כלובי פניאומטיים Microfluidic: גישה חדשנית עבור In-שבב קריסטל שמן, מניפולצית טיפול כימי מבוקרת
12 ביולי 2016
כאן, אנו מתארים את הייצור והתפעול של מערכת מיקרופלואידית דו-שכבתית העשויה מפולידימתילסילוקסן (PDMS). אנו מדגימים את הפוטנציאל של מכשיר זה ללכידה, הכוונת מסלול הקואורדינציה של חומר מולקולרי גבישי ושליטה בתגובות כימיות על מבנים לכודים על השבב.
המטרה הכוללת של גישה זו היא להדגים את הפוטנציאל של התקן זה ללכידה, להכוונת נתיב הקואורדינציה של חומר מולקולרי גבישי ולשליטה בתגובות כימיות על גבי מבנים הלכודים על השבב. שיטה זו יכולה לסייע במתן תשובות לשאלות מפתח בתחום מדעי החומרים, כגון השפעת טיפולים כימיים מבוקרים על תכונותיהם של מבנים המורכבים באופן עצמי. וחשוב להדגיש כי מספר הטכנולוגיות המאפשרות טיפול כימי מבוקר תחת תנאים דינמיים הוא מוגבל מאוד כיום, מה שהופך גישה זו לאטרקטיבית מאוד בתחומים הקשורים לחומרים.
ראשית, הכינו תבנית מאסטר מסילנזת באמצעות פוטוליתוגרפיה של SU8. חלקיק הלכלוך (fouling particle) רגיש במיוחד הן לזמן והן לטמפרטורה. כל אי-עמידה במסגרת הזמן ובטמפרטורה המתוארות עלולה להוביל לייצור של התקן שאינו מודבק, ולכן אינו תפקודי.
הכינו את תערובת ה-PDMS על ידי שילוב של 50 גרם מהאלסטומר ו-10 גרם מחומר ההקשיה בתוך כלי שקילה חד-פעמי. ערבבו את הרכיבים באופן מלא בעזרת שפכטל פלסטיק. לאחר מכן, הכניסו את ה-PDMS המעורבב היטב למייבש (desiccator) תחת ואקום למשך 15 דקות כדי לבצע ניקוי גזים (degassing) מהתערובת ולהוציא בועות כלואות.
בעוד שהסדרה הראשונה של ה-PDMS עוברת תהליך של הוצאת גזים (degassing), ערבב סדרה שנייה באמצעות 10 גרם של אלסטומר ו-0.5 גרם של חומר המקשה. לאחר מכן, קבע את תבנית המאסטר המכילה את שכבת הביקורת לתוך מסגרת PTFE עגולה בקוטר 11 מילימטר. ברגע שתערובת ה-PDMS ביחס של חמישה לאחד תסיים את תהליך הוצאת הגזים, הוצא אותה מתא הוואקום.
כעת, שפכו את תערובת ה-PDMS ביחס של חמישה לאחד על תבנית המאסטר של שכבת הבקרה, עד שהתערובת תגיע לגובה הדופן האנכית הישרה של מסגרת ה-PTFE. לאחר מכן, הניחו אותה בתוך הדסיקטור. במקביל, הניחו גם את תערובת ה-PDMS ביחס של 20 לאחד בתוך הדסיקטור ושאיש שוב את האוויר ליצירת ואקום.
בצעו דגס (Degas) הן לתבנית המאסטר המצופה והן לתמיסת ה-PDMS ביחס של 20 ל-1 למשך 30 דקות נוספות. לאחר מכן, הוציאו את שניהם מהדסיקטור והניחו את תבנית המאסטר של שכבת הבקרה בתנור שחומם מראש ל-80 °C. בזמן ששכבת הבקרה נאפית, הניחו את תבנית המאסטר עבור השכבה הפלואידית על מכשיר spin coater.
שפכו כ-4 milliliters מהתערובת של PDMS ביחס של 20 ל-1 על התבנית הראשית עבור השכבה הפלואידית, ובצעו spin coat לווייפר למשך 40 שניות ב-1200 rpms כדי להשיג שכבה בעובי של 60 micrometers. לאחר זמן כולל של שעה אחת, פתחו את התנור, הניחו את הווייפר שעבר spin coat לצד שכבת הבקרה ואפו אותם יחד למשך 15 דקות נוספות ב-80 degrees Celsius. לאחר מכן, לאחר זמן כולל של 75 דקות, הוציאו את שני הווייפרים מהתנור.
ראשית, קלפו את תערובת ה-PDMS ביחס של חמישה לאחד עבור שכבת הביקורת. גזרו את השבבים באמצעות סכין גילוח. ולאחר מכן, נקבו את החורים עבור הכניסות באמצעות מחסן ביופסיה של 1 mm.
בשלב הבא, השתמשו בסרט דביק כדי להסיר שאריות מהשבבים החתוכים של שכבת הבקרה. לאחר שהשבבים נקיים, השתמשו במיקרוסקופ סטריאוסקופי כדי ליישר את שבב שכבת הבקרה מעל לתבנית המאסטר של השכבה הפלואידית. לאחר מכן, שפכו ומשכו את שאריות ה-PDMS מסביב לשבבים המורכבים.
הנח את כל המערך בתנור בטמפרטורה של 80 °C. אפה את ההתקנים המורכבים למשך הלילה. למחרת, הוצא את המכלול שהתקשה מהתנור והשאר אותו להתקרר לטמפרטורת החדר.
לאחר מכן, קלפו את מכלול ה-PDMS מתבנית המאסטר של השכבה הפלואידית. לאחר השחרור מתבנית המאסטר, חתכו את המכשירים בעלי השכבה הכפולה שיוצרו בעזרת להב, והשתמשו במנקב ביופסיה של 1.5 millimeter כדי ליצור את פתחי הכניסה והיציאה הפלואידיים. לאחר מכן, טפלו בכיסויי זכוכית ובשכבה הפלואידית של המכשיר המורכב באמצעות פריקת קורונה למשך דקה אחת או השתמשו בפלסמת חמצן, ובסぐו הדביקו את שני המשטחים זה לזה כדי להשלים את המכשיר המיקרופלואידי.
אפו את השבבים בעלי השכבה הכפולה המחוברים יחדיו בתנור בטמפרטורה של 70 עד 80 מעלות צלזיוס למשך ארבע שעות לפחות. כדי לשלוט במשטר הזרימה באמצעות משאבת מזרקים ובקר פניאומטי, חברו תחילה את המזרקים, שהוטענו מראש והוצבו במשאבת מזרקים, אל כניסות הנוזלים של המכשיר המיקרופלואידי, ואת המערכת של הבקר הפניאומטי אל כניסות הבקרה של המכשיר המיקרופלואידי. כדי להמחיש את הזרימה, טענו את אחד המזרקים בצבע מימי והזרימו אותו אל התא בקצב זרימה של 20 microliters לדקה.
לאחר מכן, השתמש במערכת הבקרה הפניאומטית כדי לסגור את השסתום על ידי הפעלתו בלחץ של three bar. חשוב לציין כי נוזל עדיין יכול לזרום מסביב לשסתום לאחר סגירתו, ומאפיין זה חשוב להשגת טיפול כימי מבוקר של מבנה לכוד, כגון פולימרים קואורדינציוניים. כדי לפתוח את השסתום, פשוט השתמש במערכת הבקרה לשחרור הלחץ.
בעוד תמיסת התבנית זורמת בערוץ הראשון, הזריקו נוזל מימי נוסף לערוץ הכניסה השני באותו קצב זרימה כדי ליצור ממשק בין שתי הזרימות המימיות. לאחר מכן, סגרו את השסתום על ידי הפעלתו בלחץ של three bar. הפעלת השסתום במהלך זרימה כפולה משנה את הממשק של שתי הזרימות המימיות.
שנה כעת את קצבי זרימת הנוזלים של שתי המזרקים ל-30 microliters per minute ו-10 microliters per minute בהתאמה, כדי להסיט את הממשק בין שני הנוזלים. כדי להמחיש את יכולתו של השסתום ללכוד מיקרו-חלקיקים, הכן תחילה תמיסה מימית המכילה 10% מיקרו-חלקיקי פוליסטירן פלואורסצנטיים לפי משקל. הכנס את הנוזל המכיל את החלקיקים לשני ערוצי הכניסה בקצב זרימה כולל של 20 microliters per minute.
המתינו שתי דקות עד שיתבסס זרימה יציבה. לאחר מכן, עוררו את החרוצים הפלואורסצנטיים באמצעות מקור באורך גל של 488 nanometers כדי להשיג את התצפית הטובה ביותר על החרוצים. כשאתם מוכנים, הפעילו את השסתום בלחץ של three bar כדי לסגור אותו.
דמיינו את אזור השסתום כדי לראות מספר חלקיקים הלכודים מתחת לשסתום וממוקמים על פני השטח בזמן שהזרימה נשמרת. הזרקה של גז דרך תעלות בשכבת הבקרה דוחפת את שכבת הנוזל לעבר פני השטח. ניתן להשתמש בכך כדי להסיט נוזלים מסביב לאזור הנשלט על ידי המפעיל, המסומן כאן על ידי היעדרו של צבע rhodamine.
ניתן להשתמש במפעילים פנאומטיים אלו גם כדי ללכוד חלקיקים או תאים, כגון מיקרו-חלקיקים פלואורסצנטיים אלו שנלכדו על פני השטח של המיקרו-ערוץ. תכונה נוספת של התקן זה היא יכולתו ללכוד פולימרים קואורדינציוניים שנוצרו ב-NC2 באמצעות הפעלת הכלוב הפנאומטי. עבור מערך זה נעשה שימוש בשני זרימות של ריאגנטים, ותגובה כימית מבוקרת מתרחשת בממשק שבין שני הנוזלים בזרימה למינרית.
לאחר לכידתם, ניתן לטפל בכימיקלים של הפולימרים הקואורדינציוניים באופן מבוקר באמצעות שסתומים פנאומטיים. אם אתם צופים בסרטון זה, עליכם להיות בעלי הבנה טובה לגבי האופן שבו ניתן לייצר ביעילות התקן מיקרופלואידי דו-שכבתי, שבו ניתן להשתמש לביצוע תגובות כימיות מבוקרות על מבני צינורות שונים. בעת ביצוע פרוצדורה זו, חשוב להיצמד למסגרת הזמן ולטמפרטורה המדווחות בפרוטוקול הנוכחי.
אחרת, המאמץ עלול להוביל לייצור של התקנים שאינם מחוברים או פגומים, ולפיכך אינם פונקציונליים. לאחר פיתוחה, סללה טכניקה זו את הדרך עבור חוקרים בתחום מדע החומרים לחקור סוגים שונים של טיפולים כימיים מבוקרים בתוך צינור בדיוק גבוה, תוך שימוש בפלטפורמה מיקרופלואידית דו-שכבתית.
סקירה כללית
מאמר זה מתאר את הייצור והתפעול של מערכת מיקרופלואידית דו-שכבתית העשויה מפולידימეთילסילוקסן (PDMS). המכשיר מדגים לכידה והכוונה יעילה של חומרים מולקולריים גבישיים תוך בקרה על תגובות כימיות על השבב.
מרכיבי מפתח של המחקר
תחום המדע
- מיקרופלואידיקה
- מדע החומרים
- הנדסה כימית
רקע
- התקנים מיקרופלואידיים הם חיוניים למניפולציה של נפחים קטנים של נוזלים.
- הטכנולוגיות הנוכחיות לטיפולים כימיים מבוקרים הן מוגבלות.
- הבנת ההשפעות של טיפולים כימיים על מבנים בהרכבה עצמית היא חיונית.
- PDMS הוא חומר נפוץ בשימוש במיקרופלואידיקה בשל תכונותיו המועדפות.
מטרת המחקר
- להכין התקן מיקרופלואידי ללכידה ולהכוון של חומרים מולקולריים.
- לבקר תגובות כימיות על מבנים שנלכדו.
- לבחון את ההשפעות של טיפולים כימיים דינמיים על תכונות החומר.
שיטות שבהן נעשה שימוש
- הכנת תבנית מאסטר מסילנזת באמצעות פוטוליתוגרפיית SU8.
- ניקוון אוויר וערבוב רכיבי PDMS לצורך ייצור ההתקן.
- ציפוי בסבב (Spin coating) להשגת עובי השכבות הרצוי.
- שימוש במשאבת מזרק ובבקר פנאומטי למניפולציה של נוזלים.
תוצאות עיקריות
- ההתקן המיקרופלואידי לכד וניתב נוזלים בהצלחה.
- טיפולים כימיים מבוקרים הושגו תחת תנאים דינמיים.
- מיקרו-חלקיקים פלואורסצנטיים נלכדו והודגמו ויזואלית ביעילות.
- ההתקן הדגים פוטנציאל ליישומים במדעי החומרים.
מסקנות
- ההתקן המיקרופלואידי בעל שתי שכבות PDMS הוא פונקציונלי ורב-גוני.
- גישה זו מציעה אפשרויות חדשות לחקר אינטראקציות כימיות.
- יישומים עתידיים עשויים להתרחב לתחומים שונים של מדע החומרים.
שאלות נפוצות
רלוונטיות תעשייתית למנהלים
טכנולוגיה מיקרופלואידית זו מאפשרת בקרה מרחבית מדויקת של תגובות כימיות על מבנים גבישיים כלואים, ובכך היא נותנת מענה למגבלה מרכזית במדעי החומרים בחקר יחסי מבנה-תכונה תחת תנאים דינמיים. על ידי אספקת פלטפורמה למניפולציה וטיפול בחומרים המרכיבים את עצמם (self-assembled) בתוך השבב, היא תומכת בהפחתת סיכונים מכניסטיים בשלבי הגילוי המוקדמים, שבהם ביטחון חיזוי בהתנהגות החומר הוא קריטי. גישה זו מציעה ערך תרגומי לשילוב בתהליכי פיתוח מודלים פרה-קליניים, שבהם נדרשות חשיפה כימית מבוקרת וטיפול מקומי כדי להעריך את ביצועי המועמדים.
יישומים אסטרטגיים במחקר ופיתוח בביו-פרמה
גילוי מוקדם ותיקוף מטרה
- ערך מדעי: מאפשר בחינה של היפותזות טיפוליות על ידי לכידה וטיפול מקומי בחומרים מולקולריים גבישיים להערכת קשרי מבנה-תפקוד.
- ערך תפעולי: תומך בהפחתת סיכונים ביולוגיים באמצעות בקרה מדויקת של נתיבי חשיפה כימית בסביבה מיקרוסקופית מוגבלת.
סריקה ופיתוח בדיקה (Assay)
- ערך מדעי: הכנה של מערכות ביולוגיות או חומריות עברו תיקוף עבור תהליכי עבודה המשכיים, על ידי מתן אפשרות לטיפול כימי מקומי בממשקים מוגדרים.
- ערך תפעולי: שיפור הסטנדרטיזציה והשחזוריות של הבדיקה באמצעות ויסות זרימה הנשלט על ידי שסתומים פנאומטיים ויצירת ממשק למינרי.
מחקר תרגומי ופרה-קליני
- ערך מדעי: מאפשר מידול של מערכות רלוונטיות למחלה על ידי טיפול כימי מבוקר במבנים כלואים כדי לדמות תנאי חשיפה in vivo.
- ערך תפעולי: מקדם רציפות טרנסלציונית משלב הגילוי ועד לתיקוף פרה-קליני, על ידי שמירה על בקרה עקבית של המיקרו-סביבה לאורך שלבי הניסוי.
שילוב תהליכי עבודה ומסלולי עיבוד
השיטה ממקמת את עצמה בתוך רצף הגילוי על ידי מתן אפשרות לבחינת השערות והבהרת מסלולים במהלך שלבי הגילוי המוקדמים, תמיכה במוכנות הבדיקה באמצעות זרימה כמותית ובקרת ממשק, ותרומה לאנליטיקה באמצעות ויזואליזציה בזמן אמת של מבנים כלואים ותוצאות של טיפול כימי.
- ביולוגיה של גילוי: תומך בבדיקת השערות על ידי מתן אפשרות לשינוי מדויק של מסלולים סינתטיים ומיקום של חומרים גבישיים בתוך תעלות מיקרופלואידיות.
- סריקה: מתאר את המוכנות של הבדיקה באמצעות מניפולציה רבטיבנית של נוזלים והפעלה מבוקרת של שסתומים להקמת זרימות למינריות יציבות עבור תגובות מבוססות ממשק.
- אנליטיקה: מדגיש מדידות כמותיות כגון התאמות של קצב הזרימה (למשל, 20 µL/min, 30 µL/min, 10 µL/min) והפעלת שסתומים בלחץ של 3 bar כדי להזיז ממשקי נוזלים וללכוד מיקרו-חלקיקים או פולימרים קואורדינציוניים.
- מחקר תרגומי: מקשר להמשכיות פרה-קלינית על ידי הדגמה כיצד טיפולים כימיים מבוקרים על מבנים לכודים יכולים להנחות מודלים חיזוייים של תגובת חומרים תחת תנאים דינמיים.
- שימוש חוזר ארגוני: מציג את ההתקן המיקרופלואידי דו-שכבתי כפלטפורמה רב-פעמית למספר מחזורים של לכידה, טיפול ודימוי במערכות חומרים שונות.
השפעה תפעולית וארגונית
- ערך מדעי: ביטחון חיזוי בהתנהגות החומר תחת טיפול כימי מבוקר, הפחתת עמימות מכניסטית במסלולי הרכבה עצמית.
- ערך תפעולי: סטנדרטיזציה, שחזוריות ויכולת הרחבה של מנגנוני בקרה ולכידה של נוזלים באמצעות הפעלה פניאומטית.
- ערך אסטרטגי: קבלת החלטות משופרת לגבי המשך או הפסקה (go/no-go) בזיהוי מובילים, על ידי מתן אפשרות להערכה מוקדמת של היציבות הכימית והשלמות המבנית של חומרים מועמדים.
- השפעה על הפורטפוליו: תעדוף מותאם סיכון באמצעות נתונים אמפיריים על האופן שבו טיפולים מבוקרים משנים את תכונות החומר, ובכך תמיכה בהחלטות קידום.
שיקולי יישום
- דורש מומחיות בייצור מיקרופלואידי, כולל פוטוליתוגרפיה של SU8 והדבקת שכבות PDMS.
- תלוי במכשור כגון משאבות מזרק, בקרים פנאומטיים ומיקרוסקופיה פלואורסצנטית לצורך ויזואליזציה.
- מחייב סטנדרטיזציה בין-צוותית בבקרת הממשק הפלואידי ובתזמון הפעלת השסתומים כדי להשיג תוצאות הדירות.
- כולל שיקולי התאמה בעת יישום מנגנון הלכידה לסוגים שונים של חלקיקים, תאים או חומרים גבישיים.
- כולל מגבלות מעשיות כגון רגישות לזמן ולטמפרטורת הייצור, כאשר סטיות עלולות להוביל למכשירים לא מודבקים ולא פונקציונליים.
