פורסים גירוי המוח באמצעות רשת Microfluidic ולשכת זלוף רגילה

המטרה העיקרית של הפרויקט שאנו הולכים להראות לכם היום היא להיות מסוגלים לשלוט מרחבית וזמנית בגירוי החיתוך המוחי. ונקודה מרכזית נוספת היא שבאמצעות שינוי פשוט במערך האלקטרופיזיולוגי המסובך ממילא, אנו יכולים להפיץ את המכשיר המיקרופלואידי הזה בין המעבדות השונות שמשתמשות בפועל בגירוי החיים המוחי הזה. שלום, אני ג'אווה צ'ק מוחמד ממעבדת אדינגטון במחלקה לביו-הנדסה באוניברסיטת אילינוי בשיקגו.

היום אני הולך להראות לכם כיצד אנו הולכים ליישם מכשיר מיקרופלואידית פשוט לגירוי פרוסות מוח. מכשיר פרוסת המוח שאנו הולכים להדגים היום הוא שימושי מאוד מכמה סיבות והסיבות העיקריות הן שהוא כל כך מודולרי שהוא יכול להתאים למערך האלקטרופיזיולוגי הקיים ללא שינויים חדשים נוספים. וזה נמנע משימוש בצינורות ושאיבות, מה שמסבך כל מכשיר מיקרופלואידי.

ומכיוון שאנו משתמשים בשיטת השאיבה הפסיבית, איננו זקוקים לצינורות או משאבות. והדבר השלישי הוא שזו רק יריעה דקה של קרום PDMS שנכנסת בין החלקת כיסוי לתא שפע סטנדרטי, המשמש במערך אלקטרופיזיולוגיה סטנדרטי. ההליך שאני הולך להדגים היום מתחיל עם מאסטר C שמונה, המיוצר באמצעות תהליך ליתוגרפיה סטנדרטי של SV 8.

והמאסטר שיש לנו כאן היום הוא מאסטר דו-מפלסי כאשר רמה אחת כוללת את העיצוב של הערוצים, את ערוצי המיקרו, ועיצוב אחר של פתחי VR שעוברים על גבי הערוצים הללו כך שהפתרונות שזורמים דרך הערוצים יכולים לצאת מהפתחים הדרך. אז אנחנו מייצרים את המאסטר הזה, שנמצא על פרוסת סיליקון, ואז אנחנו משתמשים בסיליקון או ב-PDMS כדי לשפוך על החלק העליון של המכשיר הזה ולעצב את המבנים שנמצאים על גבי הוופל הזה על ה-PDMS. אז אנחנו הולכים לגרום ל-PDMS לשפוך על גבי המכשיר הזה.

ואז ניקח את ממברנת ה-PDMS שנוצרה לאחר הריפוי ונדבקה להחלקת כיסוי. ואז יש לנו את המכשיר המיקרופלואידי שלנו. ואז אנחנו הולכים לשנות תא שפע סטנדרטי על ידי ציטוט שכבה דקה של PDMS בתחתית תא הזילוף.

וברגע שיש לנו את תא הזלוף המותאם הזה, ניקח את המכשיר המיקרופלואידי שייצרנו קודם לכן ונחבר אותו לתא הזלוף. ישנן שתי נקודות קריטיות בייצור המכשיר המיקרופלואידי. האחת היא שלפני שאנחנו שמים את ה-PDMS, יש לכבות את הפלטה החמה כדי שה-PDMS לא יעמוד בתור מיד כשאנחנו שופכים אותו על הוופל.

ונקודה קריטית נוספת היא שהמרווחים שבהם אנו משתמשים בארבע הפינות של פרוסת הסיליקון צריכים להיות בגובה נמוך מהמבנה הגבוה ביותר בפרוסת. זאת כדי לוודא שניתן להשיג את פתחי ה-VR כאשר אנו מבצעים את תהליך הריפוי עבור ה-PDMS. הנה אנחנו בחדר הנקי המודולרי הזה עם קיר רך וזה המאסטר שייצרנו בתהליך ליתוגרפיה סטנדרטי של C 8.

וזה מאסטר דו-מפלסי כאשר למפלס הראשון יש את העיצוב לתעלות עם ארבעה כניסות ויציאה אחת. ובאזור האמצעי של כל ארבעת הערוצים, יש vias או pos שעומדים על גבי הערוצים. ואלה סימני היישור שנוצרו בתהליך הייצור.

ועכשיו אני הולך להראות לכם איך אני הולך להסיר אותו ולעשות את ריפוי ה-PDMS. בשל אפקט חרוז הקצה, העובי בפריפריה החיצונית של הפרוסה הוא יותר מהמכשירים בפועל במרכז הנייר. אז מה שאנחנו הולכים לעשות זה להסיר את סימני היישור האלה באמצעות להב המילואים ואז כדי להכיל את המשקולות, אנחנו הולכים להשתמש במרווחים האלה בגובה 140 מיקרון ואנחנו הולכים לשים אותם בארבע פינות של הוופל.

אז אתה צריך לוודא שסכין הגילוח לא מגיע קרוב למכשירים בפועל. עכשיו אני הולך להסיר את חלקיקי ה-SVA האלה באמצעות אבק האוויר והפרוסה מוכנה כעת להכנת תבנית ה-PDMS. אבל לפני שנעשה זאת, עלינו לשים את הספייסרים האלה שגובהם 140 מיקרון.

אז אני הולך למקם את ארבעת הסרטים בארבע הפינות של הוופל. אז אני הולך לוודא שהסרט נדבק לפרוסה כמו שצריך. אז הסיבה לכך שהקלטת הייתה בגובה 140 מיקרון היא ששני המפלסים הראשיים עם התעלות וה-VS הם בגובה 150 מיקרון.

וכאשר אנו מניחים את המשקל על גבי ה-PDMS במהלך ריפוי ה-PDMS, אנו רוצים לוודא שגיליון ה-PDMS יוצא שטוח. אז אנחנו משתמשים בארבעה מרווחים בפינות עם גבהים שווים. עכשיו אני הולך להראות איך אנחנו הולכים לקודד PDMS ולרפא אותו כדי ליצור את המכשירים.

אבל לפני שאעשה זאת, הרשו לי להראות לכם כיצד הכנו את פתרון ה-PDMS. אז אנו לוקחים 10 חלקים מהבסיס וחלק אחד מחומר הריפוי ומערבבים אותו היטב עקב תהליך הערבוב. אתה רואה שאנחנו מייצרים הרבה בועות בתמיסת ה-PDMS כדי להסיר את הבועות האלה, אנחנו הולכים לשים את ה-PDMS בחומר הייבוש לאחר הכנסת ה-PDMS לייבוש למשך 10 דקות, אין בועות.

ועכשיו ה-PDMS מוכן לשימוש לריפוי. עכשיו אני הולך להראות לכם איך אנחנו הולכים לשים את ה-PDMS על הפרוסה ולרפא אותה כדי להשיג את קרום ה-PDMS. אז אני הולך לשים את ה-PDMS על הפרוסה ואז להשתמש בשקיפות הזו כדי לכסות את ה-PDMS.

וזה יעזור לנו להסיר את המכשיר, להפריד את המכשיר מהשקיפות, ואז אני הולך להניח את המשקולות על גבי השקיפות. והסיבה לכך שאנו משתמשים במשקולות היא כדי לקבל עובי אחיד של ה-PDMS. ונושא קריטי נוסף הוא להשיג את הפתחים דרך.

אז בכל מקום שיש נגד, אנחנו לא רוצים PDMS והמשקולות יעזרו לנו לעשות זאת. כפי שאתם יכולים לראות כאן, הפלטה החמה כבויה והסיבה לכך היא שאנחנו לא רוצים שה-PDMS יתרפא באופן מיידי, אז אנחנו נותנים לו להיות כבוי. ואז אתה צריך לוודא שהפרוסה שטוחה לפני שאתה מעביר את ה-PDMS.

ועכשיו אנחנו יכולים להעביר את ה-PDMS שהכנו קודם. הקפד לחלק את ה-PDMS קרוב מספיק לפרוסה כדי שלא תיצור בועות. והנקודה הקריטית ביותר כאן היא האופן שבו אתה שם את השקיפות על גבי ה-PDMS.

עליכם לוודא שאינכם מייצרים בועות עקב הצבת הסדין. ועכשיו אני הולך למקם את אחת ממעבדות הזכוכית הללו ולתת לעודף ה-PDMS לצאת מהדרך. אני מציב עוד שלוש מעבדות זכוכית וכדי לוודא שמעבדות הזכוכית לא יזוזו עבור המאסטר הספציפי הזה.

ועבור התכונות הספציפיות הללו, גילינו שהצבת ארבע מעבדות הזכוכית הללו הופכת את ה-VS. ולתת לעודף ה-PDMS לצאת מהדרך בין השקיפות לפרוסת. אנו מחכים דקה עד שתיים ואז נוכל להפעיל את הפלטה החמה עבור מאסטרים שונים ולעיצובים שונים, ייתכן שתצטרך להגדיל את מספר מעבדות הזכוכית או להקטין את מעבדות הזכוכית על מנת לקבל את פתחי הדרך. עכשיו הפלטה החמה מוכנה להפעלה ואני הולך להגדיר טמפרטורה של 75 מעלות.

וברגע שהטמפרטורה של 75 מעלות מגיעה, אז נוכל לכוון את הטיימר לשעה אחת ולתת ל-PDMS להתרפא. כעת, לאחר שהשארנו את ה-PDMS לריפוי למשך שעה, אנו יכולים לכבות את הפלטה החמה ולתת לה להתקרר ל-50 מעלות צלזיוס. הסיבה לכך היא כדי שה-SEA לא ייסדק.

אם נסיר אותו מיד מ-75 מעלות לטמפרטורת החדר, כעת נוכל לכבות אותו ולחכות שהוא יירד ל-50 מעלות צלזיוס. כעת, לאחר שטמפרטורת הפלטה החמה ירדה ל-50 מעלות צלזיוס, נוכל להסיר את המשקולות מהשקיפות. כעת נוכל להסיר את הוופל מהנגן החם והוא מוכן לחיתוך.

כעת גיליון ה- PDMS מוכן להסרה מהמאסטר C 8 ועלינו להסיר את נייר האלומיניום. אז אנחנו צריכים להסיר את גיליון השקיפות. יש לנו כאן את תא הזילוף הסטנדרטי.

שינינו אותו כדי שנוכל ליישר אותו. החורים, יציאות הכניסה והיציאה של המכשיר המיקרופלואידי. אז אלו הן ארבע יציאות הכניסה ויציאת יציאה אחת על קרום ה-PDMS.

ואלה צריכים להתאים לארבעת הכניסות ולשקע אחד בתא הזילוף. עכשיו אני הולך להחליק את תא הזלוף ואז ליישר אותו עם החורים בקרום ה-PDMS. עכשיו כשהם מיושרים, זה מוכן לחיתוך.

עכשיו אתה יכול להסיר את החדר החוצה ולהשתמש בבדיקה. ודא שכל הקצוות של קרום ה-PDMS חופשיים להסרה. ברגע שנעשה זאת, נוכל להשתמש במקפיא כדי להסיר את ממברנת ה-PDMS ולוודא שכאשר אתה מסיר את ה-PDMS מהחלק העליון של המכשיר, אתה מזיז את ה-PDMS לאט מאוד כדי שלא תקרע את קרום ה-PDMS.

עכשיו אני הולך למקם את קרום ה-PDMS עם החללים שנוצרים עם שמונה המאסטרים של SC למעלה ולוודא שהוא שטוח. והסיבה לכך שאנו עושים זאת היא שכאשר אנו מייצרים את החורים, יציאות הכניסה והיציאה, ה-PDMS אינו מחוספס בצד. זה הולך להיות קשור עם פתק הכיסוי.

אז אנחנו צריכים לוודא שהחללים נמצאים בצד העליון. כעת אנו יכולים ליצור את יציאות הכניסה והיציאה רק כדי שנוכל לראות את החורים בבירור. שמנו רקע שחור.

עכשיו אני הולך לגרום ליציאות הכניסה והיציאה לוודא שלא נשאר PDMS ביציאה. כך גם זהו, הסר כל PDMS. כעת אנו הולכים להעביר את קרום ה- PDMS ליריעת שקיפות אחרת.

כך שנוכל לטפל בסדין ובהחלקת הכיסוי בפלזמה ולהניח אותה כך ששוב, החללים עדיין בחלק העליון. אז ברגע שמשטח זה מטופל בפלזמה והחלקת הכיסוי מטופלת בפלזמה, אנו יכולים לחבר את שני המשטחים הללו יחד כדי ליצור את הרשת המיקרופלואידית כדי להסיר את בועות האוויר בין יריעת ה-PDMS. והשקיפות יכולה להשתמש בסקוטש.

אז זה יבטיח שגיליון ה-PDMS יהיה שטוח וההדבקה תתרחש הרבה יותר טוב. ואז שוב, השתמש בסקוטש על המשטח העליון כדי להסיר אבק מממברנת ה-PDMS. כעת נוכל לשים את תלוש הכיסוי שנחבר עם קרום ה- PDMS.

ועכשיו שני ה-PDMS האלה והזכוכית מוכנים לטיפול בפלזמה. אנו הולכים לטפל בפלזמה ב-PDMS ובהחלקת הכיסוי באמצעות מערכת פלזמה שהשתנתה במיקרוגל שבה אתה יכול לראות שתא הזכוכית הזה מאפשר לנו ליצור את הפלזמה בתוך המיקרוגל הזה. ותן לי למקם את הדגימות בפנים וליצור ואקום בתוך החדר.

עכשיו אני יכול לזרום חמצן. עכשיו מערכת הפלזמה מוכנה לפעולה ואני הולך להשתמש ב-10% הספק ו-10 שניות עבור המערכת הספציפית הזו כדי לעזור להמחיש את הפלזמה. בזמן שהטיפול בפלזמה נמשך, העברנו את החשמל למאה אחוז וכיבינו את האורות.

ועכשיו אתה יכול לראות את הפלזמה מיד לאחר הטיפול בפלזמה. אתה צריך לחבר את שני המשטחים, את החלקת הפרה ואת ה-PDMS אחרת משטח ה-PDMS יאבד את ההידרופיליות שלו עקב הטיפול בפלזמה. לאחר הנחת החלקת הפרה, ודא שכל המשטח מחובר זה לזה ללא בועות אוויר.

אם יש בועות אוויר, אתה יכול להסיר אותן. עכשיו אתה מניח אותו בצד לחמש דקות ונותן לו להיקשר. אז הנה לנו תא הזלוף השונה שבו שינינו את בסיס החדר עם PDMS.

וזה נעשה קודם לכן. אז הנחנו שקיפות על פלטה חמה על פלטה חמה שהייתה כבויה. ואז שפכנו את ה-P-D-M-S-P-D-M-S שהוכן באופן דומה לזה שהוצג קודם.

ואז הנחנו את תא הזלוף על גבי ה-PDMS ואז הנחנו משקולת בודדת כפי שמוצג כאן ונתנו לו להתרפא במשך 30 דקות או 75 מעלות צלזיוס. ועכשיו אני הולך להראות שבזמן שאנחנו מחכים ל-PDMS ולחיבור החלקת הכיסוי, אנחנו יכולים להמשיך ולהכין את החדר. כך שנוכל לחבר את החדר ואת המכשיר המיקרופלואידי.

אז אנחנו צריכים להסיר PDMS עודפים מכל מקום שאנחנו לא צריכים אותו. הסר את השקיפות ואז PDMS, אז עלינו להסיר את ה- PDMS מיציאות הכניסה והיציאה. כעת החדר מוכן לחיבור עם המכשיר המיקרופלואידי שהכנו קודם לכן.

כעת, לאחר שחיכינו חמש דקות, המכשיר המיקרופלואידית מוכן להפרדה מהשקיפות, אך עליכם לוודא שאתם מסירים את השקיפות בקצב איטי. אז ה-PDMS והכיסוי, הם לא נפרדים. כעת, כשתא הזלוף מוכן, עלינו לטפל בפלזמה במשטח התחתון של התא שבו ציטטנו את ה-PDMS ואת המשטח העליון של המכשיר המיקרופלואידי שעליו יש את ה-PDMS.

אז עכשיו אנחנו הולכים להכניס את שני החלקים האלה לתא הפלזמה ולעשות את הטיפול בפלזמה בעוצמה של 10% למשך 10 שניות. כעת שני המשטחים טופלו בפלזמה והם מוכנים להדבקה. לפני שאתה מתחבר, עליך לוודא שיציאות הכניסה והיציאה בתא מתיישרות עם המכשיר המיקרופלואידי.

ומכיוון שהתכונות שאנו מיישרים הן גדולות מספיק, איננו זקוקים לציוד מיוחד ואנו יכולים לעשות זאת בעין בלתי. לאחר שאתה מיישר ומניח על גבי החדר, ודא שכל המשטחים נמצאים במגע ואז תוכל לתת לו לשבת במשך חמש דקות. אז ההדבקה טובה מספיק לניסויים לאחר המתנה של חמש דקות.

כעת, לאחר שהמכשיר המיקרופלואידי נקשר לתא, אנו הולכים להפוך את התעלות במשטח התעלה להידרופיליות. כך שכאשר אנו מזרימים בפועל את תמיסת ה-CFS או כל נוירוטרנסמיטורים אחרים, התמיסות יכולות לזרום ביתר קלות. אז מה שאני הולך לעשות זה לשים את כל המכשיר הזה בפלזמה ובפלזמה, לטפל בו במשך דקה אחת ב-10% כך שמשטחי התעלה הפנימית השלמים יהפכו להידרופיליים.

ואז אני הולך למלא אותו במים ואז לקחת אותו למערך האלקטרופיזיולוגיה כדי שנוכל לעשות את הניסויים בפועל. אוקיי, עכשיו אנחנו מוכנים לעבור למערך האלקטרופיזיולוגיה ולהשתמש במכשיר הזה עם פרוסת המוח. היי, שמי הוא uo.

אני עובד עם ד"ר ארינגטון וד"ר פול, המחלקה לביו-הנדסה באוניברסיטת אילינוי. ועכשיו אני הולך לעבוד עם המכשיר המיקרו חופשי שהביא ופשוט אכל מעל הפלטפורמה הזו. מצד אחד, אנו יכולים לראות את צינורות השפע.

בצד השני, אנו יכולים לראות את צינור היניקה. אז המכשיר הולך להיות מועשר בתמיסת CSF, שמבעבעת ב-95% חמצן ו-5% CO2. עכשיו כשמכשיר המיקרו V מוכן, אני הולך לקבל את רישיון המוח ואז אני הולך לשים אותם על מכשיר המיקרו.

עכשיו אני הולך לשים את פרוסת המוח, אה, על החלק העליון של הפתחים העגולים, ואז אני הולך להשתמש בעוגן כדי לשתק את פרוסת המוח. עכשיו כשפרוסת המוח משותקת, אני הולך להשתמש בנוירוטרנסמיטורים כדי לעורר אותה. ממש כאן יש לנו ארבעה כניסות, אז אני הולך לשים נוירוטרנסמיטר בכל כניסה על ידי שימוש בשאיבה הפסיבית מארבעת הכניסות האלה עד ליציאה זו.

ועכשיו ד"ר פול הולך לדבר על המכשיר הזה. בשביל מה כל כך חשוב לנו? היי, אני כריס פול ואנחנו עוסקים בפיזיולוגיה של המוח.

והסיבה שאנו צריכים להשתמש בפרוסות מוח היא לגישה עם מיקרו-אלקטרודות וטכנולוגיית הדמיה. ועד כה, הדרך היחידה שבה יכולנו לשנות את סביבת המוליכים העצביים עבור פרוסות המוח האלה היא לשנות את הזרימה על פני כל הפרוסה או לנפח נוירוטרנסמיטורים ישירות באמצעות מיקרו-פיפטה קטנה מאוד. אז אנחנו ממש נרגשים לעבוד עם הקבוצה של אדינגטון.

הטכנולוגיה החדשה הזו תאפשר לנו לטפל באזורים גדולים במוח ולשנות באופן מקומי את סביבת המוליכים העצביים. ואז במקביל אנחנו יכולים עכשיו להיכנס עם האלקטרודות שלנו וטכנולוגיית ההדמיה שלנו ואולי בסופו של דבר לבנות מכשירי הקלטה מרובי אלקטרודות לאותה יחידה. אוקיי, אז הנה אתם רואים פרוסת נקע של עכבר במכשיר המיקרופלואידי.

ואתם יכולים להבחין אפילו בעין שהמוח מורכב מאזורים רבים ושונים. האזורים האלה עושים דברים שונים. ואצל החיה החיה, לאזורים השונים האלה במוח יהיו צלילים נוירומודולטוריים ונוירוטרנסמיטורים שונים.

ואנחנו רוצים להיות מסוגלים לשכפל את זה בתא הפרוסות שלנו בזמן שאנחנו מבצעים הקלטות אלקטרופיזיולוגיות והדמיה. ולכן זה באמת מעולה להיות מסוגל לטפל באזורים השונים הללו עם נוירוטרנסמיטורים שונים בריכוזים שונים ובמסלולי זמן שונים. ולמרות שאיננו יכולים באמת לדמיין נוירוטרנסמיטורים, אנו יכולים להראות לכם כאן דוגמה של צבע פלואורסצנטי שנשאב לתוך פרוסת המוח באזורים שונים.

הנה אתם רואים סרט שבו אנו מזרימים צבע פלואורסצנטי דרך תעלות המכשיר ופשוט מדמיינים אותו יוצא מהנקבוביות שנוצרו. ואפילו באב-טיפוס המוקדם הזה, אתה יכול לראות עד כמה הרזולוציה המרחבית מדויקת עם הזרימה. בזמן שאנו צופים בסרט, אתם תראו את הצבע זורם לתוך התעלות ואז החוצה מהחורים, ואז נשטוף את הצבע החוצה, וניתן לכם מושג מה הרזולוציה הזמנית של הזרימה.

תודה שהצטרפת אלינו היום. אני חושב שהצלחנו להדגים כיצד מיקרופלואידיקה, ולמעשה מיקרו-מכונות, יכולות להיות משולבות עם טכניקות פיזיולוגיות מסורתיות כדי לעזור לנו להבין כיצד המוח פועל. תודה.