חרוזים ועל הפרדת תאים ריבוי ערוצים מכשירים microfluidic שימוש dielectrophoresis ו זרימה למינרית
4 בפברואר 2011
Dielectrophoresis (DEP) היא שיטה יעילה לתפעל תאים. מעגלים מודפסים (PCB) יכול לספק אלקטרודות זול, לשימוש חוזר ויעיל מניפולציה מגע חופשי בתוך התא מכשירים microfluidic. על ידי שילוב של PDMS מבוססי ערוצי microfluidic עם coverslips על PCBs, אנחנו מדגימים מניפולציה חרוז תא הפרדה בתוך מכשירים microfluidic רב.
המטרה הכוללת של הליך זה היא לתפעל תאים וחרוזים בתוך מכשירים מיקרופלואידיים באמצעות D Electrophoresis או DEP באמצעות מעגלים מודפסים או PCB. זה מושג על ידי תכנון והכנה ראשונית של אלקטרודות PCB ותעלות מיקרופלואידיות. השלב השני של ההליך הוא הכנת מכלול המיקרופלואידיקה של ה-PCB ותמיסות החרוזים והתאים.
השלב השלישי בהליך הוא למלא את התעלות במדיה מוליכות נמוכה, ואז לטעון את החרוזים והתאים. השלב האחרון של ההליך הוא לחבר את מכלול ה-PCB עם מגבר הכוח ומחולל הפונקציות, ולאחר מכן ליזום DEP. בסופו של דבר, ניתן להשיג תוצאות המראות הפרדה ומניפולציה של תאים וחרוזים במכשירים מיקרופלואידיים באמצעות שימוש ב-DEP.
בדרך כלל, אנשים חדשים בשיטה זו יתקשו מכיוון שהמשתמש חייב להבין את עקרונות ה-DEP על מנת לפתח אלקטרודה יעילה העובדת עם מכשיר מיקרופלואידית לתא הרצוי, או מניפולציה של חרוזים. מצד שני, שימוש ב-PCB כאלקטרודות, הופך את הפעלת התאים והחרוזים במכשירים מיקרופלואידיים לנגישים למגוון דיסציפלינות מדעיות. השלב הראשון בהליך זה הוא לתכנן את המעגל המודפס או אלקטרודות ה-PCB כך שיהיו בעלי הגיאומטריה הרצויה ליצירת שדה חשמלי לא אחיד.
לאחר השלמת התכנון, הזמינו את שבבי האלקטרודות המותאמים אישית של PCB דרך מתקן ייצור מסחרי. לאחר שה-PCB בהתאמה אישית מגיע, פתח אותו ובדוק אותו להדגמה זו. אורך ה- PCB 8.4 סנטימטרים ורוחבו 2.1 סנטימטרים.
אלקטרודות המתכת הן ברוחב של חמישה מילימטרים. בדוגמה זו, לאלקטרודות יש שתי רצועות מתכת ארוכות ושני אזורי צלב באורך 4.5 מילימטר שבהם האלקטרודות משולבות. אזורים בין-דיגיטליים אלה מייצרים שדה חשמלי חזק ולא אחיד ליצירת חיבור מהסטימולטור לאלקטרודת ה-PCB.
הנח חוט בגודל 16 על קצה האלקטרודה. השתמש במגהץ חם כדי להחזיק את החוט במקומו על אזור המתכת של ה-PCB. זה מחמם את החוט.
החזק את ההלחמה לחוט המחומם ואפשר לכמות קטנה של הלחמה לזרום לחוט. לאחר מילוי החוט בהלחמה, הסר את הברזל המחזיק את החוט במקומו בזמן שההלחמה מתקררת. חזור על תהליך ההלחמה עבור החיבור החשמלי האחר ב-PCB.
השלב הבא הוא הכנת תעלות מיקרופלואידיות עם דפוס ההסתעפות הרצוי. באמצעות טכניקות ייצור מיקרו סטנדרטיות, צור תבנית מאסטר להגדרת התעלות באמצעות פרוסת סיליקון ופוטו-רזיסט SU 8. לתבנית מאסטר זו יש ערוץ קלט אחד ושלושה ערוצי יעד.
רוחב התעלות הוא 100 מיקרומטר, וגובה התעלות הוא 27 מיקרומטר. לאחר יצירת תבנית המאסטר, מערבבים את אלסטומר הפולימתיל LAANE או PDMS עם חומר ריפוי ביחס המתנה של 10 לאחד למשקל למשך חמש דקות. יוצקים את ה-PDMS הנוזלי על תבנית המאסטר SU 8 הטרומית ומסירים בועות אוויר על ידי חשיפת ה-PDMS הנוזלי לוואקום למשך שלוש דקות.
חזור על תהליך הוואקום במידת הצורך כדי להסיר לחלוטין את כל הבועות. ניתן להשתמש בזרם של גז חנקן כדי להסיר בועות נוספות במידת הצורך. מרפאים את ה-PDMS בתנור בחום של 70 מעלות צלזיוס למשך שעתיים.
השתמש בסכין גילוח כדי להסיר את מעבדת P-D-M-S-S עם התעלות המיקרופלואידיות מהרקיק. היזהר לא לשבור את הוופל כשחלל הערוץ למעלה. השתמש באגרוף ביופסיה כדי לנקב חורים להחדרת נוזלים ותאים למכשיר המיקרופלואידי. לקצץ.
כל עודף PDMS. בדוק את המכשיר המיקרופלואידי כדי לוודא שהוא נקי מאבק ופסולת. השתמש בסרט הקסם הסקוטי של 3M כדי לנקות את ה-PDMS.
חשוף את תעלות ה-PDMS וכיסוי אפס נקי להחליק בעובי של 80 עד 130 מיקרומטר לגז פלזמה למשך 1.5 דקות. הסר את מעבדת ה-PDMS ואת החלקת הכיסוי ממנקה הפלזמה בקשר פלזמה של צלחת פטרי, התעלות המיקרופלואידיות של PDMS המבוססות על החלקת הכיסוי מחממות את החלקת הכיסוי מכלול מיקרופלואידית על פלטה חמה המוגדרת על 100 מעלות צלזיוס למשך 15 דקות לפחות. השלב האחרון בהכנת המכשיר המיקרופלואידי הוא מיקום תעלות ה-PDMS והחלקת הכיסוי מעל האלקטרודות של ה-PCB.
התחל בהנחת כ-10 מיקרוליטר שמן מינרלי על ה-PCB. כדי להבטיח מגע הדוק בין ה-PCB להחלקת הכיסוי, הנח את מכלול התעלה המיקרו-נוזלית של החלקת הכיסוי על ה-PCB המשומן עם החלקת הכיסוי. מגע עם השמן, לחץ בעדינות על מכלול ההחלקה המיקרופלואידית כלפי מטה כדי להבטיח מגע טוב וכדי למזער בועות אוויר שעלולות לפגוע בהדמיית התאים והחרוזים.
שלב חשוב נוסף הוא הכנת תערובת המדיה עם מוליכות נמוכה, 8.5% סוכרוז ו-0.3% משקל גלוקוז לנפח במים נטולי יונים. המכשיר המיקרופלואידי מוכן כעת לשימוש באמצעות פיפטה הממלאת כל תעלה מיקרופלואידית ב-15 עד 20 מיקרוליטר של המדיה בעלת המוליכות הנמוכה במידת הצורך. השתמש בשאיבת ואקום כדי להסיר בועות בתעלות.
השלב הבא הוא הכנסת חלקיקי הבדיקה למכשיר המיקרופלואידי. הדגמה זו משתמשת בהשעיה של 550 חרוזי פוליסטירן למיקרוליטר של מדיה מוליכות נמוכה, מכיוון שהחרוזים יכולים להתיישב לאורך זמן, להשעות את החרוזים בתסיסה. לאחר מכן, בעזרת פיפטה, הכניסו לתעלה 200 מיקרוליטר של מתלה חרוזי הפוליסטירן.
השלב הבא הוא הכנת האלקטרודות, חיבור הפלט של מחולל פונקציות לכניסה של מגבר מתח AC. לאחר מכן חבר את פלט המגבר לחוטי האלקטרודה. כסו את כל חוטי החשמל והמשטחים של ההתקנה בסרט חשמלי כדי להגן על המשתמשים מפני חשיפה פוטנציאלית להלם.
הגדר את מחולל הפונקציות לייצר פלט גל סינוס של 1 עד 1.5 מגה-הרץ. הפעל את DEP כדי להתחיל למיין את התאים והחרוזים בהגדרה זו. תעלת הכניסה נמצאת מימין ושלושת ערוצי המטרה נפרדים בצומת המשולש.
אלקטרודות ה-PCB תואמות את הפסים השחורים ללא זרימה למינרית וללא DEP. החרוזים הם למעשה נייחים עם התחלת DEP, אך ללא זרימה. החרוזים נודדים לעבר אלקטרודות ה-PCB והרחק מהחלל שבין האלקטרודות כאשר הזרימה הלמינרית פועלת.
אבל ה-DEP כבוי חרוזים הזורמים דרך ערוצי הכניסה מחולקים בין שלושת ערוצי היעד. כאשר DEP מופעל וזרימה למינרית מופעלת, החרוזים מופעלים לזרום רק בערוץ המרכזי. בסרטונים הבאים, המכשיר המיקרופלואידי סובב מעל אלקטרודות ה-PCB וכתוצאה מכך שינוי בכיוון הערוצים.
ביחס לאלקטרודות PCB. תעלת הכניסה, שבעבר הייתה בניצב לאלקטרודות ה-PCB, כמעט מקבילה לאלקטרודות עם הזרימה הלמינרית מופעלת. אבל DEP מהחרוזים נכנס לכל שלושת ערוצי היעד באופן שווה.
כאשר DEP מופעל, החרוזים מתקרבים לנקודת הטריפורקציה וכוח ה-DEP מושך את החרוזים לתוך התעלה הצדדית מעל האלקטרודה. סט האיורים הבא בווידיאו מציג תערובת של אדנוקרצינומה של המעי הגס האנושי או תאי HT 29 וחרוזים פלואורסצנטיים במכשיר המיקרופלואידי. בתמונת DIC זו, החץ הפתוח מזהה את כיוון הזרימה הלמינרית, והערוצים מתוארים בקווים מקווקוים.
ניתן לראות את אלקטרודות המתכת הרפלקטיביות כפס הרקע האור, מיקרוסקופ DIC משמש להדמיית החרוזים בזמן זוהר. קנה מידה עוצמתי. תמונות משמשות כדי להפוך את התאים לגלויים יותר.
הדמות הזו היא אותה תמונה כמו הדמות השנייה, אלא שהיא מוצגת כתמונת עוצמה בקנה מידה זוהר, ולכן יש לדמיין את התאים כמו גם את החרוזים. אלקטרודות המתכת הרפלקטיביות מופיעות כפסים צהובים וירוקים באיור זה. עם DEP, החרוזים יוצאים מהערוץ הימני כפי שמוצג בתמונת ה-DIC, ואילו תאי HT 29 יוצאים מהערוץ המרכזי והשמאלי כפי שמוצג בתמונה בקנה מידה זוהר לפני התחלת DEP, תמיסה מעורבת של תאים וחרוזים זורמת מערוץ הכניסה האחד לשלושת ערוצי היעד הנפרדים.
לאחר השראת DEP, החרוזים והתאים מופעלים באופן סלקטיבי לערוצים נפרדים. לאחר צפייה בסרטון זה, אתה אמור להבין היטב כיצד להתחיל ליישם אלקטרופורזה חוגה למניפולציה של תאים וחרוזים בתוך מכשירים מיקרופלואידיים.
סקירה כללית
מאמר זה דן בשימוש בדיאלקטרופורזה (DEP) למניפולציה של תאים וחרוזים בתוך התקנים מיקרופלואידיים באמצעות לוחות מעגלים מודפסים (PCBs). על ידי שילוב ערוצים מיקרופלואידיים מבוססי PDMS עם PCBs, מוצגת מניפולציה והפרדה יעילים ללא מגע של חלקיקים.
מרכיבי מחקר מרכזיים
תחום המדע
- מיקרופלואידיקה
- מניפולציה של תאים
- דיאלקטרופורזה
רקע
- דיאלקטרופורזה היא שיטה למניפולציה של חלקיקים באמצעות שדות חשמליים לא אחידים.
- לוחות מעגלים מודפסים מציעים פתרון חסכוני ליצירת אלקטרודות.
- מכשירים מיקרופלואידיים חיוניים לשליטה מדויקת בזרימת נוזלים ובמניפולציה של חלקיקים.
- הבנת עקרונות ה-DEP היא חיונית ליישומים יעילים במיקרופלואידיקה.
מטרת המחקר
- להדגים את היתכנות השימוש ב-PCBs ל-DEP ביישומים מיקרופלואידיים.
- לספק נוהל שלב אחר שלב להקמת מערכות DEP.
- להציג מניפולציה והפרדה של תאים וחרוזים.
שיטות ששימשו
- עיצוב וייצור אלקטרודות PCB עם גיאומטריות ספציפיות.
- הכנת ערוצים מיקרופלואידיים באמצעות PDMS ו-SU-8 photoresist.
- מילוי ערוצים במדיום בעל מוליכות נמוכה והכנסת חלקיקים לבדיקה.
- חיבור ה-PCB למגבר הספק ומחולל פונקציות כדי ליזום DEP.
תוצאות עיקריות
- מניפולציה מוצלחת של חרוזים ותאים בתוך המכשיר המיקרופלואידי.
- הדגמה של הפרדה יעילה באמצעות DEP.
- ביסוס שיטה אמינה לשימוש ב-PCBs ביישומים מיקרופלואידיים.
- אימות ויזואלי של התנהגות החלקיקים בתנאי DEP.
מסקנות
- PCBs מספקים גישה מעשית ל-DEP במיקרופלואידיקה.
- המחקר משפר את הנגישות של טכניקות DEP ברחבי דיסציפלינות מדעיות.
- הבנת עקרונות ה-DEP חיונית לאופטימיזציה של עיצוב האלקטרודות.
שאלות נפוצות
Executive Industry Relevance
Dielectrophoresis (DEP) using printed circuit board (PCB) electrodes enables non-contact manipulation and separation of cells and beads in microfluidic systems, offering a cost-effective alternative to specialized equipment like optical tweezers. This approach supports early-stage target validation and assay development by providing precise control over particle positioning in laminar flow, reducing reliance on complex fabrication. The method enhances predictive confidence in discovery workflows by enabling reproducible, quantitative separation of biological and synthetic particles for downstream analysis.
Strategic Applications in Biopharma R&D
Early Discovery & Target Validation
- Scientific Value: Enables interrogation of cellular responses to dielectrophoretic forces, supporting functional target validation through controlled particle manipulation.
- Operational Value: Uses accessible PCB electrodes to lower barriers for implementing DEP in multidisciplinary discovery labs.
Screening & Assay Development
- Scientific Value: Facilitates preparation of standardized bead and cell suspensions in low-conductivity media for reproducible microfluidic assays.
- Operational Value: Enables scalable separation of test particles into defined channels, supporting high-throughput screening readiness.
Translational & Preclinical Research
- Scientific Value: Demonstrates separation of HT29 colon adenocarcinoma cells from beads, providing a disease-relevant system for mechanistic de-risking.
- Operational Value: Supports continuity from discovery to preclinical workflows by enabling label-free sorting of cells based on dielectric properties.
Pipeline & Workflow Integration
This method integrates into the discovery continuum by enabling early-stage hypothesis testing through controlled particle manipulation, progressing to assay development via reproducible separation, and supporting translational research via disease-relevant cell isolation.
- Discovery Biology: Supports hypothesis testing and pathway clarification by allowing precise positioning of cells and beads in microfluidic channels under DEP.
- Screening: Delivers assay readiness through standardized particle separation into target channels, ensuring consistent readouts for compound evaluation.
- Analytics: Provides quantitative dependent variable measurements via channel-specific particle collection, enabling statistical comparison of conditions.
- Translational Research: Connects to preclinical continuity by isolating disease-relevant cells (e.g., HT29) from mixed populations for further validation.
- Enterprise Reuse: Positions PCB-based DEP as a reusable platform across projects due to standardized electrode design and microfluidic assembly.
Operational & Enterprise Impact
- Scientific Value: Predictive confidence in target validation through dielectrophoretic separation of cells and beads based on intrinsic properties.
- Operational Value: Standardization and reproducibility via PCB electrode geometry and low-conductivity media protocols.
- Strategic Value: Improved go/no-go decisions by reducing mechanistic ambiguity in early-stage particle behavior studies.
- Portfolio Impact: Risk-adjusted prioritization through reliable separation data that informs advancement of cell-based assays.
Implementation Considerations
- Requires expertise in dielectrophoresis principles and electrode design to generate effective non-uniform fields.
- Depends on access to PCB fabrication facilities and PDMS microfluidic molding equipment.
- Necessitates cross-team standardization of channel dimensions, media conductivity, and frequency settings.
- Involves adaptation considerations when applying the method to different cell types or particle sizes.
- Limited by the need for vacuum degassing and plasma bonding to ensure device integrity and minimize bubble formation.
Biopharma FAQs
Chapters in this video
0:05
Title
0:58
Introduction
1:27
Prepare the PCB Electrodes
2:46
Prepare the Microfluidic Channels
5:04
Assemble the Microfluidic Channels onto the PCB Electrodes
5:53
Sort and Concentrate Beads and Cells Using DEP
7:07
Separate Beads and Cells Using DEP Actuation
9:25
Conclusion
