שילוב מיקרופלואידיקה Microrheology כדי לקבוע מאפייני Rheological מחומר רך במהלך שלב חוזרות מעברים
19 באפריל 2018
נדגים את ייצור ושימוש של מכשיר microfluidic המאפשר מספר החלקיקים מעקב מדידות microrheology לחקור את ההשפעות rheological של מעברים שלב חוזרות ונשנות בעניין רך.
המטרה הכוללת של הליך זה היא להשתמש במיקרופלואידיקה כדי לגרום למעברי פאזה עוקבים בדגימת חומר רך בודדת על ידי החלפת הנוזל שמסביב ובמקביל מדידת שינויים בתכונות הריאולוגיות באמצעות מיקרוריאולוגיה של מעקב אחר חלקיקים מרובים. שיטה זו יכולה לענות על שאלות מפתח בתחום החומר הרך, כגון ההשפעה של מעברי פאזה, כולל סידור מחדש מולקולרי או קולואידי על תכונות ריאולוגיות דינמיות. היתרון העיקרי של טכניקה זו הוא שהדגימה נשארת במקומה במהלך מעברי פאזה מרובים, מה שמאפשר אפיון בזמן אמת.
זה מאפשר כימות של תכונות ריאולוגיות, במיוחד תכונות ייחודיות במערכות הטרוגניות. כדי להתחיל בהליך, הדפיסו את הנגטיב של המכשיר המיקרופלואידי על דף אצטט שקוף, וחממו מנורת UV בעוצמה גבוהה. על גיליון אצטט שקוף שני, עקוב אחר הפינות של שקופית בגודל 75 מילימטר על 50 מילימטר.
הניחו מרווחי זכוכית בגובה מילימטר אחד בפינות. יוצקים כחמישה מיליליטר של שרף תיול-אן הניתן לריפוי UV במרכז המרווחים. הניחו בזהירות מגלשת זכוכית בגודל 75 מילימטר על 50 מילימטר על מילימטר אחד על המרווחים כדי לכסות את השרף.
ודא שאין בועות אוויר בין השקופית לשרף. הנח את הנגטיב המודפס על שקופית הזכוכית. גרור בזהירות את המכלול מתחת למנורת ה-UV, ואפשר לשרף להתרפא למשך 45 שניות.
לאחר מכן, החלק את המכלול הרחק ממנורת ה-UV, והסר את שקופית הזכוכית המעוצבת או החותמת המיקרופלואידית. טבלו את החותמת המיקרופלואידית באצטון לא יותר מ -10 שניות, ולאחר מכן טבלו את החותמת באתנול למשך אותו פרק זמן. חזור על רצף הטבילה הזה פעם אחת.
לאחר מכן, טבלו את החותמת במים מזוקקים. בעבודה עם תנועת יד מינימלית, השתמש בצמר גפן כדי להסיר את השרף שנותר שלא הגיב מבלי לגעת בשרף הנרפא. החלף את צמר גפן כשהוא הופך רווי במים.
רפאו את החותמת באור UV למשך 30 דקות נוספות. לאחר מכן, ערבבו 70 גרם של בסיס PDMS עם חומר צולב ביחס של 1 ל-10, והסירו את ה-PDMS למשך שעה אחת או עד שה-PDMS כבר לא עכור. הניחו את החותמת המיקרופלואידית עם הפנים כלפי מעלה בצלחת פטרי מפלסטיק בגודל 150 מילימטר.
יוצקים לאט את ה-PDMS לתוך הצלחת, יוצקים קרוב למשטח הכלי כדי למזער את היווצרות הבועה, כדי לכסות לחלוטין את החותמת. מכסים את צלחת הפטרי, ומרפאים את ה-PDMS ב-55 מעלות צלזיוס למשך הלילה. השתמש בסכין כדי לחתוך את עודפי ה-PDMS.
הפרד את ה-PDMS המעוצב מהחותמת ביד. הסר את החותמת ואת עודפי ה-PDMS מצלחת הפטרי. לאחר מכן, הניחו את המנה על דף נייר מודפס עם מיקומי החורים החיצוניים הסימטריים לתא הדגימה.
יישר את ה-PDMS המעוצב עם המדריך, והשתמש באגרוף ביופסיה של 5 מילימטר כדי לנקב חורים דרך ה-PDMS במיקומים המסומנים. המאפיין העיקרי של מכשיר זה הוא הסימטריה בין תעלות הכניסה לאותו תא. זה מאפשר החלפת נוזלים ללא אובדן דגימה.
חשוב להשתמש בדפוס מנחה כדי להבטיח דיוק בעת חיתוך הערוצים. לבסוף, נקב חור במרכז תא הדגימה, בקצה הפנימי של תא היניקה, ובכל קצה של התעלות החיצוניות הארוכות. מכסים את צלחת הפטרי בעת אחסון ה-PDMS המעוצב.
יום לפני הרכבת המכשיר, הכינו את הנוזל שהומר מראש שישמש ליצירת קירות זכוכית במכשיר המיקרופלואידי. כדי להתחיל בהרכבת המכשיר, יש לטפל בפלזמה ב-PDMS המעוצב ובמגלשת זכוכית דקה למשך 40 שניות. לחץ בזהירות את הפנים המטופלות בפלזמה של השקופית ואת ה-PDMS המעוצבים.
מרחו שרף הניתן לריפוי UV על התפר שבין ה-PDMS לשקופית, ורפא את השרף תחת אור UV בעוצמה נמוכה למשך חמש דקות. לאחר מכן, הכנס צינורות תרמופלסטיים המצוידים במחברי נירוסטה לכל החורים הפינתיים מלבד אחד של ה-PDMS המעוצב. חבר מזרק של שלושה מיליליטר של נוזל שהומר מראש לחור האחרון באמצעות מחט בגודל 18, צינורות תרמופלסטיים ומחבר.
מלאו את המכשיר המיקרופלואידי בנוזל שהומר מראש. לאחר מכן, הנח את המכשיר על פלטה חמה המחוממת ל -100 מעלות צלזיוס, ובמהלך 10 שניות, הזרים שלושה מיליליטר של נוזל שהומר מראש דרך המכשיר כדי לייצר את קירות הזכוכית. לאחר מכן, הסר את המכשיר מהפלטה החמה.
השתמש במזרק אוויר של 30 מיליליטר כדי להוציא עודפי נוזלים שהומרו מראש. הזרימו לאט 15 מיליליטר כלורופורם דרך המכשיר, ואחריהם 30 מיליליטר אתנול, כל אחד במהלך כדקה. לאחר מכן, דחף אוויר דרך המכשיר המיקרופלואידי עד לייבוש.
הסר את הצינור מהחורים. לאחר מכן, השתמש בשרף הניתן לריפוי UV כדי לחבר רצועות זכוכית בעובי מילימטר אחד לחלק התחתון של הקצוות הארוכים של המכשיר. חותכים חתיכה בגודל 30 על 30 מילימטר של PDMS מרפא עודף, ומחוררים חור רחב יותר מתא הדגימה במרכז ליצירת אגן הממס.
פלזמה מטפלת באגן ובמכשיר המיקרופלואידי למשך 40 שניות. הנח את הפנים המטופלות בפלזמה של האגן על המכשיר כשתא הדגימה מרוכז בחור. הפעל לחץ עדין כדי לתקן את האגן למכשיר.
לבסוף, חותכים שישה ריבועים של חמישה מילימטר מה-PDMS העודף. השתמש באגרוף ביופסיה של 5 מילימטר כדי לחתוך חור באמצע כל ריבוע. הכנס מחבר נירוסטה לכל חור כדי ליצור את פקקי ה-PDMS.
לאחר העמסת דגימת החומר הרך למזרק של מיליליטר אחד, הכנס צינורות תרמופלסטיים לשלוש מתעלות הכניסה הפינתיות של המכשיר ולשקע תא היניקה. מלאו מזרק נוסף במים נטולי יונים. חבר צינורות תרמופלסטיים למזרק, והוציא את כל בועות האוויר.
חבר את המזרק לתעלת הכניסה הרביעית בפינה. מלאו את המכשיר ואת אגן הממס במים נטולי יונים. ודא שאין בועות בתא הדגימה או בתעלות המיקרופלואידיות.
מלאו את המים באגן הממס עם פיפטת העברה במידת הצורך. חיוני שהמכשיר המיקרופלואידי יוגדר כהלכה. והכי חשוב, ודא שאין בועות אוויר במכשיר, מכיוון שהן עלולות לשבש הן את הזרימה המיקרופלואידית והן את נתוני המיקרו-ריאולוגיה.
לאחר מכן, הזרקו 10 מיקרוליטר מדגימת החומר הרך לתא הדגימה דרך הכניסה המרכזית במהירות של כשני מיקרוליטר לשנייה. עצור את הכניסה המרכזית לאחר טעינת הדגימה. באמצעות מיקרוסקופ הפוך ומצלמה מהירה, הקלט לפחות 20 סרטונים של התנועה הבראונית של הבדיקות בתערובת הדגימה על פני מרווחי זמן המתאימים למשך מעבר הפאזה.
לצורך ג'לציה, המשך להקליט סרטונים עד שתנועת הבדיקה תיפסק לחלוטין. לצורך השפלה, המשך להקליט סרטונים עד שהבדיקות מפזרות לחלוטין. לאחר מכן, הסר את המכשיר משלב המיקרוסקופ.
כדי להחליף את המים בנוזל בצפיפות גבוהה יותר, משוך את המים מאגן הממס באמצעות פיפטת העברה, ופיפטה ארבעה מיליליטר מהנוזל בצפיפות גבוהה יותר לתוך האגן. החזר את המכשיר לשלב המיקרוסקופ והמשך להקליט סרטונים. כדי להחליף נוזל בצפיפות גבוהה יותר במים או בנוזל אחר בצפיפות נמוכה יותר, חבר מזרק לתעלת תא היניקה באמצעות מחט בגודל 18 וצינורות תרמופלסטיים.
התקן את המזרק על משאבת מזרק המוגדרת לנסיגה במהירות של מיליליטר לדקה. פיפטו את רוב הנוזל בצפיפות גבוהה מאגן הממס, ושטפו את האגן בנוזל בצפיפות נמוכה שלוש פעמים, ולעולם לא אפשרו לאגן להתנקז לחלוטין. מלאו את האגן בנוזל בצפיפות נמוכה לאחר השטיפה.
מלאו פיפטת העברה בנוזל בצפיפות נמוכה. לאחר מכן, השתמש במשאבת המזרק כדי להוציא את הנוזל בצפיפות גבוהה למשך דקה אחת. הוסף את הנוזל בצפיפות נמוכה טיפה לאגן לפי הצורך במהלך חילופי הנוזלים.
לאחר מכן, עצרו את תא היניקה והחזירו את המכשיר למיקרוסקופ stage להקלטה. רכשו סרטונים של מחזורי ג'לציה של השפלה בדרך זו למספר המחזורים הרצוי או עד שאין מספיק בדיקות למדידה. התזוזה הממוצעת בריבוע ממוצע של מסלולי חלקיקי הבדיקה נבדקה במהלך מעברי פאזה עוקבים של מערכת שמן קיק מוקשה בין ג'ל לסול.
הג'לציה הושרה על ידי חילופי זרימת כבידה של מים לחומר ג'ל בצפיפות גבוהה יותר. ההשפלה נגרמה על ידי חילופי זרימת יניקה של חומר הג'ל למים. תא הדגימה נשטף מחדש במים כאשר התנהגות הפאזה הצביעה על כך שחומר הג'ל לא הוסר במלואו מהתא.
לא נצפו שינויים בתכונות הריאולוגיות כאשר הדגימה הושארה בשלב הסול ללא חילופי נוזלים במשך כ-600 דקות. מעברי פאזה חוזרים ונשנים לא גרמו לשינויים ניכרים בתכונות הריאולוגיות של שיווי המשקל, כפי שמוצג על ידי השיפועים הלוגריתמיים של עקומות MSD או אלפא שחזרו לאותם ערכים עבור כל פאזה. ערך שיווי המשקל אלפא של פאזת הסול היה פחות מ-1.0, מה שמצביע על כך שהחומר שמר על מבנה מסוים גם לאחר הפירוק.
הג'ל עבר עלייה בהטרוגניות המבנית במהלך המעבר משלב הג'ל לסול, כפי שמצוין על ידי שיאי הפרמטרים הלא גאוס במהלך מחזורי הפירוק. סידור מחדש קולואידי יכול להתרחש מיד לאחר חילופי נוזלים, כפי שמעידים עליות באלפא. לראשונה עלה לנו הרעיון לשיטה זו כדי לקבוע אם מעברי פאזה גורמים לשינויים קבועים בתכונות הריאולוגיות ובמיקרו-מבנה של חומר רך.
במערכת HCO, מכשיר זה איפשר מדידה של שני מנגנונים אפשריים לשינויים קבועים אלה, סידור מחדש קולואידי במהלך מעברי פאזה או גזירה המושרה במהלך הכנת הדגימה. לאחר שליטה, ניתן להשתמש בטכניקה זו כדי לזהות את התכונות הריאולוגיות של מערכת חומר רך על פני מעברי פאזה רבים בתגובה לשינויים בסביבת הנוזל שמסביב.
צפו בתמליל המלא וקבלו גישה לאלפי סרטונים מדעיים
סקירה כללית
מחקר זה מציג התקן מיקרופלואידי שתוכנן למדידות מיקרו-ראולוגיה המבוססות על מעקב אחר חלקיקים מרובים. הוא מתמקד בהבנת ההשפעות הראולוגיות של מעברי פאזה חוזרים בחומר רך.
מרכיבי מפתח של המחקר
תחום המדע
- מיקרופלואידיקה
- פיזיקה של חומר רך
- ראולוגיה
רקע
- מיקרופלואידיקה מאפשרת בקרה מדויקת של סביבות נוזליות.
- מעברי פאזה עשויים לשנות באופן משמעותי את תכונותיהם של חומרים רכים.
- מיקרו-ריאולוגיה של מעקב אחר חלקיקים מרובים מספקת תובנות לגבי שינויים דינמיים.
- אפיון בזמן אמת הוא חיוני להבנת מערכות מורכבות.
מטרת המחקר
- לבחון את השפעת מעברי פאזה על תכונות ראולוגיות.
- לאפשר מדידה בזמן אמת של התנהגות חומר רך.
- לכמת תכונות ראולוגיות ייחודיות במערכות הטרוגניות.
שיטות שנעשה בהן שימוש
- ייצור של התקן מיקרופלואידי.
- השראה של מעברי פאזה רצופים באמצעות החלפת נוזלים.
- מדידה של תכונות ראולוגיות באמצעות מעקב אחר חלקיקים מרובים.
- שמירה על הדגימה במקומה במהלך המעברים לקבלת נתונים מדויקים.
תוצאות עיקריות
- הדגימו את ההיתכנות של ההתקן המיקרופלואידי למחקרים ראולוגיים.
- הראו כיצד מעברי פאזה משפיעים על התכונות הדינמיות של חומר רך.
- סיפקו שיטה לאפיון בזמן אמת של חומרים רכים.
- כימתו שינויים בתכונות ראהולוגיות במהלך מעברי פאזה.
מסקנות
- ההתקן המיקרופלואידי יעיל לחקר ראולוגיה של חומר רך.
- מדידות בזמן אמת משפרות את ההבנה של השפעות מעבר פאזה.
- גישה זו עשויה לקדם את המחקר בפיזיקה של חומר רך.
שאלות נפוצות
רלוונטיות תעשייתית למנהלים
מיקרו-ריאולוגיה כמותית המשולבת עם מיקרופלואידיקה מאפשרת הערכה מדויקת ובזמן אמת של תכונות ריאולוגיות של חומרים רכים במהלך מעברי פאזה חוזרים. יכולת זו היא קריטית להפחתת סיכונים בבחירת חומרים ובניסוחם במחקר ופיתוח ביו-פרמצבטי, במיוחד כאשר שלמות המיקרו-מבנה תחת שינויים סביבתיים משפיעה על הביצועים בשלבים הבאים. גישה זו תומכת בביטחון חיזוי בתהליכי גילוי וסינון מוקדמים עבור מערכות ביולוגיות וקולואידליות מורכבות.
יישומים אסטרטגיים במחקר ופיתוח בביו-פרמה
גילוי מוקדם ותיקוף מטרה
- מאפשר בחינה של האופן שבו מעברי פאזה ושינויים סביבתיים משפיעים על המיקרו-מבנה והתפקוד של החומר.
- תומך בהפחתת סיכונים מכניסטיים על ידי הבחנה בין שינויים בתכונות ראולוגיות המושרים על ידי גזירה לבין שינויים המושרים על ידי מעבר פאזה.
- מסייע בביסוס ביטחון ניבוי בבחירה או בהנדסה של מערכות חומר רך ליישומים ביולוגיים.
סריקה ופיתוח בדיקות
- מספקת פלטפורמה למדידות רהולוגיות סטנדרטיות וניתנות לשחזור בדגימות עדינות או הטרוגניות.
- מספקת פלטים כמותיים (למשל, mean-squared displacement, relaxation exponent) לצורך פיתוח בדיקות (assays) חסונות.
- מאפשרת סריקה של מועמדים לחומרים לצורך בחינת יציבות וביצועים תחת שינויים סביבתיים חוזרים.
מחקר תרגומי ופרה-קליני
- מתאימה את אפיון החומר לתנאים סביבתיים הרלוונטיים למחלה או ספציפיים ליישום.
- תומכת ברציפות משלב הגילוי ועד לאימות פרה-קליני על ידי אפשור מדידות חוזרות ולא-הרסניות במדגם בודד.
- מפחיתה את הסיכון לכישלון בשלבים מאוחרים עקב התנהגות בלתי צפויה של החומר במהלך מעברים פיזיולוגיים.
שילוב תהליכי עבודה וצינור עיבוד
פלטפורמה זו של מיקרופלואידיקה-מיקרו-ריאולוגיה מתאימה לממשק שבין השלבים המוקדמים של הגילוי, זיהוי מובילים (lead identification) והערכה פרה-קלינית של חומרים, ומספקת יכולת לשימוש חוזר לבדיקת השערות ולהפחתת סיכונים בחומרים.
- ביולוגיה של הגילוי: מכמת את ההשפעה של מעברי פאזה ומסחור (shear) על מבנה ותפקוד של חומר רך.
- סריקה: מספק נתונים ראולוגיים כמותיים הניתנים לשחזור לצורך קבלת החלטות בבחירת מועמדים.
- אנליטיקה: מספק פלטים סטטיסטיים (למשל, MSD, מעריך רלקסציה) להשוואה ישירה בין תנאים שונים.
- מחקר תרגומי: מאפשר הערכה של התנהגות חומרים תחת מעברים רלוונטיים פיזיולוגית.
- שימוש חוזר ארגוני: מציע זרימת עבודה סטנדרטית הניתנת להתאמה למגוון מערכות של חומר רך ותוכניות מו"פ.
השפעה תפעולית וארגונית
- ערך מדעי: מגביר את הביטחון החזוי ומפחית עמימות מכניסטית בבחירת חומרים.
- ערך תפעולי: משפר את הסטנדרטיזציה, השחזוריות והיכולת להרחבה (scalability) של הערכות ראולוגיות.
- ערך אסטרטגי: משפר החלטות של המשך או הפסקה (go/no-go) ויעילות הון על ידי זיהוי מועמדים עמידים בשלב מוקדם.
- השפעה על הפורטפוליו: תומך בתיעדוף מותאם סיכונים ובקידום חומרים עם פרופילי ביצועים מאושרים.
שיקולי יישום
- דורש מומחיות במיקרופלואידיקה, מיקרו-ריאולוגיה ומיקרוסקופיה וידאו כמותית.
- נדרשת גישה לתשתית של דימוי במהירות גבוהה ואנליטיקה של מעקב אחר חלקיקים.
- דורש סטנדרטיזציה קפדנית בין צוותים כדי להבטיח את השחזוריות של המדידות.
- ניתן להסתגל למגוון של מערכות חומר רך, אך עשוי לדרוש אופטימיזציה של הפרוטוקול עבור חומרים ספציפיים.
- הקמה קפדנית של המכשיר וטיפול נכון בנוזלים הם קריטיים למניעת ארטיפקטים כגון בועות אוויר או אובדן דגימה.
שאלות נפוצות בביופארמה
Chapters in this video
0:04
Title
0:48
Microfluidic Stamp Fabrication and Polydimethylsiloxane (PDMS) Molding
3:58
Microfluidic Device Assembly
6:25
μ2rheology Procedure
9:22
Results: Multiple Particle Tracking (MPT) Microrheology of a Hydrogenated Castor Oil (HCO) Gel System
10:55
Conclusion
