התקנים מבוססי זכוכית ליצירת טיפות ותחליבים
5 באפריל 2022
כאן, מוצג פרוטוקול לייצור התקנים מיקרופלואידיים מבוססי זכוכית המשמשים ליצירת תחליבי מונודיספראז גבוהים עם גודל טיפה מבוקר.
פרוטוקול זה מתאר כיצד לייצר התקנים מיקרופלואידיים מבוססי זכוכית בפירוט. מעקב אחר פרוטוקול זה יאפשר לכל מי שאין לו ניסיון לבנות ולהשתמש במכשירים אלה. בעזרת זכוכית, אנו יכולים בקלות להפוך משטחים הידרופוביים או הידרופיליים ובכך להפוך התקנים מבוססי זכוכית לאטרקטיביים ליצירת טיפות תחליב יציבות.
ישנם יישומים מרובים עבור טיפות ותחליבים בתחומים מגוונים כמו קוסמטיקה, תעשיית המזון ואספקת תרופות. בכתב יד זה נדגיש מעט יותר את השימוש בהם בחקלאות אינטנסיבית. אנו ממליצים להיות סבלניים בכל שלב.
כמו כן בדקו שהקצה נקי ולא שבור. אל תמתין עד להשלמת ההתקן כדי לבדוק אותם. להכנת טיפות פשוטות, השתמש בבסיס זכוכית המיוצר עם שקופית מיקרוסקופ כדי לבנות את המכשיר.
עבור הקצה, השתמש נימי זכוכית עגולים בקוטר מילימטר אחד. לאחר מכן, השתמש במחט מזרק 20 מדים כדי להקל על החדרת הנוזל לתוך הנימים. באמצעות סכין גילוח או אזמל, לגלף חור השווה לגודל הקוטר החיצוני של הנימים בבסיס המחט.
יש לשטוף את המחט במים כדי להסיר את כל האבק והסיבים מהחיתוך ולאפשר למחט להתייבש באוויר. כדי להרכיב את המכשיר, הדביקו את הנימים העגולים לשקופית המיקרוסקופ על ידי הצבת קצה הנימים סנטימטר עד שני סנטימטרים מחוץ לקצה שקופית המיקרוסקופ והוספת גוש של אפוקסי במרכז הנימים כך שלא יפריע לשדה הראייה או למחט המזרק. לאחר מכן, מניחים את מחט המזרק כך שקצה הנימים יושב במרכז המחט ומניחים כמות קטנה של אפוקסי מוקשה סביב השפה בתחתית המחט.
לאחר מספר דקות, להחיל את השכבה השנייה של אפוקסי טרי, מכסה את בסיס המחט ולהימנע מהחור. לאחר מכן, כסו את החור באפוקסי מוקשה כדי למנוע מהאפוקסי לזרום בתוך המחטים. ליצירת טיפות, מקם את המכשיר במצב אנכי באמצעות מהדק כך שהקצה פונה כלפי מטה כמו ברז מטבח.
השתמש במשאבת מזרק או בהתקנה מונעת לחץ כדי לשאוב את הנוזל לתוך המכשיר. להכנת טיפות תחליב, השתמש בנימי נימים מרובעים באורך חמישה סנטימטרים עבור הנוזל החיצוני ונימי עגול בקוטר מילימטר אחד. ודא שאורך הנימי העגול ארוך בכמה סנטימטרים מהנימי המרובע.
התאימו את הקוטר החיצוני של הנימים העגולים לגודל הפנימי של הנימים המרובעים כדי להבטיח ששני הנימים מיושרים באופן קואקסיאלי. לאחר מכן, כדי להרכיב את המכשיר, הדביקו את הנימים המרובעים לשקופית המיקרוסקופ על ידי הצבת קצה הנימים סנטימטר עד שני סנטימטרים מחוץ לקצה שקופית המיקרוסקופ והחלת גוש אפוקסי במרכז הנימים. המתן עד שהאפוקסי ירפא לחלוטין.
לאחר מכן, הכנס את הנימי העגול לתוך הנימי הריבוע כך שהקצה של הנימי העגול על המגלשה הוא כמה סנטימטרים מקצה הנימים המרובעים. הקצה השני של הנימי העגול שנמצא בתוך הנימים המרובעים צריך להיות במרחק השווה בערך לקוטר הנימים העגולים מקצה הנימים המרובעים. הדביקו את הנימים העגולים באמצעות גוש של אפוקסיה באמצע המרחק שבין סוף הנימים העגולים לתחילת הנימים המרובעים והמתינו עד שהאפוקסי ירפא לחלוטין.
כדי לשכן את הנימים בבסיס המחט, גלפו חור בבסיס הכובע העגול שהוא בגודל הקוטר החיצוני של הנימים. לאחר מכן, כדי להתאים את המחט השנייה בקצה הנימים המרובעים, גילפו חור עגול ומרובע בבסיס המחט כדי להכיל את המפרק. לאחר החיתוך, לשטוף את המחטים עם מים ולתת להם אוויר יבש.
לאחר מכן הדביקו אותם כפי שהוכח קודם לכן. כדי לבנות את המכשיר המיקרופלואידי, חתכו שתי חתיכות קטנות של מגלשה והשתמשו באפוקסי, הדביקו אותן לשתי שקופיות מיקרוסקופיות כדי לשמור על השקופיות יחד. המתן עד שהאפוקסי ירפא לחלוטין.
באמצעות סופר יהלום, חותכים את הנימים המרובעים לאורך של כארבעה סנטימטרים. השתמש בנימי הריבוע עם צד פנימי התואם את הקוטר החיצוני של הנימים העגולים כדי ליישר את הנימים באופן קואקסיאלי. עבור פרוטוקול זה, השתמש בנימי צד של שני מילימטרים.
לאחר מכן, באמצעות מכונת משיכת פיפטה, משכו נימים עגולים כדי להשיג שני נימים למחצה עם קצה דק. לאחר מכן, באמצעות מיקרו לזייף, לחתוך את קצהו של אחד מחצי הנימים לקוטר הרצוי. כדי להשתמש במחצית השנייה כנימי אספן, חתכו את הקצה המשוך כך שהקצוות השטוחים המקוריים יתאוששו.
הדביקו את הנימים המרובעים לשקופיות. אין לשים את הנימים באמצע השקופיות מכיוון שהמפרקים של השקופיות לא צריכים להיות באזור הצפייה. לאחר מכן, הניחו את נימי הקצה והאספן בתוך הנימים המרובעים במרחק של כשני מילימטרים זה מזה.
כדי להימנע מהמפרק, מניחים את הקצוות של נימי הקצה והאספן באותו צד. כדי לייצר חיבורים לקצוות הפתוחים של הנימים, הניחו ארבע מחטים המכסות את הקצוות הללו והדביקו את המחטים כפי שהוכח קודם לכן. כדי לבדוק אם יש במכשיר דליפות, סגרו שתיים מהמחטים באמצעות פיסת צינורות מכופפת המוחזקת על ידי קליפס קלסר.
לאחר מכן, באמצעות מזרק, לשאוב באופן ידני מים שעברו דה-יוניזציה לתוך המכשיר דרך אחת המחטים באמצעות המחט האחרונה כיציאה. אם לא נצפו דליפות, שאבו את המים דרך המחט הבאה וחזרו על התהליך עבור כל ארבע המחטים. אם נמצאה דליפה, יש לייבש היטב את המכשיר, למרוח אפוקסי ולהמתין שעה לפני הבדיקה שוב.
לאחר שאישרו שאין דליפה, מלאו את המכשיר בנוזל ניסיוני והסירו בועות אוויר. לאחר מכן חברו את הנוזל הפנימי או מזרק הפאזה המפוזר למחט אחת, את הנוזל החיצוני או את הפאזה הרציפה למחט שתיים, ואת נוזל הקולט או את אלקטרודת הנגד למחט ארבע. מחט שלוש היא ליציאה.
לבסוף, חברו את אספקת החשמל למחטים המזינות את הנוזלים הפנימיים והאסופים כדי ליצור הבדל פוטנציאלי בין הקצה לנוזל הקולט. במחקר זה, כ-3.3 מילימטר טיפות שמן סיליקון נוצרו באמצעות קצה של 580 מיקרומטר. וטיפות של 1.75 מילימטר נוצרו באמצעות קצה של 86 מיקרומטר.
בנוסף, טיפות תחליב נוצרו באמצעות התקני זרימה אלקטרו-קו-קולית במצבי טפטוף, סילון חרוט והצלפה. בתוצאות אלה, אותו נוזל משמש כנוזלים פנימיים ואסופים. עם זאת, אם מטרת הניסויים היא איסוף טיפות אלה, נוזל מוליך אחר צריך לשמש כאספן.
היו סבלניים והמתינו עד שהאפוקסי יתרפא. אם הוא נרטב, הוא לעולם לא יתייבש ותצטרך להתחיל את כל ההליך שוב. ניתן ליצור תחליבים מרובים באמצעות שילובים של מיקוד זרימה בסדרת שיימינג.
כל סכימה נוספת תוסיף מעטפת לירידת התנועה. ניתן גם להשתמש במקטעי מיקוד זרימה.
צפו בתמליל המלא וקבלו גישה לאלפי סרטונים מדעיים
סקירה כללית
פרוטוקול זה מתאר כיצד לייצר התקני מיקרופלואידיקה מבוססי זכוכית ליצירת אמולסיות יציבות עם גדלי טיפות מבוקרים. השיטה נגישה עבור מי שאין להם ניסיון קודם, ומדגישה את הרב-גוניות של הזכוכית ביצירת משטחים הידרופוביים או הידרופיליים.
מרכיבי מפתח של המחקר
תחום מדעי
- מיקרופלואידיקה
- טכנולוגיית אמולסיות
- מדע החומרים
רקע
- ניתן להתאים התקנים מבוססי זכוכית ליישומים שונים.
- טיפולים של פני השטח להפיכתם להידרופוביים או להידרופיליים משפרים את הפונקציונליות.
- לאמולסיות יש שימושים משמעותיים בתעשיות כגון קוסמטיקה ומזון.
- החקלאות האינטנסיבית מפיקה תועלת מיישום של אמולסיות אלו.
מטרת המחקר
- מתן פרוטוקול מפורט לבניית התקני מיקרופלואידיקה.
- הדגמת יצירת אמולסיות מונו-דיספרסיביות.
- הדגשת היישומים הפוטנציאליים בחקלאות ובתחומים אחרים.
שיטות שנעשה בהן שימוש
- ייצור התקני מיקרופלואידיקה מזכוכית.
- טיפול פני שטח להשגת הידרופוביות או הידרופיליות רצויה.
- יצירת אמולסיות עם גדלי טיפות מבוקרים.
- יישום של התקנים בהקשרים תעשייתיים שונים.
תוצאות עיקריות
- ייצור מוצלח של התקנים המפיקים אמולסיות יציבות.
- הדגמה של יצירת גודל טיפה מבוקר.
- הדגשת יישומים רב-גוניים בתעשיות מרובות.
- פרוטוקול נגיש למשתמשים ללא ניסיון קודם.
מסקנות
- הפרוטוקול מאפשר יצירה של התקני מיקרופלואידיקה יעילים.
- התקנים מבוססי זכוכית הם בעלי יתרון ליצירת אמולסיות.
- פוטנציאל ליישומים רחבים בחקלאות ומחוצה לה.
שאלות נפוצות
רלוונטיות תעשייתית למנהלים
התקני מיקרופלואידיקה מבוססי זכוכית מאפשרים בקרה מדויקת על גודלם ויציבותם של טיפות אמולסיה, ובכך תומכים בפיתוח פורמולציות הדיר במחקר ופיתוח בתחומי התרופות והביוטכנולוגיה. השיטה מספקת פלטפורמה ניתנת להרחבה ליצירת אמולסיות מונו-דיספרסיות השמישות למערכות להולכת תרופות, ובכך מפחיתה את השונות בבדיקת פורמולציות בשלב הפרה-קליני. על ידי אפשור שינוי פני השטח ותצורות זרימה מקבילה של מספר נוזלים, הטכנולוגיה תומכת בהסרת סיכונים מכניסטיים בשלבי התכנון המוקדמים של הפורמולציה.
יישומים אסטרטגיים במחקר ופיתוח בביו-פרמה
גילוי מוקדם ותיקוף מטרה
- ערך מדעי: מאפשר בחינה של היפותזות ניסוחיות באמצעות יצירה מבוקרת של טיפות למחקרי מסיסות וזמינות ביולוגית.
- ערך תפעולי: תומך בפיתוח מהיר של אבות-טיפוס למערכות הולכה מבוססות אמולסיה בעלות תכונות פיזיקו-כימיות ניתנות להתאמה.
סריקה ופיתוח בדיקות
- ערך מדעי: יצירת טיפות מונו-דיספרסיביות מאוד לצורך סריקה סטנדרטית בעלת תפוקה גבוהה של יעילות כמיסה וקינטיקת שחרור.
- ערך תפעולי: הבטחת שחזוריות של הבדיקה באמצעות בקרת זרימה מדויקת וייצור מכשיר שנבדק לדליפות.
מחקר תרגומי ופרה-קליני
- ערך מדעי: מסייע ביצירת טיפות אמולסיה בעלות התפלגויות גודל מוגדרות לצורך מידול פרמקוקינטיקה וביו-הפצה in vivo.
- ערך תפעולי: מאפשר מעבר חלק משלב הגילוי לאישוש פרה-קליני באמצעות פלטפורמות מיקרופלואידיות סטנדרטיות וניתנות לשימוש חוזר.
שילוב תהליכי עבודה וצינורות עיבוד
השיטה משתלבת בתהליכי הגילוי המוקדמים על ידי אספקת אמצעי מהימן להכנת אמולסיות המוכנות לניסוח לפני שלב אופטימיזציית המולקולות המובילות והבדיקות הפרה-קליניות.
- ביולוגיה של תגליות: תומך בבדיקת היפותזות לגבי האופן שבו מורפולוגיית האמולסיה משפיעה על הספיגה התאית ועל המעורבות עם המטרה.
- סינון (Screening): מספק נתוני גודל טיפה כמותיים הקריטיים להשוואת ביצועי פורמולציות על פני ספריות תרכובות.
- אנליזה: מאפשר מדידה של גודל הטיפה ויציבותה כמדדי קריאה מרכזיים לסינון ובחירה של פורמולציות.
- מחקר תרגומי: מקשר בין עיצוב ראשוני של אמולסיה לרציפות פרה-קלינית באמצעות ייצור חלקיקים בר-שחזור וניתן להרחבה.
- שימוש חוזר ארגוני: ממצב מיקרופלואידיקה מזכוכית כטכנולוגיית פלטפורמה לשימוש חוזר במגוון פרויקטים של פורמולציות ובתחומים טיפוליים שונים.
השפעה תפעולית וארגונית
- ערך מדעי: מגביר את הביטחון החזוי בהתנהגות הפורמולציה על ידי הפחתת השונות בגודל טיפות האמולסיה וביציבותן.
- ערך תפעולי: משפר את הסטנדרטיזציה והשחזוריות בין אתרי מו"פ באמצעות פרוטוקולי ייצור מתועדים היטב ונבדקים לדליפות.
- ערך אסטרטגי: משפר את קבלת ההחלטות לגבי המשך או הפסקת פיתוח (go/no-go) בפיתוח פורמולציות, על ידי מתן אפשרות לזיהוי מוקדם של מועמדי אמולסיה לא יציבים או לא יעילים.
- השפעה על הפורטפוליו: תומך בקידום מותאם סיכונים על ידי אספקת תובנות מבוססות נתונים לגבי היתכנות הפורמולציה והיכולת להרחבתה (scalability).
שיקולים ליישום
- דורש מומחיות בהרכבת התקני מיקרופלואידיקה, טיפול באפוקסי ויישור קפילרות.
- תלוי בגישה למשאבות מזרק, מערכות זרימה מונעות לחץ ומכשור לבדיקת דליפות.
- מחייב סטנדרטיזציה בין-צוותית של פרוטוקולי טיפול פני שטח להשגת הידרופוביות/הידרופיליות עקבית.
- כולל שיקולי התאמה בעת מעבר מקונפיגורציות פשוטות המונעות בכוח הכבידה לקונפיגורציות electro-coflow עבור אמולסיות מורכבות.
- כולל מגבלות מעשיות כגון היווצרות בועות במהלך המילוי וזמן אשור האפוקסי המשפיע על התפוקה.
