שיטות אריזה של אב-טיפוס מיקרו-נוזלי בתפוקה גבוהה מהירה ובעלות נמוכה
23 בדצמבר 2013
במאמר זה אנו מתארים טכניקות שונות עבור פלטפורמות אב טיפוס מהירות מיקרופלואידיות. הטכניקות המוצעות מבוססות על אפוקסי אולטרה סגול (UV) וריפוי טמפרטורה, צינורות מבוססי פולידימתילסילוקסן (PDMS), הדבקת חוטים וסרטי דבק אנזוטרופיים. הליכי ההרכבה המוצגים פותחו הן עבור מכשירים לשימוש חד פעמי והן עבור מערכות מיקרופלואידיות לשימוש חוזר.
המטרה הכוללת של הליך זה היא להציג אפשרויות שונות עבור פלטפורמות אב טיפוס מהירות מיקרופלואידיות. זה מושג על ידי ייצור תחילה של מחבר נשלף באמצעות PDMS. השלב השני הוא אבטחת צינורות מיקרו במחבר או ישירות לשבב המיקרופלואידי.
לאחר מכן, השבבים המיקרופלואידיים מורכבים ומחוברים לממשק חשמלי. בסופו של דבר, נוזל מוזרם דרך המחבר לתוך השבב המיקרופלואידי במהירויות שונות. כדי להעריך את חוזק מחבר ה-PDMS, היה לי לראשונה רעיון לשיטה זו בעת תכנון שבב מיקרופלואידית עם פלט כניסה חשמלי גבוה, והייתי זקוק למחבר נשלף בקלות כדי לבדוק דפוס שונה של התפשטות שדה חשמלי של ערוץ ENC עם מספר רב של אלקטרודות ערוץ ENC.
כדי להתחיל להכין את ה-PDMS על ידי ערבוב ה-PDMS וחומר הריפוי ביחס של 10 ל-1, ולאחר מכן להסיר את התערובת על ידי הנחתה תחת ואקום נמוך למשך 60 דקות. לאחר מכן, מחממים מראש וטמפרטורת התנור ל 80 מעלות צלזיוס ומחכים שהטמפרטורה תתייצב בזמן שהתנור מתחמם. נקה את פני השטח של השבב המיקרופלואידי שבו יוצב מחבר ה-PDMS באמצעות אתנול.
הניחו לו להתייבש באזור נטול אבק. העבירו את צלחת ה- PDMS לתנור שחומם מראש ותנו ל- PDMS להתפלמר מעט בחום של 80 מעלות צלזיוס למשך 12 עד 15 דקות, הכניסו את השבב המיקרופלואידי אליו יבוצע החיבור לתנור עם שכבת ה- PDMS כך שיהיה באותה טמפרטורה לאחר 15 דקות. הסר את ה-PDMS ואת השבב המיקרו-נוזלי מתנור הריפוי.
לאחר מכן השתמש בסכין גילוח כדי לחתוך חתיכה של חמישה על חמישה מילימטר של PDMS. לאחר מכן נקב שני חורים של שני מילימטר דרך שכבת ה-PDMS. הסר את ה-PDMS מצלחות הפטרי והנח אותו מעל השבב המיקרו-נוזלי.
הקפד ליישר במדויק את החורים ולאחר מכן ללחוץ בעדינות על ה-PDMS למקומו. כשהמחבר במקומו, חתוך צינורות טפלון בקוטר שני מילימטר בקוטר פנימי של 100 מיקרון, באמצעות להב חדש כך שקצה צינור המיקרו ייחתך בסופו של דבר בניצב לאורכו. הצינור צריך להיות ארוך מספיק כדי לחבר אותו למשאבת מזרק מבלי להפעיל לחץ על המחבר.
באמצעות מיקרו מיקום הכנס צינורות דרך שכבת מחבר ה-PDMS במידת הצורך, הוסף אפוקסי בין הצינור ל-PDMS להיצמדות טובה יותר. לאחר מכן חבר את הקצה השני של הצינורות למערכת הזרקת הנוזלים. כחלופה למחברים מבוססי PDMS ניתן להשתמש באפוקסי כדי לאבטח לצמיתות את צינורות המיקרו למקומם.
כדי להשיג זאת, השתמש במיקום המיקרו כדי למקם בזהירות את צינור המיקרו בחור הגישה של השבב המיקרופלואידי. לאחר מכן מרחו אפוקסי UV או סטנדרטי סביב חורי הגישה ורפא אותו בהתאם למפרט היצרן. כדי להתחיל בהלחמה, הרכבה משטחית, הכפל את הפינים של מחברים חשמליים ללוח מעגלים מודפסים.
לאחר מכן בדוק את הרפידות החשמליות של השבב המיקרופלואידי, ונקה כל זיהום פני השטח על ידי חשיפה לחמצן פלזמה למשך כ-10 דקות עם פחות או יותר זמן, תלוי בכמות הניקוי הנדרשת. אם לא נמצא זיהום פני השטח, פשוט נקה את הרפידות באתנול. לאחר מכן, השתמש בלהב חד כדי לחתוך סרט מוליך לחתיכות קטנות של שני מילימטר על מילימטר אחד כך שיהיו באותם מידות כמו השבבים המיקרופלואידיים.
רפידות חשמל. לאחר מכן השתמש במלקחיים נקיים כדי להניח את הסרט המוליך על המעגל המודפס מעל רפידות החשמל. יישר את השבב המיקרו-נוזלי עם המחבר שכבר נמצא במקומו מעל המעגל המודפס.
באמצעות מכונת יישור, הנח שכבת בידוד כגון נייר על המעגל המודפס כדי למנוע קצר חשמלי, ולאחר מכן חבר את תושבת המתכת באמצעות ברגי מכונה ואומים כשההרכבה הושלמה. התחל לבדוק את ההגדרות הבודדות על ידי הזרמת מים נטולי יונים דרך משאבת המזרק. הגדל את מהירות המשאבה לאט עד שהמערכת מתחילה לדלוף, ובשלב זה הושג הלחץ המרבי.
לאחר הניסוי שלך, הסר את אומי הברגים של המכונה ואת תושבות המתכת. לאחר מכן הפרד בעדינות את השבב המיקרופלואידי ואת המעגל המודפס. לבסוף, השתמש באתנול כדי להסיר את דבק הסרט המוליך מרפידות החשמל בלוח המעגלים המודפסים ובשבב המיקרופלואידי לפני ההרכבה מחדש.
שלוש טכניקות שונות של חיבור צינורות בין-מחברים מושווים בטבלה המוצגת כאן. מחבר ה-PDMS מוצע לשימוש עם יישומי לחץ נמוך כאשר יש לחשוף את התכן המיקרו-נוזלי ודורש בניית אב-טיפוס מהיר. אפוקסי סטנדרטי ואפוקסי UV מספקים חיבור חזק וניתן להשתמש בהם עבור יישומי לחץ נמוך וגבוה כאחד, אך יוצרים אטימה קבועה עם ההתקן, שעשויה להיות לא רצויה.
מחברי ה-PDMS מוצגים כאן בהשוואה לכמה מההגדרות הנפוצות יותר של מחברים. מחבר ה-PDMS בעובי מילימטר אחד יכול לעמוד בלחץ פי שלושה מהלחץ של מחבר בעובי 0.45 מילימטר. זה מתייחס פי חמישה מקצב הזרימה עבור המחבר בעובי מילימטר אחד בהשוואה למחבר 0.45 מילימטר לאחר שליטה, ניתן להשלים טכניקה זו תוך 10 עד 20 דקות אם היא נעשית כראוי.
צפו בתמליל המלא וקבלו גישה לאלפי סרטונים מדעיים
סקירה כללית
מאמר זה מציג טכניקות שונות לפיתוח מהיר של פלטפורמות מיקרופלואידיקה, תוך התמקדות בשימוש ב-PDMS ובחומרים אחרים. השיטות המתוארות מקלות על ההרכבה של מערכות מיקרופלואידיות לשימוש חד-פעמי וגם כאלה הניתנות לשימוש חוזר.
מרכיבי מפתח של המחקר
תחום מדעי
- מיקרופלואידיקה
- טכניקות אב-טיפוס
- מדע החומרים
רקע
- התקנים מיקרופלואידיים חיוניים ליישומים ביולוגיים שונים.
- PDMS הוא חומר נפוץ במיקרופלואידיקה בשל תכונותיו המועילות.
- טכניקות של בניית אב-טיפוס מהירה מאפשרות פיתוח ובדיקה מהירים של מערכות מיקרופלואידיות.
- הבנת שיטות ההרכבה היא קריטית לתפקוד ההתקן.
מטרת המחקר
- לבחון אפשרויות שונות עבור פלטפורמות לאב-טיפוס מהיר של מיקרופלואידיקה.
- להדגים את הייצור של מחברים נשלפים באמצעות PDMS.
- להעריך את ההרכבה ואת הביצועים של שבבים מיקרופלואידיים.
שיטות שנעשה בהן שימוש
- ייצור של מחברים נתיקים באמצעות PDMS.
- קיבוע של מיקרו-צינורות למחבר או ישירות לשבב המיקרופלואידי.
- הרכבת שבבים מיקרופלואידיים וחיבורם לממשק חשמלי.
- הזרמת נוזל דרך המחבר אל תוך השבב המיקרופלואידי.
תוצאות עיקריות
- ייצור מוצלח של מחברי PDMS.
- הדגמת שיטות הרכבה עבור התקנים מיקרופלוידיים.
- הערכה של זרימת נוזלים במהירויות שונות דרך המערכת המיקרופלוידית.
- תובנות לגבי ביצועי המחבר בבדיקת התפשטות שדה חשמלי.
מסקנות
- הטכניקות המוצגות יעילות לבניית אב-טיפוס של מערכות מיקרופלואידיקה.
- מחברי PDMS מספקים פתרון גמיש לבדיקת התקנים.
- ניתן להתאים שיטות אלו ליישומים מיקרופלואידיים שונים.
שאלות נפוצות
רלוונטיות תעשייתית למנהלים
פיתוח אבות-טיפוס מיקרופלואידיים מהיר ובעל יעילות כלכלית הוא קריטי להאצת פיתוח בדיקות בשלבים מוקדמים ותיקוף מכשירים במחקר ובפיתוח בתחום הביופארמה.&ד. שיטות האריזה המתוארות מאפשרות הרכבה גמישה וניתנת להרחבה של פלטפורמות מיקרופלואידיות, התומכת בתכנון איטרטיבי ובבדיקה פונקציונלית. יכולות אלו משפיעות באופן ישיר על המהירות והמהימנות של זרימות עבודה פרה-קליניות ואסטרטגיות סריקה מבוססות מכשירים.
יישומים אסטרטגיים במחקר ופיתוח בביו-פארמה&ד'
גילוי מוקדם ותיקוף מטרה
- מאפשר בניית אב-טיפוס מהירה של התקני מיקרופלואידיקה עבור ניסויים מונחי-היפותזה.
- מאפשר תיקוף פונקציונלי של בדיקות ביולוגיות המשולבות בהתקן תחת תנאי זרימה ולחץ משתנים.
- תומך במחזורי תכנון איטרטיביים לאופטימיזציה של ארכיטקטורת ההתקן והקישוריות שלו.
סריקה ופיתוח בדיקה
- מספק הרכבה סטנדרטית וניתנת לשחזור עבור פלטפורמות של בדיקות מיקרופלואידיות.
- מאפשר תצורות מכשיר קבועות וניתנות לשימוש חוזר כדי להתאים לצרכי הסריקה.
- מאפשר הערכה כמותית של ביצועים פלואידיים וחשמליים על פני וריאציות שונות של המכשיר.
מחקר תרגומי ופרה-קליני
- תומך בהתאמה של מערכות מיקרופלואידיות לשילוב מודלים רלוונטיים למחלה בעת הצורך.
- שומר על יכולת תצפית של המכשיר עבור יישומים בעלי תעלות קצרות, ובכך מסייע במחקרים מכניסטיים.
- מציע גמישות להעברה ותיקוף של בדיקות פרה-קליניות בין צוותי מחקר.
שילוב תהליכי עבודה וצנרת עיבוד (Pipeline)
שיטות אריזה אלו ממיקמות את בניית האבות של מיקרופלואידיקה בנקודת המפגש בין שלבי הגילוי המוקדמים, פיתוח בדיקות ותיקוף קדם-קליני של מכשירים.
- ביולוגיה של גילוי: מאפשרת בדיקה מהירה של היפותזות ובדיקת מסלולים מבוססת מכשירים.
- סריקה: מספקת הרכבה ניתנת לשחזור ובקנה מידה רחב עבור פלטפורמות של בדיקות עם תפוקה גבוהה.
- אנליזה: מספקת קריאות כמותיות של זרימה, לחץ וקישוריות חשמלית לצורך ניתוח השוואתי.
- מחקר תרגומי: תומכת ברצף מהאב-טיפוס ועד לתיקוף פרה-קליני כאשר נדרשות בדיקות מבוססות מכשירים.
- שימוש חוזר ארגוני: מציעה תצורות מכשירים לשימוש חוזר, מה שמפחית את העלויות ומגדיל את גמישות הפלטפורמה.
השפעה תפעולית וארגונית
- ערך מדעי: מגביר את הביטחון החזוי בביצועי בדיקה מבוססת מכשיר ובתיקוף המטרה.
- ערך תפעולי: סטנדרטיזציה של זרימות עבודה של הרכבה, לשיפור השחזוריות והיכולת להרחבה.
- ערך אסטרטגי: מאיץ קבלת החלטות של "המשך/עצור" (go/no-go) עבור פלטפורמות בדיקה וסריקה מבוססות מכשיר.
- השפעה על הפורטפוליו: מאפשר תעדוף מותאם סיכונים של פרויקטים לפיתוח בדיקות מבוססות מכשיר.
שיקולי יישום
- דורש מומחיות בטכניקות של ייצור והרכבה של התקני מיקרופלואידיקה.
- נדרשת גישה לתנורי ייבוש (curing ovens), מיקרו-מניפולטורים ומכשור אנליטי לבדיקות זרימה ולחץ.
- נדרש סטנדרטיזציה של פרוטוקולי הרכבה בין צוותים לצורך הדירות.
- התאמה למבני התקנים שונים עשויה לדרוש אופטימיזציה של עובי ה-PDMS ושל עיצוב החיבורים.
- תצורות הניתנות לשימוש חוזר מוגבלות ליישומים בלחץ נמוך, אלא אם כן הן נאטמו באופן נוסף באמצעות טיפול בפלזמה של חמצן.
