Microfluidic מבוססי הידרודינמית מלכודת חלקיקים יחיד
21 בינואר 2011
במאמר זה, אנו מציגים שיטה microfluidic מבוסס על הכליאה החלקיקים מבוסס על זרימה הידרודינמית. אנו מדגימים לכידה חלקיק יציב בנקודה נוזל הקיפאון באמצעות מנגנון בקרה ומשוב, ובכך מאפשרים כליאה ו המיקרומניפולציה של חלקיקים שרירותי microdevice משולבת.
המטרה הכוללת של שיטה זו היא להגביל ולתפעל חלקיקים בודדים בקנה מידה מיקרו וננומטרי באמצעות זרימה למינרית במכשיר מיקרופלואידי. המלכודת ההידרודינמית מורכבת ממכשיר מיקרופלואידי עם גיאומטריית ערוץ חריץ צולב, מה שמוליד זרימת נקודת קיפאון בצומת המיקרו-ערוצים. שסתום על השבב הממוקם באחת מתעלות היציאה משמש לשליטה פעילה בזרימת הנוזלים וללכידת חלקיקים.
חלקיקים מוגבלים בנקודת הגדרה המוגדרת על ידי המשתמש על ידי שליטה פעילה במיקום נקודת הקיפאון. בקר משוב משמש למעקב אחר מיקום החלקיקים ולוויסות השסתום על-השבב כדי לשמור על מיקום החלקיקים בנקודת ההגדרה. באמצעות המלכודת ההידרודינמית, חלקיקים בודדים נלכדים בתמיסות חלקיקים מדוללות או מרוכזות וניתן לצלם אותם באמצעות מיקרוסקופ פלואורסצנטי או שדה בהיר.
חלקיק בודד עשוי להיות מוגבל למיקרון אחד ממרכז המלכודת כפי שמוצג במסלול החלקיקים ובהיסטוגרמה של תזוזה של חלקיקים ממרכז המלכודת. היי, אני אריק ג'ונסון ריו מהמעבדה של פרופסור צ'ארלס שרואר במחלקה להנדסה כימית וביו-מולקולרית, והמרכז לביופיזיקה וביולוגיה חישובית כאן באוניברסיטת אילינוי. היי, שמי ארי, חוקר פוסט-דוקטורט במעבדת שרודר.
היי, אני שריל שרודר, והיום אנחנו הולכים להראות לכם איך לייצר וליישם מכשיר מיקרופלואידי ללכידה הידרודינמית של חלקיקים בודדים. היתרון העיקרי של טכניקה זו על פני שיטות קיימות כגון מלכודות אופטיות או אלקטרו-קינטיות הוא שלכידה הידרודינמית מושגת על ידי הפעולה היחידה של זרימת נוזלים, ובכך מבטלת ארבעה שדות פוטנציאליים ללכידת ננו-חלקיקים או תאים. לטכניקה זו יש פוטנציאל לשנות את המדע הבסיסי והיישומי על ידי מתן אפשרות ללכידה חופשית של חלקיקים בקנה מידה מיקרו וננומטרי ללא דרישות לגבי התכונות הכימיות או הפיזיקליות של החלקיק הכלוא.
אז בואו נתחיל. על מנת להקל על קילוף ההעתקים משמונה תבניות SU, יש למקם את פני השטח של שמונה תבניות SU על ידי הנחת הוופלים בחומר ייבוש תחת ואקום למשך 10 דקות עם צלחת זכוכית המכילה כמה טיפות של טרי כלורו סלין באמצעות PDMS מעורב ו-DGAs לשכבות הנוזל והבקרה. סובבו את תערובת ה-PDMS של 15 ל-1 על תבנית השכבה הנוזלית למשך 30 שניות ב-750 סל"ד, ולאחר מכן הניחו את הוופל בצלחת פטרי.
באופן דומה, מניחים את תבנית שכבת הבקרה לתוך צלחת פטרי ויוצקים תערובת PDMS של חמישה עד אחד על התבנית לעובי של ארבעה מילימטרים. כדי לרפא חלקית את שכבות ה-PDMS, אופים את הפרוסות חותכות PDM למשך 30 דקות ב-70 מעלות צלזיוס ומניחים להם להתקרר לטמפרטורת החדר. חותכים את העתק ה-PDMS עם האזמל ומקלפים אותו מתבנית ה-SU 8.
לאחר מכן, בעזרת המחט בקוטר 21, נקב חור ב-PDMS כיציאת גישה למיקרו-ערוץ שישמש כשסתום הממברנה על השבב. הנח את העתק ה-PDMS עם שכבת בקרה על הפרוסה עם שכבת הנוזל PDMS המצופה בספין. יישר בזהירות ואטום את שכבת הבקרה לשכבת הנוזל באמצעות מיקרוסקופ סטריאו.
הקפידו להסיר את כל כיסי האוויר בין השכבות ולאפות בחום של 70 מעלות צלזיוס למשך הלילה כדי לרפא לחלוטין את שתי השכבות ללוח PDMS מונוליטי עם שתי שכבות לאחר קירור לטמפרטורת החדר, השתמשו באזמל כדי לחתוך ולקלף את העתק ה-PDMS מתבנית SU 8 והשתמשו בסכין גילוח כדי להסיר עודפי PDMS ולהפריד כל יחידת מכשיר. עכשיו כל האגרוף יוצא לתעלות המיקרו בשכבה הנוזלית עם מחט בגודל 21. נקה תלוש כיסוי עם אצטון IPA וייבש עם חנקן.
טפל גם בהחלקת הכיסוי וגם במשטחי העתק ה-PDMS עם פלזמת חמצן מתחת ל-500 מיליטור למשך 30 שניות. ואז הביאו מיד את שני המשטחים למגע ליצירת אטימה בלתי הפיכה. לבסוף, אופים את המכשירים למשך הלילה כדי להגביר את ההדבקה בין שכבות ה-PDMS להחלקת הכיסוי.
ראשית, הנח את המכשיר המיקרופלואידי על הבמה של מיקרוסקופ הפוך ואבטח אותו עם מהדקי במה. לאחר מכן כדי לספק את הפתרונות למכשיר המיקרופלואידי, מלאו מזרק אטום של מיליליטר אחד ו-250 מיקרוליטר בתמיסות חיץ ודגימה בהתאמה. השתמש בשסתום T בין מזרק הדגימה ליציאת הדגימה במכשיר המיקרופלואידי כדי לשלוט באספקת הדגימה.
כעת קבע את החיבורים הנוזליים בין המזרקים למכשיר המיקרופלואידי, באמצעות צינורות חמצן פלואורו, מתאמי נעילת פיתוי וצינורות מתכת בגודל 24. לאחר מכן קבע את החיבורים הנוזליים לתעלות היציאה במכשיר המיקרופלואידי עם צינורות PFA וצינורות מתכת בגודל 24. כדי לשמור על ירידת לחץ קבועה בין המזרקים לתעלות היציאה, צינורות ה-PFA לשקעים צריכים להיות באורך שווה ושניהם שקועים בצינור צנטריפוגה של 1.5 מיליליטר מלא בתמיסת חיץ.
מלאו את השסתום על השבב בשמן נשא מופלר באמצעות מזרק פלסטיק עם נעילת פיתוי של שלושה מיליליטר כדי למנוע דליפת אוויר לשכבת הנוזל במהלך הפעולה. דחוף את האוויר בתא השסתום דרך קרום ה-PDMS לתוך המיקרו-ערוץ. בשכבה הנוזלית.
להפעלת שסתום על השבב. חבר אספקת גז אינרטי בלחץ ליציאה בשכבת הבקרה. שטפו את החיבורים הנוזליים ואת המכשיר המיקרופלואידי עם 0.5 מיליליטר של תמיסת חיץ כדי להבטיח שכל בועות האוויר יוסרו מהמערכת, כולל תעלות היציאה.
קצבי זרימה אופייניים המשמשים לפינוי בועות נעים בין 2000 ל-5,000 מיקרוליטר לשעה לאחר שטיפת בועות האוויר מהתעלות המיקרופלואידיות, מפחיתים את קצב הזרימה ל-50 עד 100 מיקרוליטר לשעה, שהוא קצב זרימה נפחי אופייני ללכידת חלקיקים. כעת החלף את שסתום ה-T כדי לאפשר לדגימה לזרום לתוך המכשיר המיקרו-נוזלי. הפעל את קוד תצוגת המעבדה שנבנה בהתאמה אישית אשר הופך את לכידת החלקיקים לאוטומטית על ידי יישום אלגוריתם בקרת משוב ליניארי.
הקוד לוכד תמונות ממצלמת CCD ומעביר פוטנציאל חשמלי לווסת לחץ המווסת באופן פעיל את המיקום של שסתום פנאומטי על השבב. באמצעות שלב התרגום XY של המיקרוסקופ, מקם את אזור ההשמנה במרכז תצוגת המצלמה. הבא את אזור ההשמנה למיקוד עדשת האובייקט והתאם את הגדרות המצלמה כדי לייעל את תנאי ההדמיה.
בחר אזור מלבני מעניין בשדה הראייה של המצלמה כך שמרכז ההחזר על ההשקעה יהיה המיקום של מרכז ההלכדה. כעת אתחל את לחץ הקיזוז המופעל על שסתום השבב. היצרות ברוחב 100 עד 200 מיקרון הממוקמת בתעלת היציאה הנגדית.
מספק לחץ קיזוז להפעלת שסתום השבב. הפעל את בקר המשוב והתאם את ההגבר הפרופורציונלי כדי לייעל את תגובת המלכודת. בהתאם לקצב הזרימה ולמיקום השסתום על השבב, קיים ערך רווח פרופורציונלי אופטימלי, המגביר את יציבות המלכודת ומבטל תנודות חלקיקים לא רצויות.
קוד תצוגת המעבדה ישמין אוטומטית את אחד החלקיקים הנכנסים לאזור ההשמנה. בסרטון זה תנועת חלקיקים בכיוון הזרימה מתעוררת מכיוון שזרם כניסת הדגימה נותר פתוח כדי למקסם את אטימות המלכודת של הכליאה בכיוון הזרימה. המשתמש יכול לסגור את זרם הדגימה במהלך הלכידה, מה שמאזן את הזרימה באופן שווה לצומת הערוץ, לנטר את החלקיק הכלוא ולשמור על מיקוד החלקיקים במישור התמונה באמצעות מיקוד ידני או הגדרת מיקרוסקופ מיקוד אוטומטי.
המכשיר המיקרופלואידי המשולב מורכב ממוקד מדגם, צומת חריץ צולב ולכידת שסתום פנאומטי מתרחשת בצומת החריץ הצולב ומיקום החלקיקים נשלט על ידי התאמה אקטיבית של שדה הזרימה בצומת המיקרו-ערוצים דרך השסתום הפנאומטי. כאן, תמונה של חרוז בודד מוגבלת במלכודת ההידרודינמית. בנוסף למרכז המלכודת, מספר חרוזים לא לכודים מוצגים באזור הלכידה בצומת המגרש הצולב.
ממופה מסלולו של חרוז פוליסטירן פלואורסצנטי לכוד של 2.2 מיקרון. החלקיק נלכד בתחילה למשך שלוש דקות. לאחר מכן הוא משתחרר מהמלכודת ונמלט לאורך אחד מתעלות היציאה.
היסטוגרמה של תזוזה של חרוז לכוד ממרכז המלכודת לאורך כיוון תעלות היציאה מצביעה על כך שהחלקיק מוגבל למיקרון אחד ממרכז המלכודת. היום, הצגנו את מלכודת ה-EM כשיטה ללכידת תמיסה חופשית של חלקיקים בקנה מידה מיקרו וננומטרי באמצעות זרימת נקודת ציון הנוצרת בתוך מכשיר מיקרופלואידי. לכידה הידרודינמית מאפשרת לכלוא חלקיק מטרה בודד בתרחיפים מרוכזים של חלקיקים, דבר שקשה להשתמש בשיטות לכידה חלופיות מבוססות שדה כוח.
לאחר פיתוח נוסף, טכניקה חדשה זו תאפשר חקירה מדעית בתחומי הביופיזיקה, מכניקת התא, דינמיקת זורמים, אנזימולוגיה וביולוגיה של מערכות. תודה שצפיתם ואנו מקווים שהטכניקה הזו תהיה שימושית לניסויים שלכם.
צפו בתמליל המלא וקבלו גישה לאלפי סרטונים מדעיים
סקירה
מאמר זה מציג שיטה מבוססת מיקרו-נוזלים להדבקה ולמניפולציה של חלקיקים מיקרו וננו-סקליים באמצעות זרימת נוזלים הידרודינמית. מנגנון בקרת משוב משמש להשגת לכידה יציבה של חלקיקים בנקודת עמידה של נוזל בתוך מכשיר מיקרו.
רכיבי מחקר מרכזיים
תחום המדע
- מיקרו-נוזלים
- מניפולציה של חלקיקים
- לכידה הידרודינמית
רקע
- מכשירים מיקרו-נוזליים מאפשרים שליטה מדויקת בזרימת הנוזלים.
- מלכודות הידרודינמיות יכולות להדביק חלקיקים במיקומים ספציפיים.
- מנגנוני שליטה אקטיביים משפרים את יכולות המניפולציה של החלקיקים.
- ניתן להשתמש במיקרוסקופיית פלואורסצנטיות ובמיקרוסקופיית שדה בהיר לצורך הדמיה של חלקיקים.
מטרת המחקר
- לפתח שיטה ללכידת חלקיקים בודדים במכשירים מיקרו-נוזליים.
- לנצל זרימה למינרית לשם הדבקה יעילה של חלקיקים.
- ליישם בקרת משוב לשמירה על מיקום החלקיקים.
שיטות ששימשו
- מכשיר מיקרו-נוזלי עם גיאומטריה של תעלת חריץ צולב.
- שסתום על השבב לשליטה אקטיבית בזרימת הנוזלים.
- בקר משוב למעקב ווויסות מיקום החלקיקים.
- טכניקות הדמיה כגון מיקרוסקופיית פלואורסצנטיות ומיקרוסקופיית שדה בהיר.
תוצאות עיקריות
- לכידה מוצלחת של חלקיקים בודדים בפתרונות מדוללים ומרוכזים כאחד.
- הוכחת יציבות ההדבקה של החלקיקים בנקודת הגדרה שהוגדרה על ידי המשתמש.
- ויסות יעיל של מיקום נקודת העמידה באמצעות בקרת משוב.
- היכולת להדמית חלקיקים שנלכדו באמצעות טכניקות מיקרוסקופיות.
מסקנות
- השיטה מספקת גישה חזקה למניפולציה של חלקיקים במערכות מיקרו-נוזליות.
- מנגנוני שליטה אקטיביים משפרים את הדיוק של לכידת החלקיקים.
- טכניקה זו יכולה לשמש בתחומים שונים הדורשים הדבקה של חלקיקים.
שאלות נפוצות
Executive Industry Relevance
This microfluidic hydrodynamic trap enables label-free, field-free confinement of single micro- and nanoscale particles in complex biological suspensions, supporting early-stage target validation by allowing direct observation of particle behavior without surface immobilization or perturbative fields. The method provides quantitative spatial control and long-term stability for mechanistic de-risking of nanoparticle-biomolecule interactions in discovery workflows. Its compatibility with concentrated samples and arbitrary particle types enhances translational relevance for preclinical screening of drug delivery vehicles and extracellular vesicles.
Strategic Applications in Biopharma R&D
Early Discovery & Target Validation
- Scientific Value: Enables interrogation of therapeutic hypotheses by trapping single particles in free solution to observe native-state interactions without optical, magnetic, or electric field artifacts.
- Operational Value: Supports functional target validation in crowded environments such as serum or cell lysates where conventional trapping fails due to background interference.
- Predictive Value: Facilitates lead identification by allowing prolonged observation of particle dynamics to assess binding kinetics and stability under near-physiological conditions.
Screening & Assay Development
- Assay Readiness: Prepares validated particle systems for downstream workflows by enabling isolation and manipulation of single entities from heterogeneous populations.
- Quantitative Output: Generates displacement histograms and trajectory data that serve as reproducible metrics for comparing particle behavior across conditions.
- Platform Scalability: Integrates with existing microfluidic devices via on-chip pneumatic valves, allowing reuse across multiple targets and increasing throughput in screening cascades.
Translational & Preclinical Research
- Disease Relevance: Maintains continuity from discovery to preclinical validation by trapping particles in biologically relevant matrices without altering surface chemistry.
- Risk-Adjusted Advancement: Enables mechanistic de-risking of nanoparticle formulations by quantifying confinement stability as a proxy for colloidal integrity in complex fluids.
- Biomarker Alignment: Supports translational biomarker studies by permitting long-term observation of single extracellular vesicles or lipid nanoparticles in undiluted biofluids.
Pipeline & Workflow Integration
The method fits within the discovery continuum from target validation through lead identification to preclinical assessment, particularly for studies requiring unperturbed particle analysis in native environments.
- Discovery Biology: Supports hypothesis testing and pathway clarification by enabling direct visualization of single-particle interactions in solution without labels or surface tethering.
- Screening: Enhances assay reproducibility through active flow control that maintains consistent trapping conditions across runs, reducing variability in particle-based assays.
- Analytics: Provides centroid tracking and displacement measurements as quantitative readouts to compare particle responses under different buffer or ligand conditions.
- Translational Research: Connects to preclinical work by allowing assessment of particle behavior in concentrated biological fluids that mimic in vivo conditions.
- Enterprise Reuse: Functions as a modular trapping module that can be integrated into various microfluidic platforms, reducing redevelopment costs across projects.
Operational & Enterprise Impact
- Scientific Value: Increases predictive confidence by eliminating field-induced artifacts and enabling observation of native particle states in suspension.
- Operational Value: Delivers standardization and reproducibility via feedback-controlled stagnation point positioning, ensuring consistent trap performance across users and sessions.
- Strategic Value: Improves go/no-go decisions by providing early, quantitative data on particle stability and interaction propensity in realistic matrices.
- Portfolio Impact: Enables risk-adjusted prioritization of nanoparticle or vesicle candidates based on single-particle trapping stability in complex fluids.
Implementation Considerations
- Requires expertise in microfluidic fabrication, fluorescence microscopy, and feedback control systems such as LabVIEW-based image processing and pressure regulation.
- Depends on pneumatic pressure regulators, on-chip valves, and high-speed imaging infrastructure for real-time particle tracking and flow adjustment.
- Necessitates cross-team standardization of valve calibration protocols and particle tracking parameters to ensure reproducibility between laboratories.
- Involves adaptation considerations when applying to non-spherical or deformable particles, as trapping efficiency may vary with shape and size under extensional flow.
- Includes practical limitations such as the need for particle fluorescence or contrast for reliable tracking, and potential drift during extended runs requiring periodic recalibration.
