נימים מבוססות מכשיר microfluidic צנטריפוגלי עבור גיבוש גודל לשליטה של Monodisperse microdroplets
February 22nd, 2016
כאן, אנו מדגימים שיטת ייצור פשוטה עבור מיקרו-טיפות מים בשמן (W/O) הניתנות לשליטה בגודל, חד-פיזוריות, באמצעות מכשיר מיקרופלואידיקה צנטריפוגלי מבוסס נימים. שיטה זו דורשת נפח דגימה קטן בלבד ומאפשרת ייצור בתפוקה גבוהה. אנו מצפים ששיטה זו תהיה שימושית לניתוחים ביוכימיים ותאים מהירים.
המטרה הכוללת של הליך זה היא לייצר מיקרו-טיפות מים ושמן חד-פיזוריות למחקרים ביולוגיים באמצעות מכשיר מיקרופלואידי. שיטה זו יכולה לסייע בייצור מיקרו-טיפות חד-פיזוריות עבור השדה הביוכימי כדי לקדם את חקר העבודה בסינתזה, PCR של מולקולה אחת, אנקפסולציה בודדת ומידול פשוט של תאים חיים. היתרונות העיקריים של טכניקה זו הם שהיא קלה ומתכווננת.
זה דורש פחות ממיקרוליטר של תמיסת דגימה והוא יכול לייצר מיקרו-טיפות חד-פיזוריות בגודל הנדרש. מי שתדגים את ההליך תהיה מוריטה, פוסט-דוקטורנטית מהמעבדה שלי. המכלול המיקרופלואידיקה המבוסס על נימים מתחיל בהכנת מחזיק הנימים.
התחל בכרסום ארבעה דיסקים מלוחות פלסטיק פוליאצטיל בעובי שני מילימטר באמצעות מכונת כרסום. הדיסקים משמשים ליצירת עמוד הנתמך על ידי מוטות וברגים. בעזרת ברגי M.2, הרכיבו את הלוחות.
ראשית, מדיסקים אחד ושני, הרכיבו את החלק התחתון של המחזיק. לאחר מכן, קצר את הברגים על ידי חיתוכם בחלקי ההברגה. חבר שלושה מתוך ארבעת החורים כדי לאבטח את שני הדיסקים וליצור ערימה של 0.9 סנטימטר.
באופן דומה, הרכיבו את החלק העליון של המחזיק מדיסקים שלוש וארבע. השתמש בשניים מהחורים בכל צלחת כדי לחבר את הלוחות. הפוך את הערימה לגובה 0.7 סנטימטרים.
כעת, השתמש בבורג ארוך כדי לחבר את שני החורים הריקים בחלק העליון של המחזיק עם שני החורים הריקים בחלק התחתון של המחזיק. הבורג הארוך צריך לשים פער בין המחזיקים שהוא כשניים עד שלושה מילימטרים וראש הבורג צריך לתלות את המחזיק שהושלם בכ -2.2 סנטימטרים. כל ניסוי משתמש בקבוצה חדשה של נימים המיוצרים משני נימים.
מנימי 90 מילימטר, צרו שני נימים פנימיים בעזרת חותך זכוכית. צור שני חלקים שווים בגודלם. מנימי 150 מילימטר, צרו שלושה חלקים נימיים פנימיים.
לאחר מכן, בעזרת מושך זכוכית, חדדו כל קטע נימי. הגדר את משקל המושך למקסימום והגדר את רמת החום ל-60-70 מעלות עבור הנימים החיצוניים או 70-80 עבור הנימים הפנימיים. לאחר מכן, חדדו בזהירות את הזכוכית.
שמור על אורך החלקים המכווצים של הנימים בגבולות המומלצים. אם אורך הקצוות ארוך או קצר מדי, כוונן את גוף החימום עד להשגת האורך הנכון. כעת, התכוננו לחתוך את הטיפים.
ראשית, השתמש בסרט שקוף כדי לאבטח נימי לשלב מיקרוסקופ. תלו את הקצה מתחת למטרה. שנית, בעזרת חוט פלטינה מכוסה בחרוזי זכוכית, חתכו את הקצה בשלושה שלבים.
ראשית, הניחו את הנימים במקום בו ההפסקה צריכה להתרחש במגע עם חרוז קר. שנית, מחממים את החוט למשך שנייה עד שתיים. ואז שלישית, חתכו את הקצה על ידי קירור חוט הפלטינה.
יש לבצע פעולה זו באמצעות בקרת דוושת רגל לחימום החוט. כעת, בעזרת מיקרו-זיוף, התאם את קוטר פתחי הנימים. עבור שני נימי הזכוכית החיצוניים, הפוך את הפתחים שלהם ל-60 מיקרון.
שכן שלושת הנימים הפנימיים יוצרים פתחים בקוטר של חמישה, 10 ו -20 מיקרון. כדי ליצור את המיקרו-טיפות, מלאו תחילה נימי זכוכית חיצוניים בחומר פעילי שטח המכיל שמן כגון הקסדקן המכיל 2% סורביטין מונואולאט לפי משקל. טען 10 מיקרוליטר מהתמיסה לנימים.
לאחר מכן, אבטח את הנימים הטעונים לחלק התחתון של המחזיק. לאחר מכן, באמצעות פעולה נימית, טען כ- 0.1 מיקרוליטר של תמיסה מימית לנימים פנימיים מזכוכית. מקם את הנימים הפנימיים הטעונים בחלקו העליון של המחזיק.
כעת, הכנס את הנימים הפנימיים על פני המחזיק ולתוך הנימים החיצוניים. תוך כדי התבוננות בקצה דרך מיקרוסקופ, סובב את הבורג הארוך של המחזיק כדי להתקדם לאט ובזהירות בנימים הפנימיים אל הנימים החיצוניים. קדם את הנימים הפנימיים למקום שבו קוטר הנימים החיצוניים הוא בין 100 ל -150 מיקרון.
כעת, הכניסו 100 מיקרוליטר מאותו שמן עם חומר פעילי שטח לתחתית מיקרו-צינור של 1.5 מיליליטר. זה ישמש כצינור איסוף מיקרודופלט. מקם בזהירות את המחזיק והנימים לתוך המיקרו-צינור הטעון.
ודא שהנימים החיצוניים אינם במגע עם התמיסה במיקרו-צינור. לאחר מכן, טען את הצינור לצנטריפוגה מסוג מתנדנד על השולחן. כדי ליצור את המיקרו-טיפות, הפעל את הצנטריפוגה בכוח הכבידה פי 1, 600 למשך שנייה או שתיים.
לאחר מכן, הסר את הנימים והמחזיק מהצינור וקח אליקוט של מיקרו-טיפות המים-שמן שנאספו בצינור. הוציאו את המיקרו-טיפות על שקופית זכוכית ודמו אותן לניתוח. באמצעות פרוטוקול זה, מיקרו-טיפות מים-שמן שונות עשויות מהקסדקאן המכיל 2% סורביטין מונואולאט.
טיפות שנעשו באמצעות פיפטה פנימית בקוטר פתח של חמישה מיקרון נמדדו בקוטר של 8.3 מיקרון בממוצע. טיפות שנעשו באמצעות פיפטה פנימית בקוטר פתח של 10 מיקרון נמדדו בקוטר של 12.7 מיקרון בממוצע. טיפות שנעשו באמצעות פיפטה פנימית עם פתח של 20 מיקרון היו בקוטר של כ-17.9 מיקרון.
לפיכך, שיטה זו מייצרת מיקרו-טיפות חד-פיזוריות בקוטר הקרוב לגודל הפתח הנימי הפנימי. לאחר צפייה בסרטון זה, אתה אמור להבין היטב כיצד לייצר ולשלוט בגודל של מים חד-פיזוריים ומיקרו-טיפות שמן עבור ניסויים כימיים כמותיים. לאחר שליטה, ניתן לבצע טכניקה זו תוך חמש עד 10 דקות, אם היא מבוצעת כראוי.
View the full transcript and gain access to thousands of scientific videos
סקירה
מאמר זה מדגים שיטה לייצור טיפות מיקרו מבוקרות גודל, בעלות פיזור חלקיקים יחיד, מים-בשמן, באמצעות מכשיר מיקרופלואידי צנטריפוגלי המבוסס על נימים. השיטה יעילה, דורשת נפח דגימה מינימלי ומאפשרת ייצור בתפוקה גבוהה לצורכי ניתוחים ביוכימיים.
רכיבי מחקר עיקריים
תחום המדע
- מיקרופלואידיקה
- ביוכימיה
- ניתוח תאי
רקע
- טיפות מיקרו חיוניות למחקרים ביולוגיים שונים.
- פיזור יחיד הוא קריטי לשחזור בניסויים.
- שיטות מסורתיות עשויות לדרוש נפח דגימה גדול יותר.
- מכשירים מבוססי נימים מציעים יתרונות בבקרת גודל ויעילות.
מטרת המחקר
- לפתח שיטה פשוטה לייצור טיפות מיקרו בעלות פיזור יחיד.
- להקל על ניתוחים ביוכימיים ותאיים.
- להדגים את הקלות והכוונון של השיטה.
שיטות ששימשו
- התקנת מכשיר מיקרופלואידי צנטריפוגלי מבוסס נימים.
- הכנת מחזיק הנימים.
- הרכבת מיקרופלואידיקה משותפת.
- ייצור טיפות מיקרו בגדלים מבוקרים.
תוצאות עיקריות
- ייצור מוצלח של טיפות מיקרו בעלות פיזור יחיד.
- הוכחה של תפוקה גבוהה עם נפח דגימה מינימלי.
- הטיפות המיוצרות מתאימות ליישומי ביוכימיה שונים.
- הנוהל קל ליישום וניתן לכוונון.
מסקנות
- השיטה מספקת גישה אמינה לייצור טיפות מיקרו.
- היא משפרת את היכולת לניתוחים ביוכימיים מהירים.
- שיטה זו יכולה לקדם מחקר בתחום PCR של מולקולה יחידה ודוגמנות תאים.
שאלות נפוצות
Executive Industry Relevance
Rapid, size-controllable generation of monodisperse microdroplets enables scalable miniaturization of biochemical assays and single-cell analyses in early discovery workflows. This capillary-based centrifugal microfluidic device conserves precious biological samples while supporting high-throughput, quantitative experimentation. The approach strengthens predictive confidence and reproducibility at critical inflection points in biopharma R&D pipelines.
Strategic Applications in Biopharma R&D
Early Discovery & Target Validation
- Enables precise encapsulation for single-molecule PCR and single-cell studies.
- Supports functional interrogation of biological pathways with minimal sample input.
- Facilitates mechanistic de-risking by producing uniform assay conditions.
- Improves predictive confidence in target validation experiments.
Screening & Assay Development
- Prepares highly reproducible microdroplet systems for downstream biochemical screening.
- Standardizes droplet size to ensure quantitative comparability across assays.
- Enables rapid, scalable production of assay-ready microdroplets.
- Supports reliable evaluation of compound effects in miniaturized formats.
Translational & Preclinical Research
- Aligns with translational biomarker studies requiring single-cell or low-volume analysis.
- Maintains continuity from discovery through preclinical validation by conserving rare samples.
- Reduces risk in advancing candidates by supporting robust, quantitative data generation.
Pipeline & Workflow Integration
This device integrates into the discovery-to-preclinical continuum by enabling miniaturized, quantitative assays for target validation, screening, and translational research.
- Discovery Biology: Supports hypothesis testing and pathway analysis with controlled microenvironments.
- Screening: Delivers reproducible, quantitative droplet-based assays for compound evaluation.
- Analytics: Provides precise measurement of droplet size and encapsulated content for statistical comparison.
- Translational Research: Facilitates biomarker and single-cell studies with minimal sample requirements.
- Enterprise Reuse: Offers a scalable, adaptable platform for diverse R&D applications.
Operational & Enterprise Impact
- Scientific Value: Increases predictive confidence and reduces mechanistic ambiguity in early-stage studies.
- Operational Value: Enhances standardization, reproducibility, and throughput in assay development.
- Strategic Value: Improves go/no-go decision quality and capital efficiency by enabling robust data generation with limited samples.
- Portfolio Impact: Supports risk-adjusted prioritization and advancement of discovery programs.
Implementation Considerations
- Requires expertise in microfluidic assembly and capillary manipulation.
- Needs access to precision instrumentation for capillary fabrication and imaging.
- Demands cross-team standardization of droplet size and assay protocols.
- Adaptable to various biological and chemical model systems with minor adjustments.
- Limited by the need for careful handling of small sample volumes and device components.
Biopharma FAQs
Chapters in this video
0:05
Title
0:58
Fabrication of a Capillary-based Microfluidic Device: The Capillary Holders
2:30
Fabrication of a Capillary-based Microfluidic Device: The Glass Capillaries
4:40
Generating Water/Oil Microdroplets
6:50
Results: Typical W/O Microdroplets
7:44
Conclusion
