פלטפורמה מיקרופלואידית מונחית פניאומטית לריכוז מיקרו-חלקיקים
1 בפברואר 2022
הפרוטוקול הנוכחי מתאר פלטפורמה מיקרופלואידית פנאומטית שיכולה לשמש לריכוז יעיל של מיקרו-חלקיקים.
פרוטוקול זה מתאר את השיטה שלנו לייצר ולפעול על פלטפורמה מיקרופלואידית מונחית פניאומטית עבור ריכוזים מרובי חלקיקים המתגברת על חסרונות כגון סתימת חלקיקים ומבנים מורכבים. שיטה זו מאפשרת לעבד מספר בלתי מוגבל של חלקיקים, להתרכז במספר רב של חלקיקים קטנים ולמנוע נזק לא רצוי לתאים, ומגבירה את יעילות האנטרופיה. בשל חשיבות האנליזה הביולוגית, טכנולוגיות מערכות מכניות מיקרופלואידיות וביו-רפואיות של מיקרו-אלקטרו משמשות לפיתוח וחקר התקנים לטיהור ואיסוף של מיקרו-חומרים.
כדי להתחיל, השתמש בתבנית SU8 של תעלת שסתום פנאומטית שהוכנה מראש כדי לשכפל את שכבת ה- PDMS לשליטה פנאומטית בשסתום. יוצקים 10 מיליליטרים של PDMS נוזלי ומיליליטר אחד של חומר מרפא לתבנית תעלת שסתום פנאומטית מוכנה, והחום מופעל ב-90 מעלות צלזיוס למשך 30 דקות. לאחר ריפוי מבני PDMS, הפרד את תבנית SU8.
אגרוף שלוש יציאות פנאומטיות של 1.5 מילימטר לתעלת המסתם הפנאומטית באמצעות נקב של 1.5 מילימטר. יוצקים 10 מיליליטרים של PDMS נוזלי ומיליליטר אחד של חומר ריפוי לתבנית SU8 נקייה. סובבו את המעיל במשך 15 שניות ב-1500 סיבובים לדקה באמצעות מעיל ספין, ואז הפעילו את החום ב-90 מעלות צלזיוס למשך 30 דקות.
הפרד את תבנית SU8 לאחר ריפוי מבני PDMS. טפל במבנה PDMS עם פלזמה אטמוספרית למשך 20 שניות. באמצעות מיקרוסקופ, יישרו את מבני ה-PDMS שטופלו בפלזמה בהתאם למבנה התעלה.
קשרו את מבני ה-PDMS המיושרים על ידי חימום שלהם ב-90 מעלות צלזיוס למשך 30 דקות. באמצעות נקב של 1.5 מילימטר, צור חור בקוטר 1.5 מילימטר בפתח תעלת הנוזלים ושקעים בתוך חלק התעלה הפנאומטית המחוברים לשכבת הסרעפת הדקה. שכפל את שני הצדדים של שכבת PDMS באמצעות שתי תבניות SU8 כדי ליצור תעלה מיקרופלואידית.
השתמש בתבנית תעלה מיקרופלואידית מעוקלת ומלבנית בחזית, ובתבנית תעלת חיבור מיקרופלואידית מאחור. יוצקים 10 מיליליטרים של PDMS נוזלי ומיליליטר אחד של חומר מרפא לתבנית התעלה המיקרופלואידית המעוקלת והמלבנית, ומצפים אותה ב-1200 סיבובים לדקה למשך 15 שניות, ואז יוצרים תבניות לתא הנוזל המעוקל ולתעלות הנוזל על ידי הפעלת חום ב-90 מעלות צלזיוס למשך 30 דקות. הפרד את שכבת ה- PDMS שעליה נוצרת הערוץ המיקרופלואידי.
לאחר מכן טפלו בו עם פלזמה אטמוספרית למשך 20 שניות כדי ליצור תבנית המופעלת על ידי חום המכסה את דופן האוורור האטומה על ידי היצמדות לוופל הזכוכית. יוצקים שלושה מיליליטרים של PDMS נוזלי לערוץ הקישוריות של תבנית SU8. סדר את המבנה, המיוצר עם תבנית תעלת החיבור, ב- PDMS נוזלי בתבנית ערוץ החיבור המיקרופלואידית.
לאחר מכן יבשו את המבנה העל-קרקעי ב-130 מעלות צלזיוס במשך 30 דקות. לאחר הריפוי, הסר את תבנית ה- SU8 הקדמית משכבת הרשת של התעלה המיקרופלואידית וקלף בזהירות את תבנית ה- PDMS האחורית. יוצקים 10 מיליליטרים של PDMS נוזלי ומיליליטר אחד של חומר מרפא לתבנית SU8 נקייה וחום מפעילים אותו ב-90 מעלות צלזיוס למשך 30 דקות.
הפרד את תבנית SU8 לאחר ריפוי מבני PDMS. טפלו בתבניות תעלות החיבור המיקרופלואידיות של PDMS באמצעות פלזמה אטמוספרית למשך 20 שניות. באמצעות מיקרוסקופ, יישרו את מבני ה-PDMS שטופלו בפלזמה בהתאם למבנה התעלה.
קשרו את מבני ה-PDMS המיושרים על ידי חימום ב-90 מעלות צלזיוס למשך 30 דקות. יישרו את מבני ה-PDMS שהוכנו בתהליך זה בהתאם למבנה התעלה וקשרו אותם על ידי טיפול בפלזמה אטמוספרית למשך 20 שניות. באמצעות מזרק 10 מיליליטר, מלאו את התעלה המיקרופלואידית במים נטולי בועות שעברו דה-מינרליזציה.
כדי לשלוט בלחץ של נוזל העבודה ובשלושת השסתומים הפנאומטיים השולטים בזרימת המיקרובד, הכנס בקר לחץ מדויק עם ארבע תעלות מוצא או יותר לנוזל העבודה לתוך הפלטפורמה המיקרופלואידית. הכן חלקיקי בדיקה של קרבוקסיל פוליסטירן בגדלים שונים במים מזוקקים. כדי לשלוט בקצב הזרימה של נוזל העבודה, מלאו חצי בקבוק זכוכית במים וחברו את פקק בקבוק הזכוכית לתעלת היציאה של הבקר ולמיקרו-וואלה.
באמצעות מיקרוסקופ הפוך, צפו בכל פעולות הפלטפורמה ומדדו את קצב זרימת ההפעלה לאורך זמן בשקע על ידי מד זרימה נוזלי. להזריק את תערובת החלקיקים או הנוזלים בלחץ בכניסה עם שסתום החלקיקים. הפעילו לחץ על שסתום CIV ב-15 קילופסקלים, ושסתום חלקיקים ב-18 קילופסקלים כדי להפעיל את השסתום.
כאשר החלקיקים מרוכזים, הפעילו לחץ רק על שסתום הנוזל. קצב הזרימה של הנוזלים חולק לפעולת פלטפורמה בת ארבעה שלבים. השלב הראשון היה מצב הטעינה.
נוזל העבודה והחלקיקים היו כמעט זהים מכיוון שרשת התעלות המיקרופלואידיות הפגינה סימטריה מבנית. השלב השני היה מצב החסימה. נתיב הזרימה הצטמצם, וקצב הזרימה שנמדד ביציאת היציאה הופחת על ידי התנגדות הידראולית.
השלב השלישי היה מצב הריכוז. ה-QP שנמדד היה קרוב לאפס, וה-QF היה בערך פי 1.42 מזה של מצב החסימה. השלב האחרון היה מצב השחרור.
קצבי הזרימה והריכוז שהתקבלו הוכיחו כי ההפעלה הרציפה המתוכנתת עם השסתום הפנאומטי פועלת היטב עקב שינויי זרימה. החלקיקים רוכזו והצטברו באזור האיסוף כאשר שסתום CIV ושסתום החלקיקים נסגרו, וכל החלקיקים שנאספו, המרוכזים, שוחררו תוך ארבע שניות כאשר רק שסתום הנוזלים היה סגור. חלק חיוני בהליך זה הוא ריפוי המבנה האחורי שבו מושתלת שכבת ה-PDMS על ידי הלחץ הרב יותר של שכבת האוויר.
ושכבת הסרט המעוותת מופעלת לפתע. פלטפורמה זו יכולה לשמש לטיפול מקדים אוטומטי של ביו-חלקיקים מרוכזים מאוד וישרים ותלויים, מכיוון שהפעולה אינה מושפעת מתכונות החלקיקים הפיזיקליים.
צפו בתמליל המלא וקבלו גישה לאלפי סרטונים מדעיים
סקירה
פרוטוקול זה מתאר פלטפורמת מיקרו-נוזלים פנאומטית המיועדת לריכוז יעיל של מיקרו-חלקיקים. הוא מתמודד עם אתגרים כגון סתימת חלקיקים ומבנים מורכבים, ומאפשר עיבוד של מספר גדול של חלקיקים קטנים תוך מזעור נזק לתאים.
רכיבי מחקר עיקריים
תחום המדע
- מיקרו-נוזלים
- הנדסה ביו-רפואית
- טכניקות ריכוז חלקיקים
רקע
- מערכות מיקרו-נוזליות פנאומטיות משפרות את מניפולציה של חלקיקים.
- שיטות מסורתיות לעיתים קרובות מתמודדות עם בעיות של סתימה.
- מערכות מכניות-אלקטרוניות מיקרומכניות (MEMS) מהוות אבן יסוד בפיתוח מכשירים.
- ריכוז יעיל של חלקיקים הוא קריטי לניתוחים ביולוגיים.
מטרת המחקר
- ליצור פלטפורמת מיקרו-נוזלים פנאומטית.
- לשפר את יעילות ריכוז המיקרו-חלקיקים.
- למנוע נזק תאים לא רצוי במהלך העיבוד.
שיטות ששימשו
- ייצור של מבני PDMS באמצעות תבניות SU8.
- שליטה פנאומטית בשסתומים למניפולציה של חלקיקים.
- חימום PDMS עם חומר ריפוי ליציבות המבנה.
- בדיקת הפלטפורמה לצורך יעילות הריכוז.
תוצאות עיקריות
- הצלחה בריכוז מספר רב של חלקיקים קטנים.
- התגברות על בעיות סתימה שנפוצות בשיטות מסורתיות.
- שמירה על כדאיות התאים במהלך תהליך הריכוז.
- עלייה ביעילות האנטרופיה בעיבוד החלקיקים.
מסקנות
- הפלטפורמה הפנאומטית המיקרו-נוזלית יעילה לריכוז מיקרו-חלקיקים.
- שיטה זו יכולה להיות מיושמת בניתוחים ביולוגיים שונים.
- יישומים עתידיים עשויים לשפר את יעילות המכשירים הביו-רפואיים.
שאלות נפוצות
Executive Industry Relevance
This pneumatically driven microfluidic platform addresses key challenges in early-stage biopharma R&D by enabling efficient concentration of micro-particles without clogging or cellular damage. It supports target validation and assay development workflows by providing a reproducible method for isolating and enriching analytes from complex biological matrices. The technology enhances predictive confidence in lead identification by ensuring consistent sample preparation, reducing variability that can confound downstream screening and mechanistic studies.
Strategic Applications in Biopharma R&D
Early Discovery & Target Validation
- Scientific Value: Enables interrogation of therapeutic hypotheses through precise concentration of biomarkers or therapeutic targets from heterogeneous samples.
- Operational Value: Reduces sample loss and improves detection sensitivity for low-abundance analytes critical in target validation.
- Predictive Value: Supports mechanistic de-risking by delivering consistent particle enrichment for functional assays and pathway analysis.
Screening & Assay Development
- Scientific Value: Prepares validated biological systems for downstream screening by removing interferents and concentrating analytes of interest.
- Operational Value: Enhances assay standardization and reproducibility through controlled, valve-driven sample processing.
- Scalability: Enables processing of unlimited particle numbers, supporting high-throughput screening campaigns.
Translational & Preclinical Research
- Translational Continuity: Maintains sample integrity from discovery through preclinical validation by preventing unwanted cell damage during concentration.
- Risk-Adjusted Advancement: Supports reliable biomarker alignment and disease-relevant system modeling through consistent sample preparation.
- Mechanistic De-risking: Increases confidence in preclinical data by minimizing pre-analytical variability introduced during sample handling.
Pipeline & Workflow Integration
The platform integrates into the discovery continuum from early target validation through lead identification and preclinical development, enabling reliable sample preparation at each stage.
- Discovery Biology: Supports hypothesis testing and pathway clarification by concentrating signaling molecules, vesicles, or cellular debris for analysis.
- Screening: Delivers assay-ready samples with reduced matrix effects, improving hit detection and structure-activity relationship confidence.
- Analytics: Provides quantitative concentration outputs that enable comparison across experimental conditions and time points.
- Translational Research: Connects discovery-phase sample processing to preclinical continuity by preserving analyte structure and function.
- Enterprise Reuse: Functions as a reusable sample preparation module across multiple projects and therapeutic areas.
Operational & Enterprise Impact
- Scientific Value: Increases predictive confidence in target validation by reducing false negatives from analyte loss during processing.
- Operational Value: Ensures reproducibility and standardization across laboratories through pneumatic control and defined operational stages.
- Strategic Value: Improves go/no-go decisions by delivering higher-quality input data for screening and mechanistic studies.
- Portfolio Impact: Enables risk-adjusted prioritization by improving the reliability of early-stage biological data.
Implementation Considerations
- Requires expertise in microfluidic device fabrication, PDMS handling, and pneumatic control systems.
- Depends on precision pressure controllers, syringe pumps, and flow rate monitoring equipment for reproducible operation.
- Necessitates cross-team standardization of valve actuation timing and pressure thresholds for consistent results.
- Requires adaptation of channel dimensions and valve timing based on target particle size and concentration goals.
- Practical limitations include the need for cleanroom-compatible fabrication and careful alignment of plasma-bonded layers to prevent leaks.
