסף, שימו לב כי בנקודה מסוימת טיפת הכניסה גולשת. הדבר נגרם ככל הנראה כתוצאה מהפרעה לטיפת היציאה. על ידי הסרת הגלישה בפתח הכניסה, המערכת חוזרת לשיווי משקל והזרימה נמשכת.

בדרך כלל, הראינו להדגים לכם כיצד להקים, לכלל ולפעיל מערכת שאיבה פסיבית באמצעות מיקרו-נחירים (micro nozzles) הזמינים מסחרית. בעת ביצוע ניסויים אלו, חשוב תמיד לזכור להשתמש במקור לחץ יציב כדי למנוע חדירת בועות לתעלה, ולהכיר את הפשרות בין גאומטריית התעלה לגודל הטיפה על מנת להשיג את הזרימות וההחלפות הרצויות. לדוגמה, יש למנוע מצב שבו טיפת היציאה תהיה גדולה מדי, שכן הדבר עלול לגרום ללכלוך או להגיע לפתח הכניסה, וכן יש לשמור על התקני ה-PDMS נקיים ויבשים.

זהו זה. תודה שצפיתם ובהצלחה בניסוייכם.