מכשיר microfluidic עם דפוסי Groove לחקר התנהגות נייד
August 30th, 2007
אנו מתארים פרוטוקול עבור ייצור של מכשירים microfluidic שיכולה לאפשר לכידת תא ותרבות. בגישה זו microstructures בדוגמת כגון חריצים בתוך ערוצי microfluidic המשמשים ליצירת מתח נמוך גזירה אזורים בתוך התא שבו ניתן לעגן.
שמי ג'יאנג, אני עמית פוסטר בהרווארד וב-MIT, בריאות, מדע וטכנולוגיה. אז המומחיות שלי במעבדה הזו, אני יכול פשוט ליצור מכשיר חיזוי חדש לחקר התנהגות תאית. אני יכול ליצור מכשיר שיפוע חדש מאוד כמו גם ליצור אינטגרציה למכשיר החיזוי שלי.
מכשיר TC יכול לתפעל במדויק את האינטראקציה בין תאי התא ואת האינטראקציה בין התאים, כמו גם את מגע הגורם הסולארי של התא. אז באמצעות מערכת TC אני יכול ללמוד כדי להבין את הביולוגיה הבסיסית של התא כמו גם ליישם קצת את הביולוגיה של ההתפתחות כמו גם קצת ביו-ביו-הנדסה של תאי גזע. שמי אמיר מנצ'י ואני סטודנט לתואר ראשון במעבדת האן בהרווארד, החטיבה למדעי הבריאות והטכנולוגיה של MIT.
ואני עבדתי על מכשירים מיקרו-פיליים וניסינו כהוכחה עקרונית להראות שמכשירים מיקרופלואידיים הם מכשירים פוטנציאליים נהדרים לתרבית תאים ולעשות מחקרים שונים כמו מחקרי רעילות וניסינו גם לחקור ולייעל את אפיון הנוזלים בתוך המכשירים הללו כפונקציה של קצב הזרימה, גיאומטריה ופרמטרים אחרים מסוגים שונים. כרגע אנחנו מתחילים מחדר המיקרו-ייצור ומה שאנחנו הולכים לעשות זה שאנחנו מנסים לייצר כמה מכשירים מיקרופלואידיים כדי לגרום למכשירי המיקרו-פוליק לקרות, אנחנו צריכים כמה דפוסי פרוסות סיליקון ואנחנו צריכים כמה תבניות PDMS מעליהן. פולימר PDMS זה הוא למעשה תערובת של שני דברים שונים.
זוהי תערובת של בסיס אלסטומר סיליקון וגם חומר זרם אלסטומר סיליקון. הדרך שבה אנו מערבבים את שני אלה היא שאנו מערבבים אותם ביחס של 10 לאחד, כלומר 10 של בסיס ואחד של חומר ריפוי. עכשיו אני רוצה בערך 20 גרם מהבסיס שלי כאן.
אני צריך גם שני גרם של חומר הריפוי וחומר הריפוי הרבה פחות צפוף. זה יגיע הרבה יותר מהר ואני צריך להיות קצת זהיר. אז זה בערך 22 עכשיו ואני רוצה לערבב את הבסיס ואת חומר הריפוי יחד.
אז אני אשתמש בצינור כדי לעשות את זה. אני אנסה לערבב את זה כמה שיותר טוב ביחד. אני רוצה לשפוך את פולימר ה-PDMS הזה על גבי פרוסות הסיליקון שיש להן למעשה דפוס מעליהן ופרוסת הסיליקון עוזרת לתת דפוס לתבניות ה-PDMS.
אתה יכול למעשה לשים לב שיש לי שני פרוסות סיליקון ממש כאן והסיבה היא שאחת מהן מיועדת לשכבה העליונה של מכשיר המיקרו פילי שלנו והשנייה מיועדת לשכבה התחתונה. אנו זקוקים לשתי שכבות במכשירים מיקרו-פיליים מכיוון שאנו מנסים שתהיה לנו תעלה בפנים וכל הסיפור מאחורי המכשירים המיקרו-נוזליים הוא שאנו רוצים שתהיה זרימה בתוך התעלות הללו. אז אני צריך לשפוך את התערובת הזו על גבי שני פרוסות הסיליקון כי יש לי הרבה בועות בתוך התערובת הזו.
אני רוצה להוציא את הבועות האלה ומה שאנחנו עושים זה להשתמש בוואקום כדי להוציא את הבועות האלה. חזרנו לאזור המעבדה הראשי וכפי שאמרתי לך קודם כי בתוך תערובת ה-PDMS יש הרבה בועות ואנחנו רוצים להסיר אותה ואני הולך להניח את התערובות על גבי פרוסות הסיליקון בתוך תא הוואקום. אני הולך לסגור את החדר ואני הולך לפתוח את הוואקום לאחר שזה יסתיים, אנחנו הולכים לקחת את תבניות ה-PDMS לתנור למשך הלילה על מנת להפוך אותן למוצקות יותר.
בסדר, אנחנו במעבדה עכשיו ואנחנו רוצים להרכיב את מכשירי המיקרו-פוליק האלה. מה שאנחנו הולכים לעשות זה שניקח את תבניות ה-PDMS, שהיו בתוך החממה במהלך הלילה והן נוצרו, הן יצרו את התבניות שהיו על פרוסות הסיליקון ואני הולך להשתמש בשתי תבניות שונות. בצד שמאל אתה יכול לראות את ערוץ המיקרו, שהולך להיות השכבה העליונה והימני אתה יכול לראות כמה דפוסי קו ירוק שהולכים להיות השכבה התחתונה.
וזה, זה יהווה את החריצים בתוך מכשיר המיקרו. אני מתחיל בחיתוך הג'לים האלה כדי להיות מסוגל לקבל את השכבה העליונה כך שיהיה קל להתפרק מפרוסת הסיליקון. ומה שאני אעשה זה שאעביר אותו לצלחת פטרה עם הפנים כלפי מעלה כך שהדוגמאות יפנו כלפי מעלה.
ואני הולך לנסות את אותו הדבר עבור החריצים, שהיו דפוסי הקווים הירוקים. אז אלה הולכים ליצור את השכבה התחתונה. אז ברגע שהג'ל נחתך, אני הולך להעביר אותו לצלחת פטרה וכדי למנוע אבק על גבי התבניות, אני הולך להדביק אותם.
השלב הבא הוא ניקוב קצות הערוצים על מנת לאפשר לתא ולמדיה לזרום פנימה והחוצה. מה שאני הולך לעשות זה שבגלל שיש לי כאן משטח רחב ואני לא יכול לראות את התבניות בעצמי, אני הולך להשתמש בזה כדי להיות מסוגל לראות את הערוצים ואני הולך לחבוט בשני הקצוות. אז אני הולך לנקב כאן אגרוף גדול כדי שיהיה לו סדר מילואים ובצד השני אני הולך לנקב חור קטן כדי להיות מסוגל להשתמש בצינורות פולי אתנול בצד השני.
אנחנו עכשיו בחדר המיקרו-ייצור והשלב הבא הוא לחבר את שני המשטחים השונים שיש לנו. כדי לעשות זאת אתה משתמש במכונה הזו שנקראת מנקה פלזמה והתהליך נקרא טיפול בפלזמה. מה שקורה בתוך החדר הזה הוא שתהיה לנו סביבת פלזמה ובאינטראקציה של פני השטח של הפלזמה מה שיקרה הוא שהפלזמה למעשה תשבור את איזון פני השטח החלש והיא תחליף אותו בקבוצות כימיות תגובתיות מאוד.
אז מה שהולך לקרות עכשיו זה שאני הולך להוציא את הקלטות שהוא שם כאן כדי למנוע את האבק ואני הולך לשים את התבניות האלה בתוך החדר. אני הולך לסגור את הדלת הזו עד הסוף, קודם כל לחשמל ואז לשאוב ואז אנחנו מוכנים לצאת לדרך. נאסוף אותו תוך חמש עד עשר דקות.
עכשיו אני רוצה לכבות אותו אז אני מכבה את המשאבה ואת החשמל ואז אני אפתח את החדר. למעשה יש כאן לחץ שלילי כך שאולי תשמעו את הצליל. זה מה שקרה, בגלל הלחץ השלילי, אז אני מוציא לאט לאט את התבניות שלי.
מכיוון ששני משטחי הדוגמה פונים כלפי מעלה, אני הולך לקחת את השכבה התחתונה, להניח אותה ביד שמאל ואני הולך לקחת את השכבה העליונה, להפוך אותה ולהניח אותה על גבי החריצים שלי ואז לדחוף את השכבות אחת על השנייה. חוזק דבק וקביעות הוא היתרון בשימוש במכונת טיפול בפלזמה זו. ומה שאתם רואים כאן עכשיו הוא שאתם יכולים לראות למעשה את הערוץ בשכבה העליונה ואתם יכולים לראות את התבניות המחורצות בשכבה התחתונה והיא מוכנה לשלב הבא.
ואז הביאו לכאן את חדר התרבות הזה, את האוכל התרבותי הזה ואז את הדלת הפתוחה. ואז אנחנו יכולים פשוט להעמיס את הפיברונקטין, להוציא את 60 המיקרוליטר של פיברואין ואז להעמיס לתוך המכשיר. ואז כדי ליצור זרימה מסוימת בתוך המכשיר כדי לגרום לציפוי קטן של הרטט בתוך הערוץ נוכל פשוט לשאוב בעדינות את השקע.
לאחר מכן אנחנו יכולים פשוט להניח על המכשיר הזה על החממה וזה שעה לאחר שעה לקרר את הרטט בתוך החממה. אנחנו פשוט מוציאים את דגימת הדיס מהחממה ואז אנחנו פשוט משתמשים בחמישה חלודה, שלושה, שלושה סיבים חלודה. אנחנו פשוט שולחים איחוי ודיס צל ואז שמים את המדיה ואז אנחנו פשוט משתמשים במונה התאים.
אנחנו בדרך כלל העיר מיליון תאים הראשונים יושבים בתוך המכשיר. אז אחרי הדיסוציאציה אנחנו יכולים רק לדחוף שמפו פעם אחת כמה פעמים ואז להוציא את השעיית המכירות ואז להעמיס את החלק הפנימי של הערוץ כדי להעמיס טוב יותר את התא בתוך הערוץ. אתה יכול פשוט לזרום בעדינות באמצעות השאיפה.
המדיה הסכום ומתלה פני השטח שואבים דרך תא היציאה הם בדרך כלל אוטומטית, אתה יודע, זורעים את הערוץ הסלקטיבי, הערוץ הגלובלי. לאחר מכן נוכל פשוט לפרק לשים את החממה למשך שעה, זה עד שהתא מתפשט לחלוטין בתוך התעלה. ואז אנחנו יכולים פשוט להחדיר את הנספח חמש ואת הפרופ יודיד כמו גם מי חמצן.
ואז למד את מבחן השערת הזמן שלך. אנחנו יכולים פשוט לקחת את הדגימה בתוך מזון תרבית רקמה ואז אנחנו יכולים פשוט להכין את התמיסה שתי טחנות DM DMM וכן 20 מיקרוליטר נספח חמש 40 מיקרוליטר פרופ יוד, 100 מילי-מי חמצן. ואז קח את אמצעי המדיה של שני מטר עם נספח חמש, פרופ יודיד, הידרו פרסיד, ואז הניח את המזרק אחריו.
שים את שני אמצעי הטחנה ונספח חמישה פרופ יודיד, הידרו פרסיד. אנחנו יכולים פשוט לשים את התמיסה בתוך התקרות ואז להסיר את הבועה ואז לחבר את דוב C. זו תקרות טחנה חמות אטומות לגז של המילטון.
זה שלושה דובים. זו תקרות תקרה חד פעמיות. זו מחט בגודל 27
.זה צינורות פולי PE 20. לאחר העמסת התמיסה בתוך מזרק, אתה יכול פשוט למלא זמן ולדחוף מלא ולדחוף מלא ואז לפעמים קצה כלשהו, להקיש על מזרק כלשהו ואז להסיר את הבועה וגם למשוך את התמיסה. אז פעם נוספת, דחפו לגמרי, הסירו את הבועה ואז תכנתו שוב בעדינות.
אז קח את התמיסה לארוחה אחת ואז נוכל להחליף את השסתום. דחף, דחף את התמיסה דרך שסתום התלת-כיווני ואת המלואו בצינור. אז סוף סוף פתרון, לצאת דרך קצה הצינור שלנו ואז נוכל פשוט לחבר את הצינור למכשיר המיקרו ולהתחיל להחדיר מיקרו אחד לדקה.
View the full transcript and gain access to thousands of scientific videos
סקירה כללית
מאמר זה מציג פרוטוקול לייצור מכשירים מיקרופלואידיים המיועדים ללכידת תאים ותרביתם. השיטה משתמשת במבנים מיקרוסקופיים מעוצבים כדי ליצור אזורים עם לחץ גזירה נמוך, המאפשרים עגינה של תאים.
רכיבי מחקר מרכזיים
תחום המדע
- מיקרופלואידיקה
- ביולוגיה של תאים
- ביו-הנדסה
רקע
- מכשירים מיקרופלואידיים חיוניים לחקר התנהגות התאים.
- סביבות עם לחץ גזירה נמוך חיוניות לעגינת תאים.
- הבנת האינטראקציות בין התאים יכולה לקדם את הביולוגיה התפתחותית.
- עיצובי מכשירים חדשניים יכולים לשפר את יכולות המחקר.
מטרת המחקר
- לפתח שיטה ליצירת מכשירים מיקרופלואידיים.
- לאפשר לכידה ותרבית תאים יעילה.
- להקל על חקר האינטראקציות והתנהגויות התאים.
שיטות בהן נעשה שימוש
- ייצור מכשירים מיקרופלואידיים עם מבנים מיקרוסקופיים מעוצבים.
- יצירת אזורי לחץ גזירה נמוך בתוך ערוצים מיקרופלואידיים.
- שילוב פונקציונליות שונה של המכשירים להעמקת חקר התאים.
- יישום המכשירים במחקר על התנהגות תאים.
תוצאות עיקריות
- ייצור מוצלח של מכשירים מיקרופלואידיים לתרבית תאים.
- הוכחת היכולת ליצור סביבות עם לחץ גזירה נמוך.
- איפשר עגינה יעילה של תאים בתוך המכשירים.
- סיפק תובנות על אינטראקציות והתנהגויות תאים.
מסקנות
- המכשירים המיקרופלואידיים שפותחו יעילים ללכידת תאים.
- אזורים עם לחץ גזירה נמוך מועילים למחקרים תאיים.
- גישה זו יכולה לקדם מחקר בביולוגיה של התאים ובביו-הנדסה.
שאלות נפוצות
Executive Industry Relevance
Microfluidic devices with microgrooved patterns enable precise control of cellular microenvironments, supporting high-content analysis of cell behavior under defined conditions. This platform enhances predictive confidence in early discovery by allowing real-time observation of apoptosis and cellular responses to stressors. Integration of such devices into R&D pipelines supports robust target validation and scalable assay development for portfolio advancement.
Strategic Applications in Biopharma R&D
Early Discovery & Target Validation
- Enables controlled interrogation of cellular responses to defined chemical stimuli.
- Supports mechanistic de-risking by isolating variables in apoptosis induction and detection.
- Facilitates functional target validation through real-time monitoring of cell fate decisions.
Screening & Assay Development
- Provides standardized microenvironments for reproducible cell patterning and immobilization.
- Enables quantitative, high-throughput screening of compound-induced apoptosis using validated markers.
- Supports assay scalability and platform reuse across multiple cell types and channel geometries.
Translational & Preclinical Research
- Aligns in vitro cellular responses with disease-relevant stressors for translational biomarker exploration.
- Maintains continuity from discovery through preclinical validation by enabling real-time, quantitative readouts.
- Reduces biological risk by providing predictive data on cellular susceptibility to candidate compounds.
Pipeline & Workflow Integration
This microfluidic platform fits from early discovery through lead identification, supporting both hypothesis-driven studies and scalable screening workflows.
- Discovery Biology: Facilitates hypothesis testing on cell stress responses and apoptosis mechanisms.
- Screening: Delivers reproducible, quantitative outputs for compound evaluation and toxicity profiling.
- Analytics: Enables real-time measurement of apoptotic markers and cell viability under controlled flow conditions.
- Translational Research: Bridges in vitro findings to preclinical models by mimicking physiological stressors.
- Enterprise Reuse: Offers a modular, adaptable platform for diverse cell-based assays across R&D programs.
Operational & Enterprise Impact
- Scientific Value: Increases predictive confidence and reduces mechanistic ambiguity in cell-based assays.
- Operational Value: Standardizes workflows for reproducibility and scalability in high-throughput settings.
- Strategic Value: Improves go/no-go decision-making and capital allocation by providing robust early data.
- Portfolio Impact: Supports risk-adjusted prioritization and advancement of validated targets and compounds.
Implementation Considerations
- Requires expertise in microfabrication and cell culture techniques.
- Needs access to microfluidic fabrication infrastructure and analytical microscopy.
- Demands cross-team standardization for assay protocols and data analysis.
- Adaptable to various cell types and channel geometries with protocol optimization.
- Throughput and complexity may be limited by device fabrication and handling constraints.
Biopharma FAQs
Chapters in this video
4:21
Assembly of microfluidic device
4:55
Cutting layers of microfluidic device
0:00
Creating channel inlet and outlet
1:27
Microfabrication of microfluidic device
6:10
Bonding the microfluidic device layers
9:09
Cell seeding
1:45
Preparation of PDMS mixture
2:42
Patterning PDMS molds
0:06
Introduction
3:36
Removing bubbles by vacuum
13:32
Time lapse of apoptosis
11:31
Application of reagents
9:08
Experiment: monitoring apoptosis
8:19
Coating channels with fibronectin
