הגישה של צעד אחד בדיית Polydimethylsiloxane Microfluidic אפיקי מקטעים גיאומטריים שונים בתהליכים רציפים איכול רטוב
13 בספטמבר 2018
מספר שיטות זמינות עבור הזיוף של ערוצי סעיפים מלבני מוטמע במכשירים microfluidic polydimethylsiloxane. רובם לערב רב שלבי הייצור ויישור נרחב. בנייר זה, גישה חד-שלבית הוא דיווח עבור בדיית microfluidic ערוצים של חתכי רוחב גיאומטריות שונות על ידי איכול רטוב רציפים polydimethylsiloxane.
שיטה זו יכולה לסייע במתן טכניקות ייצור מרכזיות בתחום המיקרופלואידיקה, כגון לייצור תעלות עם חתכים גיאומטריים שונים במכשיר מיקרופלואידי-נוזלי פולידימתילסילוקסן. היתרון העיקרי של טכניקה זו הוא שניתן לייצר את התעלות המיקרופלואידיות בגישה חד-שלבית על ידי תהליכי תחריט רטובים ברצף ללא הליכים מייגעים ויישורים נרחבים. ההשלכות של טכניקה זו משתרעות על פיתוח מערכות מיקרופלואידיות מורכבות מכיוון שניתן לפשט משמעותית תהליכי ייצור של תעלות עם חתכים לא מלבניים או שיאים שונים באמצעות שיטה זו.
למרות ששיטה זו יכולה לספק תובנה לגבי ייצור מכשירים מיקרופלואידיים, ניתן ליישם אותה גם בתנאי מיקרו-סביבה רצויים אחרים כגון חלוקת שטף או תערובת של חומר בתעלות. התחל את ההליך עם תבנית מאסטר מוכנה. במקרה זה, התבנית השלילית שנוצרה עם פוטו-רזיסט נמצאת על פרוסת סיליקון בגודל ארבעה אינץ'.
להלן תמונת עיצוב בעזרת מחשב של הטופולוגיה ההפוכה עבור פריסות הערוצים. המשך על ידי שילוב PDMS והזרז שלו בכוס פלסטיק נקייה וערבוב במערבל חשמלי. כאשר התערובת הומוגנית, הכניסו את הכוס לחומר ייבוש המחובר למשאבת ואקום למשך 60 דקות.
לאחר אחזור תערובת ה-PDMS, קח אותה לתבנית המאסטר. יוצקים 20 גרם מהתערובת על גבי התבנית. נסו לא להכניס בועות.
לאחר מכן, השיגו צלחת פטרי ושפכו לתוכה 30 גרם מתערובת ה- PDMS. מניחים את התבנית המכוסה ואת צלחת הפטרי בחומר ייבוש כדי למנוע בועות. לאחר 60 דקות מעבירים את התבנית המכוסה ואת צלחת הפטרי לתנור של 60 מעלות צלזיוס לריפוי של ארבע שעות.
לאחר שלב הריפוי, אפשר ל-PDMS להתקרר לטמפרטורת החדר. לאחר מכן, השתמש באזמל ובפינצטה כדי לנתק את ה-PDMS הנרפא מהתבנית. המשך לטיילור את שכבת ה-PDMS עם האזמל כך שתכסה את פריסת הערוץ.
השתמש באגרוף ביופסיה כדי לפתוח את יציאות הגישה לערוץ. עכשיו, עבדו עם ה-PDMS בצלחת הפטרי. השתמש באזמל ובפינצטה כדי להוציא אותו מהמנה.
לאחר מכן, חותכים את שכבת ה-PDMS לאותם מידות כמו השכבה המעוצבת. קח את שכבות ה-PDMS למכונה לטיפול פני השטח. כוון את השכבות כדי לחשוף את התעלות המעוצבות של שכבת PDMS אחת ואת המשטח חסר התכונות של השנייה.
חשוף את השכבות לפלזמת חמצן למשך 40 שניות. בסיום, יש לחבר את שני המשטחים. חבר את שתי השכבות על ידי הנחת המשטחים המטופלים שלהן במגע.
לאחר מכן, הכניסו את שכבות ה-PDMS המודבקות לתנור של 60 מעלות צלזיוס למשך 30 דקות לפחות. הכן מכשיר מיקרופלואידית לאפיון תחריט רטוב PDMS. השתמש בעיצוב פשוט עם שכבה אחת ותעלה מלבנית ישרה.
במכשיר זה יש יציאת פסולת אחת וכניסה אחת. שימו לב ששכבות ה-PDMS העליונות והתחתונות מתוארות כמופרדות בתמונה זו. הגדר את המכשיר כך שניתן יהיה לצפות בו ולצלם אותו במיקרוסקופ.
עבור תמיסת התחריט, השתמש ב-TBAF וב-NMP ביחס נפח לנפח של אחד עד 10. משוך את התחריט למזרק של 10 מיליליטר בעזרת מחט קהה מנירוסטה. הניחו את המזרק על משאבת מזרק ליד המיקרוסקופ.
לאחר מכן, חבר אותו לכניסה של המכשיר. הנח את הפלט מהשקע למיכל פסולת. הפעל את משאבת המזרק עם התחריט בקצב זרימה של 150 מיקרוליטר לדקה.
השתמש בתצוגות מיקרוסקופ שדה בהיר כדי לוודא שלערוץ החרוט לאורך כיוון הזרימה יש רוחב אחיד וכדי לעזור לאשר את קצב הזרימה והרכב התחריט. צלם תמונות סדרות זמן של חתך הערוץ בהגדלה של פי ארבעה במהלך תהליך התחריט לניתוח. הגדר מיקרוסקופ כדי לצפות ולצלם מכשיר מיקרופלואידי.
במקרה זה, תכנן את המכשיר כך שכניסות התחריט והחיץ יזרמו לאזורים שונים. להלן סכמטי של הכניסות והתעלות של המכשיר מלמעלה ובחתך רוחב. עם הזמן, הפעולה השונה של התחריט לעומת המאגר תיצור חתך חדש, המודגם בסכימה זו של חתך הרוחב הסופי ותצלום התצוגה העליונה.
הנח את המכשיר על במת המיקרוסקופ. הכן תמיסת תחריט של TBAF ו-NMP ותמיסת חיץ NMP. מלאו שני מזרקים של 10 מיליליטר בתמיסת חיץ ואחד בתחריט.
הנח את המזרקים במקומם על משאבת מזרק ליד המכשיר. בצע את החיבורים המתאימים למכשיר, כולל אלה לפינוי פסולת. הפעל את משאבת המזרק עם התחריט בקצב זרימה של 50 מיקרוליטר לדקה.
בסרטון זה, גיאומטריית הערוץ הראשונית נחשפת בצבע אדום. עם הזמן, התחריט גורם לעובי דופן התעלה להשתנות. תזמן את תהליך התחריט הרטוב כדי להבטיח שהתהליך יניב את גיאומטריית הערוץ המתאימה.
הכן את המיקרוסקופ עם משאבת המזרק בקרבת מקום. זהו העיצוב המשמש ליצירת תעלות PDMS למיקסר מיקרופלואידי, עם חלקים שונים. יש לו גיאומטריית חתך שיקוף לסירוגין שיהיה קשה להשיג בתהליכים סטנדרטיים.
הגדר את המכשיר במיקרוסקופ וחבר אותו למשאבת המזרק. הציגו את פתרון התחריט TBAF NFP בשקע המסומן ביציאה. התבונן בתעלה המיקרופלואידית כאשר החדר מתפתח עם הזמן, כמו בתמונות העליונות הללו שצולמו במשך שעתיים.
תזמן את תהליך התחריט הרטוב כדי להבטיח את גיאומטריות הערוץ המתאימות. בסיום, אפיינו את המכשיר. הכינו מזרק עם מים מזוקקים ועוד אחד עם תמיסת מלח נתרן פלואורסצאין להצבה במשאבת המזרק.
הנח את המכשיר המיקרופלואידי על המיקרוסקופ וחבר לכל מזרק לכניסה עם קצב זרימה של 20 מיקרוליטר לדקה. משוך פסולת מהשקע. צלם תמונות מיקרוסקופ פלואורסצנטי של התעלה מלמעלה במיקומים שנקבעו מראש.
לשם השוואה, הקלט תמונות באותן נסיבות עם גרסה לא חרוטה של המכשיר המיקרופלואידי. אפשר לייצר תעלות מיקרופלואידיות עם חתכים גיאומטריים שונים עם תחריט רטוב ברצף. פאנל זה מסכם את סידור כניסות התחריט בערוצי PDMS חד-שכבתיים כדי לייצר את חתך הצלב המודגם בסרטון זה.
שימו לב שהתחריט נכנס לתעלה המרכזית והמאגר לתעלות הצדדיות. אותו סידור ערוצים, יחד עם החלפת הערוצים הנושאים תחריט וחוצץ, מייצר חתך בצורת משקולת. סידור ערוצים שונה הדומה למיקסר המיקרופלואידי, מייצר חתך בצורת פעמון באמצעות תחריט בלבד.
בעת ניסיון הליך זה, חשוב לזכור עם כניסות המכשירים כדי למנוע דליפת חריטה ולגרום עוד יותר לדליפת PDMS בכניסות. לאחר צפייה בסרטון זה, אתה אמור להיות בעל הבנה טובה כיצד לבצע גישה חד-שלבית לייצור מוצלח של התקנים מיקרופלואידיים PDMS עם חתך גיאומטרי שונה של ערוצים עם תהליכי תחריט רטובים ברצף.
צפו בתמליל המלא וקבלו גישה לאלפי סרטונים מדעיים
סקירה כללית
מאמר זה מציג שיטה שלב אחד ליצירת תעלות מיקרופלואידיות בעלות חתכים גיאומטריים שונים במכשירים העשויים פולידימيثילסילוקסאן (polydimethylsiloxane). הטכניקה מפשטת את תהליך הייצור באמצעות שימוש בתעשיות תכשיט רטובות עוקבות, ובכך מבטלת את הצורך ביישור מדויק ובפרוצדורות רב-שלביות.
מרכיבי מפתח של המחקר
תחום מדעי
- מיקרופלואידיקה
- ייצור התקנים
- Polydimethylsiloxane (PDMS)
רקע
- שיטות מסורתיות לייצור תעלות מיקרופלואידיות הן לרוב מורכבות וגוזלות זמן.
- עיצובי תעלות שאינם מלבניים יכולים לשפר את הדינמיקה של הזרימה ואת הערבוב.
- תסריט של תסריט תכאיס רטוב (wet etching) רציף מציע גישה יעילה יותר ליצירת תעלות.
- מחקר זה שואף לתת מענה לאתגרים בייצור התקנים מיקרופלואידיים.
מטרת המחקר
- להציג טכניקת ייצור מפושטת עבור תעלות מיקרופלואידיות.
- להדגים את הגמישות של השיטה עבור גאומטריות שונות של תעלות.
- להקל על הפיתוח של מערכות מיקרופלואידיות מורכבות.
שיטות שנעשה בהן שימוש
- תהליכי תעיית רטובה רצופים ליצירת תעלות.
- שימוש בתבנית שלילית שנוצרה באמצעות פוטורזיסט על גבי פרוסת סיליקון.
- גישה של שלב אחד לביטול הליכי יישור מייגעים.
- יישום הטכניקה לתנאי מיקרו-סביבה שונים.
תוצאות עיקריות
- השיטה מייצרת בהצלחה תעלות בעלות חתכי רוחב גאומטריים שונים.
- הושגה הפחתה משמעותית במורכבות הייצור.
- ניתן להשתמש בטכניקה כדי לשפר את התפלגות הזרימה במכשירים מיקרופלואידיים.
- פוטנציאל ליישומים רחבים יותר בפיתוח מערכות מיקרופלואידיות.
מסקנות
- שיטת ייצור זו בשלב אחד מהווה התקדמות משמעותית בתחום המיקרופלואידיקה.
- היא מפשטת את התהליך של יצירת גאומטריות מורכבות של תעלות.
- לטכניקה זו השלכות על יישומים שונים בבקרת מיקרו-סביבה.
שאלות נפוצות
רלוונטיות תעשייתית למנהלים
שיטת הייצור החד-שלבית זו פותרת צוואר בקבוק מרכזי בפיתוח התקני מיקרופלואידיקה על ידי פישוט היצירה של גאומטריות תעלות מורכבות. באמצעות אפשור חתכים רוחביים שאינם מלבניים וגבהים משתנים באמצעות תהליך של תססית רטובה (wet etching) רציפה, הטכניקה תומכת במידול חיזוי של דינמיקה של נוזלים ובתכנון של בדיקות תפקודיות. היא מפחיתה את השונות בייצור ומאיצה את מחזורי בניית האב-טיפוס עבור מערכות מיקרופלואידיקה בשלבי גילוי.
יישומים אסטרטגיים במחקר ופיתוח בביופארמה
גילוי מוקדם ותיקוף מטרה
- ערך מדעי: מאפשר בחינה של השפעות גאומטריות על גזירת נוזלים ומיון חלקיקים עבור מחקרי מסלולי מטרה מכניסטיים.
- ערך תפעולי: מקצר את זמן בניית האבות עבור פלטפורמות מיקרופלואידיקה המשמשות במבחני תיקוף של מטרות.
סריקה ופיתוח בדיקות (Assay)
- ערך מדעי: מספק סביבות מיקרופלואידיות הניתנות לשחזור לסריקת תרכובות תחת בקרת שטף וניתוח תערובות.
- ערך תפעולי: מבצע סטנדרטיזציה של ייצור תעלות בין צוותים שונים באמצעות גישת PDMS של שכבה אחת עם תכתוש רצפי.
מחקר תרגומי ופרה-קליני
- ערך מדעי: תומך במודלים מיקרופלואידיים רלוונטיים למחלות הדורשים בקרה הידרודינמית מדויקת לצורך מיון תאים או הפרדת רכיבי דם.
- ערך תפעולי: מקל על רציפות טרנסלציונלית משלב הגילוי לבדיקות פרה-קליניות באמצעות ייצור מכשירים בר-הרחבה עם שונות נמוכה.
שילוב תהליכי עבודה וצינורות עיבוד
השיטה משתלבת בתהליכי גילוי מוקדמים על ידי מתן אפשרות לחזרה מהירה של תכנוני מיקרופלואידיקה לצורך בדיקת היפותזות בסביבות מיקרו-נזילות.
- ביולוגיה של גילוי: תומך בבדיקות תפקודיות של מערכות מיקרופלואידיקה שנועדו לבודד משתנים ביולוגיים בתנאי זרימה מבוקרים.
- סריקה: מספק התקנים מוכנים לבדיקה עם פלטיים גיאומטריים כמותיים למחקרי אינטראקציה של תרכובות.
- אנליטיקה: מאפשר דימות ברזולוציית זמן ואנליזה של חתכים כדי לבצע קורלציה בין מורפולוגיית התעלה להתנהגות הנוזל.
- מחקר תרגומי: משפר את נאמנות המודלים הפרה-קליניים על ידי שכפול פרופילי זרימה דמויי in vivo באמצעות חתכי תעלה מותאמים אישית.
- שימוש חוזר ארגוני: מבסס פלטפורמת ייצור רב-פעמית לפיתוח התקני מיקרופלואידיקה לאורך פרויקטים מרובים.
השפעה תפעולית וארגונית
- ערך מדעי: מגביר את הביטחון החזוי בתוצאות בדיקות מיקרופלואידיקה על ידי מזעור השונות הגאומטרית.
- ערך תפעולי: משפר את השחזוריות ומפחית שיעורי כשל התלויים ביישור במהלך ייצור ההתקן.
- ערך אסטרטגי: מוריד את עלויות הפיתוח ומאיץ קבלת החלטות לגבי המשך או הפסקת פרויקטים (go/no-go) בתיקי פרויקטים של מיקרופלואידיקה.
- השפעה על תיק הפרויקטים: מאפשר תעדוף מותאם סיכונים של פרויקטים אבחנתיים וטיפוליים מבוססי מיקרופלואידיקה.
שיקולי יישום
- דורש מומחיות בטיפול ב-PDMS, הדבקה בפלזמה והקמה של מערכת מיקרופלואידית.
- תלוי בגישה למשאבות מזריקים, מיקרוסקופים ותשתית בטיחות לתעשיה רטובה (wet etching).
- מחייב הכנה סטנדרטית של חומר התעשיה (TBAF/NMP) ובקרת קצב זרימה לקבלת תוצאות עקביות.
- כולל הכשרה חוצת-צוותים לשמירה על נאמנות לפרוטוקול בין קבוצות הגילוי לקבוצות הפרה-קליניות.
- מוגבל על ידי תאימות הנפיחות של PDMS עם ממסות מסוימות ומשכי תעשיה.
שאלות נפוצות בתחומי הביו-פארמה
Chapters in this video
0:04
Title
1:12
Fabrication of Polydimethylsiloxane (PDMS) Channel Layouts
3:20
Experimental Characterization of PDMS Wet Etching
4:36
PDMS Sequential Wet Etching for Microfluidic Channels of a Cross-shaped Cross-section
5:50
Fabrication and Characterization of a Microfluidic Mixer with Different Channel Sections
7:08
Results: Fabrication of Microfluidic Channels with Different Geometric Sections
7:49
Conclusion
