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Articolo metodologico

Ridotto gravità ambiente hardware Dimostrazioni di un prototipo miniaturizzato Citofluorimetro e Companion Microfluidic tecnologia di miscelazione

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DOI:

10.3791/51743

⸱

13 novembre 2014

 ,  ,  ,  ,  ,  ,  ,  ,  ,  , 
1DNA Medicine Institute, 2Harvard Medical School, 3NASA Glenn Research Center, 4ZIN Technologies

* These authors contributed equally

In questo articolo

Sommario

Diagnostica del sangue di volo spaziale hanno bisogno di innovazione. Poche manifestazioni sono stati pubblicati illustrando in volo, tecnologia diagnostica sanitaria ridotta gravità. Qui vi presentiamo un metodo per la costruzione e l'esercizio di un impianto parabolica test di volo di un prototipo di design point-of-care citometria a flusso, con componenti e strategie di preparazione adattabili ad altre impostazioni.

Abstract

Fino a poco tempo, i campioni di sangue sono stati raccolti astronauti in volo, trasportati a terra sullo Space Shuttle, e analizzati nei laboratori terrestri. Se gli esseri umani devono viaggiare oltre l'orbita terrestre bassa, una transizione verso lo spazio-ready, point-of-care è richiesto (POC) test. Tale test deve essere completo, facile da eseguire in un ambiente a gravità ridotta, e non influenzata dalle sollecitazioni di lancio e il volo spaziale. Innumerevoli dispositivi POC sono stati sviluppati per imitare controparti scala di laboratorio, ma la maggior parte hanno le applicazioni strette e pochi hanno l'uso dimostrabile in un ambiente a gravità ridotta in volo. In realtà, dimostrazioni di diagnostica biomedica in gravità ridotta sono limitati del tutto, rendendo la scelta dei componenti e di alcuni problemi logistici difficile avvicinarsi quando si cerca di testare nuove tecnologie. Per contribuire a colmare il vuoto, vi presentiamo un metodo modulare per la costruzione e il funzionamento di un dispositivo diagnostico prototipo di sangue e il suo p associatoarabolic banco di prova di volo che soddisfano gli standard per prove di volo a bordo di un volo parabolico, aerei ridotta gravità. Il metodo si concentra sulla prima assemblea rig per in-volo, test ridotta gravità di un citofluorimetro e un compagno microfluidica chip di miscelazione. I componenti sono adattabili ad altri disegni e alcuni componenti personalizzati, come ad esempio una pala campione microvolumi e micromixer possono essere di particolare interesse. Il metodo quindi attenzione si sposta alla preparazione del volo, offrendo linee guida e suggerimenti per la preparazione per un test di volo di successo per quanto riguarda la formazione degli utenti, lo sviluppo di una procedura operativa standard (SOP), e altre questioni. Infine, sono descritti in volo procedure sperimentali specifiche per le nostre manifestazioni.

Introduzione

L'inadeguatezza della diagnostica attuali di salute spazio-ready presenta un fattore limitante per una più profonda esplorazione spaziale con equipaggio. Diagnostica devono essere completo, facile da usare in gravità ridotta, e relativamente inalterata alle sollecitazioni di lancio e il volo spaziale (ad esempio, g-forze elevate, vibrazioni, radiazioni, sbalzi di temperatura, e pressione cabina modifiche). Gli sviluppi nei test point-of-care (POCT) possono tradursi in soluzioni efficaci volo spaziale attraverso l'uso di campioni dei pazienti più piccoli (ad esempio, una puntura dito), fluidica più semplici e più piccole (ad esempio, microfluidica), e ridotto fabbisogno di energia elettrica, tra l'altro vantaggi. Citometria a flusso è un approccio interessante per in-spazio POC causa della ampia utilità della tecnologia, compresa verso conteggio delle cellule e biomarker quantificazione, nonché un significativo potenziale miniaturizzazione. Spazio rilevante Precedente flusso citometri includono il 'effic imballaggio nucleareiency '(NPE), strumento utilizzato fluorescenza simultanea ad arco lampada indotta e volume elettronico (Coulter volume) di misura 1-4, un relativamente piccolo flusso da banco citometro che rappresenta la' prima generazione di flusso in tempo reale dei dati durante la citometria a gravità zero '5, un 'microflusso guaina citometro' in grado di globuli bianchi (WBC) conta differenziale a 4 e 5 parti utilizzando pretrattato 5 ml campioni di sangue intero 6-9, e 'in fibra ottica a base di' citofluorimetro recentemente testato a bordo in International Stazione Spaziale 10.

Valutare tecnologia diagnostica per le applicazioni spaziali potenziali viene in genere eseguita aerei ridotta gravità che utilizzano una traiettoria di volo di circa parabolica per simulare un livello prescelto di assenza di peso (ad esempio, a gravità zero, marziano-gravità) 11 a bordo. La valutazione è impegnativo, perché opportunità di volo sono limitati, repetbrevi finestre itive di microgravità può rendere difficile la valutazione delle metodologie o processi che normalmente richiedono periodi ininterrotti più lunghi di 20-40 sec, e le dimostrazioni possono richiedere ulteriori attrezzature non facilmente utilizzato in volo 12-15. Inoltre, precedenti dimostrazioni di tecnologie (IVD) in vitro diagnostici usati in, o progettati per, gravità ridotta sono limitati e molto lavoro resta inedito. Oltre ai citofluorimetri sopra, altri IVD-tecnologie spaziali rilevanti descritti in letteratura comprendono un dispositivo complesso colorazione sangue per applicazioni immunofenotipizzazione 16, un sistema automatico fotocamera basata citometro 12, un analizzatore clinico palmare per potenziometria integrato, amperometria e conductometry 12,17, un dispositivo di microfluidica 'T-sensor' per la quantificazione degli analiti che si basa sulla miscelazione basato sulla diffusione e la separazione 18, e la rotazione di un 'laboratorio su un CD' piattaforma diagnostica 19,20. I nuovi arrivati ​​alla sperimentazione gravità ridotta possono anche guardare a dimostrazioni di volo parabolico estranei alla diagnostica in vitro quando si tenta di rendere possibile la valutazione del dispositivo (o capire ciò che è possibile). Dimostrazioni di altri precedenti esperimenti medici o biologici con la preparazione del volo, le strategie in volo, e le apparecchiature di prova di volo ben documentata sono incluse nella tabella 1 15, 21-35. Questi possono essere informativo a causa dell'inclusione di manuale in volo compiti, l'uso di attrezzature specializzate e di contenimento sperimentale.

Categoria Esempi
Assistenza medica di emergenza L'intubazione tracheale (laringoscopio-guidato, su Manika) 21, supporto vitale cardiaco (suini anestetizzati) 22
Cure chirurgiche La chirurgia laparoscopica (video simulato 23, in maiali anestetizzati 24,25)
Medical imaging o la valutazione fisiologia Ultrasuoni con camera a pressione negativa inferiore del corpo 26, Doppler flussometro (montato la testa) 27, di controllo della pressione venosa centrale 28
Attrezzature biologico Specialized Lettore di micropiastre (e vano portaoggetti in volo) 29, sistema di controllo della temperatura per gli esperimenti del ciclo cellulare 30, microscopio (campo chiaro, contrasto di fase, e multi-canale in grado di fluorescenza) 15, capillareUnità di elettroforesi accoppiato al video microscopio 31
Altro Raccolta delle piante con una pinza 32, contenuta ratti 33,34 e pesce 35 per l'osservazione

Tabella 1. Antenna volo dimostrativo Esempi con ben descritto Metodi / Esperimenti

Per espandere su esempi precedenti e di fornire una maggiore comprensione di successo dimostrazioni in volo, vi presentiamo una procedura modulare e adattabile per la costruzione e il funzionamento di un prototipo citofluorimetro con relativa tecnologia di miscelazione microfluidica come parte di un test di volo parabolico rig. L'impianto di perforazione permette dimostrazioni di caricamento del campione, la miscelazione microfluidica, e rivelazione di particelle fluorescenti, ed è stato testato a bordo 2010 NASA agevolato l'accesso allo spazio ambiente (FAST) flig parabolicahts, volato dal 29 settembre al 1 ° ottobre 2010. Queste dimostrazioni tirare dal inizio, metà e fine, rispettivamente, di un flusso di lavoro dispositivo di potenziale in cui campioni di sangue dal polpastrello dimensioni sono caricati, diluiti o miscelati con i reagenti, e analizzati con ottica rilevamento. Scalare un citofluorimetro in un'unità compatta richiede innovazione e un'attenta selezione parte. Personalizzato e componenti off-the-shelf sono usati qui, scelto come migliori approssimazioni iniziali di scelte componente finale, e possono essere adattabili ai disegni di altri innovatori. In seguito una descrizione dei componenti scelte prototipo configurazione è descritto su una struttura di supporto che funge da scheletro per assemblaggio rig. Componenti prototipi vengono assegnati punti, fissati e accompagnati da componenti aggiuntivi necessari per la sperimentazione di successo. L'attenzione si sposta quindi a procedure più astratte che coinvolgono procedure operative standard (SOP) lo sviluppo, la formazione, e altri aspetti logistici. Infine, le procedure specifiche per dimostrazione sonodescritto. Le strategie qui descritte e le scelte di elementi portanti di rig (ad esempio, il microscopio, scatola acrilica, ecc), anche se attuato qui per prototipo specifico, parlano le questioni generali e le sfide rilevanti per la verifica qualsiasi apparecchiatura diagnostica di sangue in un ambiente a gravità ridotta .

Nel 2010 Voli, due lunare-gravità (il raggiungimento di circa 1/6 della gravità terrestre) e due voli di micro-gravità sono stati programmati in 4 giorni, anche se in ultima analisi, questi sono stati riprogrammati in 3 giorni. Le dimostrazioni sono state effettuate a bordo di una modifica gestite da privati, narrow-body jet aereo di linea 36. Ogni volo, a condizione 30-40 parabole, ciascuna producendo circa 20 sec di alta gravità (circa 1,8 g), seguita da 20-25 secondi di condizioni di ridotta gravità. Dopo mezzo delle parabole furono eseguiti, il piano in pausa per un periodo di circa 5-10 minuti in volo livellato per consentire il piano di girarsi e tornare verso il luogo di destinazione, mentre performing il resto delle parabole.

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Protocollo

I campioni di sangue umano utilizzato in questo protocollo sono stati raccolti con l'approvazione IRB utilizzando protocolli mini-invasivi (vedi Ringraziamenti).

1. Rig Assemblea

  1. Montare i componenti prototipo (fluidici, ottici, elettronici di controllo / acquisizione dati) per una semplice citometria a flusso del sistema da utilizzare in condizioni di gravità ridotta
    1. Preparare un sistema di pressione con il minimo peso e il potere ha bisogno di guidare fluidica del sistema
      1. Collegare una pompa dell'aria miniaturizzato ad un sensore di pressione differenziale.
      2. Per mantenere una pressione costante di guida, controllare l'uscita della pompa utilizzando impulsi di larghezza-modulazione e un ciclo di lavoro regolata mediante un regolatore proporzionale-integrale-derivativo software controllo personalizzato (passo 1.1.7).
    2. Assemblare un contenitore di fluido che può essere caricato senza intrappolare aria (vedere il punto 3.4)
      1. Montare un flacone di plastica rigida (Figura 1A) con un diaphra latticegm, tappare bene a protezione diretta, e la tubazione aria in ingresso alla base flaconcino (connessione sigillato con adesivo ottico).
      2. Assicurarsi che la pompa pressurizza il flacone senza aria o perdite di fluido, comprimendo il diaframma per guidare il flusso del fluido dal tubo di uscita tappo.
    3. Progettare un contenitore per rifiuti fluido per la raccolta dei rifiuti senza costruire una contropressione che comprometterà il flusso
      1. Utilizzare una fiala-incollato-in-a-vial disegno (Figura 1B) per il doppio contenimento.
      2. Tappare le fiale con una finestra spugna schiuma assicurato che intrappola rifiuti galleggianti, ma permette l'equalizzazione della pressione d'aria con l'ambiente della cabina.
    4. Fare un caricatore di esempio per l'utilizzo in gravità ridotta
      1. Macchina e assemblare un design morsetto a molla con guiderails (Figura 1C) tale che Collari in modo affidabile una capillare guaina montato tra due o-ring nella linea del fluido. Assicurarsi che conserva volume del campione durante il caricamento, ospita sistema priming quando un campione non è inserita, ed evita erranti introduzione bolla.
      2. Assicurarsi che in assenza di un capillare, le molle premono gli O-ring insieme per completare la linea del fluido e permettere innesco senza perdite (Figura 1D, sinistra).
    5. Progettare un micromixer che non si basa su sottocomponenti meccanici alimentati a funzionare
      1. Concepire un due di ingresso micromixer spirale vortice (Figura 1E) che consente di ottenere avvezione caotico necessario superare flusso laminare all'interno dei canali microfluidici. Questo disegno trasporta tutte rientranti fluido a valle in modo che un esempio di esecuzione non influenza il successivo.
      2. Per comodità, fabbricare disegno scelto con il metodo (Figura 1F) rapido prototipo di polidimetilsilossano (PDMS). Utilizzare un bidimensionale fotomaschera creazione computerizzata stampato a 20.000 dpi per fabbricare la necessaria SU-8 stampo in una struttura camere bianche 37.
        NOTA: Utilizzare un modicato 23 gauge bene di un mulino di foratura verticale a praticare fori alle bocche di porto, vortice, ingresso di rilevamento, e luoghi di uscita di rilevamento, e una lente di ingrandimento mano per aiutare a puntare l'ago. Tagliare i frammenti da PDMS utilizzando una lametta e montare i fori con 0.5 "perni in acciaio cavi che spuntano dal lato non stampato retro del chip. Collegare il pin di uscita a spirale al centro del perno di ingresso canale di rilevamento utilizzando tubi microbore.
      3. Chip Pulire accuratamente con etanolo e superficie superiore sagomata a secco con del nastro adesivo opaco. Utilizzare una siringa vuota a soffiare etanolo fuori dei perni. Trattare chip di PDMS e un vetro di copertura incontaminato all'interno pulitore plasma e li legherà entro 10 secondi con una leggera pressione, controllando immediatamente al microscopio ottico che il chip viene premuto completamente senza compromettere la pervietà del canale.
    6. Montare un blocco ottico in miniatura palmare con riconoscimento delle particelle fluide
      1. Il disegno in figura 2AB è adatto a due colori eilluminazione laser pifluorescence e la rilevazione, e utilizza una PDMS straight-canale (120 da 200 micron) di flusso cella per convenienza.
      2. Blocco Mount (Figura 2C) utilizzando componenti ottico-meccanici disponibili in commercio e allineare singolo fotone moduli di conteggio fibrate.
    7. Elettronica di progettazione e software per il controllo del dispositivo e acquisizione dati
      1. Per comodità nella prototipazione precoce, utilizzare pezzi a mano saldato connessi alla acquisizione dati (DAQ) carte (Figura 2D).
      2. Codice e programmare un software personalizzato (esempio in Figura 2E) di operare dispositivi rig e sincronizzare tutti i dati.
  2. Componenti aggiuntivi (non formalmente parte del prototipo)
    1. Incorporare un accelerometro a 3 dimensioni (Figura 2D, a sinistra) e di un misuratore di portata (non nella foto). Un accelerometro è presente a bordo dell'aeromobile, ma (probabilmente) non può essere direttamente sincronizzato other registrati i dati.
  3. Combinazione di risparmio energia elettrica
    1. Un meccanismo per lo spegnimento rapido e completo di elettronica (necessario per motivi di sicurezza sui voli ridotta gravità)
      1. Collegare una presa multipla singola (con singolo pulsante I / O) al pannello di distribuzione di energia aeromobili (120 V ca 60 Hz).
      2. Rimuovere batteria del computer portatile e laptop set di operare attraverso il cavo di alimentazione solo.
    2. Alimentazione per tutti i dispositivi
      1. Direttamente alimentare il computer portatile (batteria rimossa), un microscopio ottico, e due rivelatori di fotoni con presa multipla.
      2. Restanti dispositivi di alimentazione tramite schede DAQ USB collegate alle batterie dei notebook o utilizzando.
  4. Layout rig Volo-ready
    1. Considerazioni per il successo delle prestazioni in volo
      1. Spazio totale disponibile è limitata ad un'area inferiore a quello previsto per una dimostrazione analoga a terra (Figura 3A). Si consideri lo spazio totale disponibile e come che spasso sarà diviso tra spazio impianto sperimentale (anche per i componenti oltre a quelle formalmente parte del prototipo) e lo spazio utente che circonda l'impianto di perforazione. Impianti sperimentali variano in termini di posizionamento in avanti o indietro, ma questo non influisce in gran parte disponibile spazio operativo (o in volo fisica).
      2. Determinare quali componenti più propriamente accessibili in un in piedi, in ginocchio, o altezza del pavimento, oltre a considerare che i componenti beneficeranno maggiormente della protezione già raggiunto all'interno di una struttura di supporto.
    2. Struttura di supporto Rig
      1. Ottenere o costruire un rack verticale che soddisfa considerato esigenze di layout, contiene tutti i componenti, consente livelli verticali differenti per l'organizzazione, resiste accelerazioni di volo, e in tutta sicurezza attribuisce al previsto piano cabina dell'aeromobile.
      2. Assegnare i componenti a livelli all'interno del rack (Figura 3B): un livello superiore per posizionare il computer portatile, un livello medio-rack per contain sottocomponenti prototipi e un livello del pavimento per contenere salviette extra, guanti e un contenitore di rifiuti vari.
      3. Concepire strutture supplementari all'interno del rack per ospitare diversi livelli desiderati. Implementare travi di sostegno a 'mid' altezza per contenere 2 ft. Da 2 ft. Piastra microscopio basetta per l'avvitamento verso il basso i componenti dell'impianto di perforazione, e travi di sostegno di circa 2 piedi più in alto per supportare un computer portatile depressione volo approvato.
      4. All'interno livelli verticali, determinare disposizione ottimale dei componenti, tenendo conto limitazioni accessibilità sostenuti a causa della presenza di altri componenti, nonché a causa del potenziale di posizione / orientazione della piattaforma stessa a bordo di un volo (ad esempio, 4 a lato di un impianto di perforazione quadrata può essere vicino alla parete aerei, lasciando solo 3 lati accessibile).
        NOTA: I cosciali per fissare operatori test sono ad una distanza fissa dalla piattaforma e possono non essere disponibili su tutti i lati.
      5. Sulla base di queste determinazioni, diVide la piastra basetta in 4 quadranti (Figura 3C), ponendo luoghi dedicati per l'elettronica e il blocco ottico verso il muro velivolo, e il caricatore del campione e il chip microfluidica verso lo spazio in cabina.
  5. Prototipo in sicurezza, di contenimento, e la configurazione di visualizzazione
    1. Elettronica audio
      1. Design, tagliato al laser, e assemblare una scatola acrilica personalizzato (Figura 2D) per contenere le schede di acquisizione dati (con cinturino in basso) e tavole a mano saldato (avvitato alla parete della scatola).
      2. Utilizzare una porta girevole per un facile accesso (fissato in volo con tessuto gancio-e-velcro) e fori di uscita per i cavi USB e fili.
    2. Caricatore di esempio
      1. Realizzare un acrilico su misura 'guanto' di dialogo (Figura 4A) con fori di accesso braccio per fornire uno spazio cubico in cui eseguire la dimostrazione di caricamento (Figura 4C) senza rischio di contaminazione della cabina di volo.
      2. Feed tubi da e caricatore attraverso piccoli fori circolari nel lato della scatola.
    3. Micromixer
      1. Adattare attrezzature utilizzate per terra. Bolt uno stereomicroscopio (Figura 4B) alla piastra breadboard e in forma con un supporto di chip in acrilico su misura, anche imbullonato alla piastra.
      2. Montare una camera CCD USB ​​per l'oculare del microscopio e collegarlo al portatile (Figura 4D) per salvare il video sincronizzato con altri dati (la gravità, la pressione di guida, e portata).
    4. Blocco ottico
      1. Realizzare una scatola acrilica opaca personalizzata (Figura 4A, a destra) per coprire il blocco, proteggendolo dalla luce ambientale e ridurre i rischi laser.
      2. Utilizzare una 'finestra' filtro ottico per controllare in modo sicuro la funzione laser.
    5. Laptop
      1. Bolt un vassoio portatile volo approvato per le travi di sostegno all'interno della struttura di supporto.
      2. Usa hook-e-velcro per fissare i cavi USB lungo architettura rack.
  6. In volo attuazione di dimostrazione
    1. Semplici interventi per procedere con dimostrazioni
      1. Incorporare componenti aggiuntivi che eliminano necessarie regolazioni manuali tubi in volo o altre azioni che richiedono l'destrezza o potrebbe rischiare perdite di fluidi nell'ambiente cabina.
        1. Personalizzata macchina e integrare un collettore di pressione (Figura 5A) costituito da un cilindro di alluminio con fori filettati per montare un adattatore a vite ago luer servire come presa di pressione. Praticare fori più piccoli lungo la circonferenza per adattarsi O-ring e tubi microbore come punti vendita. Utilizzare per pressione fiale di origine più contemporaneamente.
        2. Assemblare un gruppo di elettrovalvole a tre vie (Figura 5B) azionate da interruttori a MOSFET tandem (Figura 5C) cablati su una scheda DAQ. Adattare tubi microbore per adattarsiporte della valvola. Utilizzare per controllare il flusso di fluido dalle diverse fiale.
      2. Software Programma per procedere attraverso dimostrazioni (Figura 6) con interventi solo pulsante (ad esempio, clic singolo sul portatile).
    2. Controllo manuale Backup
      1. Aggiungi pinze scorrevoli a impianto di perforazione per consentire un certo controllo manuale sulle fluidica, forse, se la tubazione in modo imprevisto deve essere scollegato e ricollegato durante il volo.
      2. Includi sufficienti salviette di pulizia nella sezione cremagliera piano in caso di perdite nel volo.
  7. Volo disturbi disponibilità: sistema pronto per eventuali forze improvvise scosse, vibrazioni, o passeggeri collisione in volo.
    1. Stabilizzazione Allineamento
      1. Applicare asciugatura rapida epossidica per componenti allineati che sono facilmente mal regolato, in particolare i componenti ottici.
      2. Applicare grade resina epossidica industriale sopra la resina epossidica ad asciugatura rapida, così da garantire altri components, se necessario, compreso l'attacco della telecamera CCD all'oculare del microscopio.
    2. I test fisici di disturbo
      1. Agitare struttura di supporto rig con tutti i componenti in atto.
      2. Controllare la funzionalità dei singoli componenti dopo aver sottoposto l'impianto di perforazione per il disturbo, componenti ottici particolarmente allineati.
    3. Gestione del rischio passeggeri
      1. Applicare imbottitura in schiuma di aree (angoli, bordi) delle apparecchiature struttura del rack verticale che potrebbe danneggiare un passeggero di volo che bussa accidentalmente nel rig (Figura 4C).
      2. Imbottitura sicura con del nastro adesivo nero.

2. Dimostrazione di preparazione e Logistica

  1. In volo o assegnazioni di ruolo del team a terra
    1. Assegnare operatore rig (s) per eseguire sia l'installazione impianto e tutte le operazioni di hands-on in volo. Hands-on gli operatori possono visualizzare meglio quando l'installazione impianto di perforazione è completa.
    2. Assegna un lettore POS per leggere il SOP alta voce durante l'allenamento e in volo. Il processo di lettura SOP durante l'allenamento può identificare messa in scena scomoda o inopportuna.
    3. Assegnazione di supporto a terra per eseguire la preparazione del campione e tutti gli altri compiti di preparazione non coinvolgono direttamente l'impianto di perforazione, riducendo al minimo gli oneri di tempo per gli operatori dell'impianto di perforazione.
  2. Procedura operativa standard iniziale (SOP) di sviluppo
    1. Scrivere tutti i passaggi per incorporare pre-volo (giorno prima e la mattina prima), in volo, e le procedure di post-volo utilizzando solo attrezzature e materiali che sarà disponibile nella posizione di volo. Un blocco da 5 a 10 min di livello di volo aereo può essere disponibile per le procedure di impostazione dell'ultimo minuto prima di iniziare parabole o al giro di boa mentre l'aereo si gira.
    2. Assegnare procedure sperimentali in volo ai numeri dedicati di parabole, rilevando che le parabole saranno probabilmente separati a metà strada per permettere al piano di girarsi e tornate al pianerottolosito, e che un altro gruppo può richiedere l'aereo per livellare metà esperimento o meno parabole possono essere volato del previsto.
    3. Concepire le procedure di dimostrazione per ridurre al minimo il rischio di pericolo biologico al di là di contenimento efficace, evitando di campioni biologici reali, quando possibile. Utilizzare blu colorante alimentare a spillo con perline di conteggio fluorescenti (Figura 1D) come alternativa al sangue durante la dimostrazione del campione del caricatore.
  3. Formazione di dimostrazione
    1. Impostare un programma di allenamento sufficiente per rivedere completamente e perfezionare la SOP, così come generare dati accurati di controllo a terra da confrontare con i dati di volo.
    2. Dopo aver eseguito SOP pre-volo, 'bloccare' l'impianto di perforazione in una stanza per simulare l'esperienza in volo, taglio l'accesso a strumenti o materiali a terra. Per la formazione ancora più severi, delimitare una sezione del pavimento soddisfare le quote assegnate che saranno disponibili durante il volo 32.
    3. Durante l'allenamento, seguire SOP eXactly, e utilizzare un cronometro per annunciare 20 a 30 parabole sec, indica l'ingresso e l'uscita di gravità ridotta, così come una pausa parabola metà del volo.
    4. Incorporare SOP finalizzati in orari effettivi di volo al giorno, dividendo le attività di 'pre-volo' tra giorno-di-volo e giorno-prima-volo.
    5. Treno per imprevisti occorrenze in volo, compresa forze improvvise che colpiscono l'impianto o l'aereo improvvisamente livellamento nel bel mezzo di un esperimento.
    6. Stabilità di prova di campioni e reagenti quando sottoposti ad una lunga pausa (ore o più) tra le procedure pre-volo e in volo l'attività. Si noti anche che le temperature potrebbero essere significativamente più alto in posizione di volo.
    7. Treno più persone come operatori primari operano sapientemente il dispositivo durante il volo. E 'imprevedibile che si ammalano durante le parabole, e un determinato utente può essere influenzato da un volo e diventare malato su un altro.
  4. Apparecchiature a terra e di supportomateriale
    1. Assemblare una cassetta degli attrezzi per includere componenti di backup e le attrezzature necessarie per le riparazioni, tra cui utensili manuali, attrezzature per saldatura, e colla / resina epossidica, tra molti altri articoli.
    2. Raccogliere il campione e le quantità di reagenti di là di ciò che è destinato ad essere utilizzato durante i voli di linea in caso di imprevisti rinvio volo si verifica dopo un campione o del reagente è già stato preparato per il volo.
  5. Spedizione
    1. Spedizione necessarie per trasportare l'impianto di installazione, apparecchiature a terra (strumenti, centrifughe, Pipette, vortex, altri) e deperibili (cellule del sangue, reagenti). Garantire un tempo sufficiente per ricevere, esaminare, montare, e l'hardware di prova per la campagna di volo.
    2. Rig Encase su tutti i lati tranne fondo con l'involucro di bolla. Rig nave utilizzando una casella di cassa di legno su misura, dotato internamente con imbottiture e materiale shock.
    3. Nave di supporto apparecchiature a terra / strumenti in un contenitore rigido o al torace.
    4. Deperibili navi in ​​1 a. Di spessore isolatiscatola della gomma piuma, contenente ghiaccio secco per gli elementi che necessitano di -20 ° C stoccaggio e freezer accumulatore di freddo per gli oggetti che necessitano di 4 ° C di stoccaggio.
  6. Test pre-volo
    Eseguire test pre-volo nella posizione di volo per verificare la funzionalità di tutti i componenti diversi giorni prima che i voli.
    Impianti aerei sono pesati e gru caricati sull'aeromobile, e probabilmente rimangono sul velivolo per tutta la durata della settimana volo.

3. Le dimostrazioni in volo

Dimostrazioni / esperimenti sono divisi tra due designazioni giorno ("Day A" e "B Day" di seguito). Un giorno è designato per la manifestazione micromixing and Day B è indicato per la rilevazione delle particelle e del campione di carico dimostrazioni.

  1. Preparazione del campione di terra per le dimostrazioni micromixer (Giorno A solo)
    1. Diluire 3 ml blu colorante alimentare in 12 ml di 1x tampone fosfato salino (PBS).
    2. Diluire 3 ml di colorante alimentare giallo into 12 ml di PBS 1X.
    3. Strain 15 ml di globuli rossi in commercio purificati.
      ATTENZIONE: Poiché non esistono metodi di prova in grado di garantire con certezza al 100% l'assenza di un agente infettivo, prodotti di origine umana devono essere trattati come i rischi biologici.
    4. Vial di carico (vedi punto 3.3) per ogni campione, più un flacone aggiuntivo contenente solo soluzione salina.
  2. Preparazione del campione di terra per il blocco dimostrazione ottica
    1. Unire 60 ml fluorescenti conteggio sfere con 14 ml di PBS 1X (4,3 perline / mL) con 1% Tween. Caricare in fiala del campione.
      ATTENZIONE: Maneggiare tutti i prodotti chimici con prudenza e l'utilizzo di dispositivi di protezione individuale (DPI).
    2. Diluire 50 ml bastone dito campione di sangue intero di 100 volte con PBS 1x e aggiungere SYTO 83 tinture per [Finale] = 5 micron. Leggermente vortice per mescolare. Incubare per> 5 min a temperatura ambiente.
      ATTENZIONE: SYTO 83 colorante è dissolto in dimethylsulfoxide (DMSO), che viene facilmente assorbito attraverso la pelle. Può essere irritante per gli occhi, le vie respiratorie e la pelle. Maneggiare con DPI.
    3. Campione di cellule Centrifugare (a 2.300 xg per 4 min), pipettare il surnatante.
    4. Lavare campione di cellule colorate con l'aggiunta di 1 ml 1x PBS, centrifugazione a 2.300 xg per 4 min pipettaggio il surnatante. Ripetere altre due volte.
    5. Il volume a 15 ml tornare con PBS 1x per raggiungere una finale diluizione 1: 500 volte dell'originale magazzino commerciale. Cellule Strain e carico in fiala del campione.
  3. Preparazione del campione di terra per il campione caricatore dimostrazione (solo Day B)
    1. Preparare materiali di consumo capillari per il campione caricatore dimostrazione tagliando tubi capillari micro-ematocrito in 15 segmenti mm con una lama di rasoio.
    2. Preparare campione per caricatore dimostrazione: Mescolare 250 microlitri perline stock fluorescenti con 250 ml diluito blu colorante alimentare (500 perline / mL). Draw 250 ml del campione in due 1 ml siringhe, ciascuna dotata di una punta smussata needle che viene registrato chiusa con nastro isolante.
  4. Caricare fiale di origine dei fluidi
    1. Applicare pulito, privo di polvere di lattice diaframma per fiala (dito tagliato dal guanto accettabile). Assicurarsi che il diaframma è abbastanza lungo da estendersi dal piano flaconcino e ripiegare il bordo esterno superiore. Far scorrere l'anello flaconcino sulla parte piegata.
    2. Posizionare un morsetto scorrevole temporanea sul tubo di uscita tappo che impedisce l'espulsione del fluido durante l'inserimento cap.
    3. Prima di riempire il flacone, pressurizzare negativamente la fiala con una siringa per espandere il diaframma. Versare il liquido in alto di fiala e inserire il tappo con un angolo tale che l'aria è intrappolata sotto il tappo durante il posizionamento tappo (un fluido si riverserà fuori). Brevemente rimuovere morsetto scorrevole per riempire il tubo di uscita e rilascio crollare la pressione esercitata dalla membrana.
  5. Preparare dimostrazioni rig
    1. Collegare e controllare tutte le connessioni dei tubi
    2. Agganciare fiale di origine nel sistema. Fiale si inseriscono in un ACRY personalizzatotitolare flacone lic e fissarle con e gancio-e-velcro.
    3. Svuotare i rifiuti contenuti in fiale o bidoni.
    4. Controllare lo spazio sul disco rigido e di avvio software dimostrativo personalizzato.
    5. Eseguire fluidica Sistema di adescamento procedura specifica per ogni dimostrazione.
    6. Swap in nuove batterie a qualsiasi dispositivo alimentato a batteria (ad esempio, accelerometro).
    7. Agitare a mano campioni di particelle fluorescenti.
    8. Eseguire breve esperimento di test pre-volo.
  6. Evitare di cinetosi in volo
    1. Prendere i farmaci forniti (scopolamina e dextroamphetamine, sicuro ed efficace per prevenire la cinetosi in volo)
    2. Prestare attenzione raccomanda strategie di posizionamento del corpo in volo (ad esempio, si trovano piatto sulla schiena durante una maggiore gravità, con il corpo dritto e la testa piegata in avanti, e lasciare il corpo di galleggiare sul proprio durante la transizione a gravità ridotta). Se possibile, utilizzare più presto parabole per adattarsi ai cambiamenti di gravità.
    3. Mantenere un sacchetto di vomito di plastica facilmente accessibile in una tasca anteriore. Il vomito può verificarsi improvvisamente e senza precedenti nausea.
  7. Operatori Posizione rig una volta in volo, avvicinandosi parabola dello spazio aereo dedicato. Prevedere uno spazio sufficiente per consentire agli operatori dell'impianto di perforazione di sdraiarsi durante gli intervalli ad alta gravitazione e consentono l'accesso ai cosciali. Una volta parabole cominciano, non applicare forze forti sul corpo durante la gravità ridotta in quanto ciò potrebbe inviare il corpo troppo in fretta e un po 'pericolosamente.
  8. Eseguire microfluidica mixer dimostrazione (solo giorno A)
    1. Agitare a mano flacone di sangue prima prova di funzionamento.
    2. Mescolare sangue e soluzione salina in un rapporto 1: 1 a 1,5, 2, 3, 4, 5, e 6 psi, per almeno 2 parabole ciascuno, registrando dati video sincronizzati ad altre letture.
    3. Iniettare l'aria in ingresso salina per verificare se l'architettura canale volontà trappola una bolla che potrebbe impedire la miscelazione ottimale.
    4. Mescolare blu e giallo coloranti alimentari a 1,5, 2, 3, 4, 5, e 6 psi per almeno 2parabole ciascuna, di nuovo la registrazione di dati sincronizzati.
    5. Applicare fascette di scorrimento per fluidica del sistema al termine per prevenire ulteriormente la produzione di rifiuti.
    6. Controllare l'integrità dei dati prima di spegnere l'elettronica nel caso in cui sia necessario ripetere il demo.
  9. Eseguire blocco ottico e dimostrazioni caricatore del campione (solo Day B)
    1. Agitare a mano i campioni prima di eseguire.
    2. Guidare conteggio sfere fluorescenti attraverso il blocco ottico per 3 parabole. Sistema di lavaggio con soluzione fisiologica per almeno 1 parabola tra tipi di campioni.
    3. Ripetere l'operazione 3.9.2 per le particelle di idrogel fluorescenti e globuli bianchi.
    4. Controllare i dati per tutti i soggetti mancanti che devono essere ripetuti prima di passare a campione loader dimostrazione.
    5. Iniziare la registrazione dimostrazione campione caricatore con videoregistratore HD.
    6. Quando l'aereo entra ridotta gravità, utilizzare una siringa campione una goccia della miscela colorante tallone conteggio su un polpastrello per simulare un campione dito puntura. Utilizzare unirrealisticamente forte calo (Figura 1D) per testare i limiti di mantenere un campione di cazzo dito su un dito durante la gravità ridotta.
    7. Utilizzare capillare di consumo per raccogliere campioni (circa 10 ml) al largo dito e carico nella capillare loader.
    8. Pulire campione rimanente fuori dito utilizzando salviette inclusi nella scatola.
    9. Unità campione nel sistema ottico di rilevazione.
    10. Ripetere i test più volte con diversi operatori.
    11. Controllare i dati per tutti i soggetti mancanti che devono essere ripetuti prima di spegnere l'elettronica.
  10. Arresto dopo il volo
    1. Rifiuti Svuotare e smaltire correttamente utilizzando rischio biologico etichettato recipienti di contenimento, se necessario. I rifiuti pericolosi può richiedere la spedizione fuori della struttura dell'aeromobile.
    2. Sistema di lavaggio a fondo, utilizzando una siringa da 5 ml di carico di acqua per fornire la pulizia energica. Valvole a filo avanti e indietro tutte le 3 porte.
    3. Pulire qualsiasi confusione con cotone imbevuto di alcol.
    4. Sistema reprime per la prossima manifestazione.

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Risultati

Risultati rappresentativi per la dimostrazione micromixer appaiono in figura 7, come visto dalla telecamera CCD montato stereomicroscopio. Miscelazione può essere valutata visivamente in qualsiasi punto lungo la spirale, così come nel canale di uscita per esperimenti di due serie di fluidi: sangue / salini e blu / colorante giallo. Analisi quantitativa delle immagini bidimensionali può includere la determinazione di uniformità ombra su tutta la larghezza del canale in diverse regioni, come mostrato in a...

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Discussione

Il metodo qui descritto ha permesso efficace dimostrazione delle principali componenti della tecnologia (campione di carico, miscelazione microfluidica, e di rivelazione ottica) nel corso del 2010 voli parabolici veloce, con risultati paragonabili a prove a terra. Formazione e SOP metodi qui descritti sono stati particolarmente efficaci, e hanno contribuito a illuminare strumenti e delle altre 'stampelle' invocata per le dimostrazioni pratiche che non sarebbero disponibili a bordo del volo parabolico.

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Dichiarazioni

Eugene Y. Chan, Candice Bae, e Julia Z. Sharpe sono gli inventori di brevetti tecnologici relativi depositati attraverso l'Istituto di Medicina del DNA, un ente commerciale.

Ringraziamenti

Sviluppo hardware è stato sostenuto dalla NASA SBIR Contratti NNX09CA44C e NNX10CA97C. L'analisi dei dati per il blocco e il campione del caricatore dimostrazioni ottiche è stato sostenuto dalla NASA Fase III Contratto NNC11CA04C. La raccolta del sangue umano è stata effettuata utilizzando la NASA IRB protocollo # SA-10-008. Software di controllo / acquisizione fornito attraverso il National Instruments Medical Device Grant Program. Stampi per i microchip sono stati effettuati presso l'impianto di microfabbricazione Johns Hopkins e il Centro di Harvard per Nanoscale Systems. Otto J. Briner e Luca Jaffe (DNA Istituto di Medicina) aiutati nel montaggio del rack durante l'estate del 2010. La NASA personale di volo di video riprese video fornito durante la settimana di volo. Carlos Barrientos (DNA Medicine Institute) ha fornito assistenza fotografia e la figura. Un ringraziamento speciale al agevolato accesso allo spazio dell'ambiente per Technology 2010 Programma, la gravità Ufficio NASA ridotto, l'adeguamento umana e contromisure Division, NASA Glenn Research Center,ZIN Technologies, e il programma di ricerca umano.

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Materiali

Elenco dei materiali utilizzati in questo articolo
NomeAziendaNumero di catalogoCommenti
Micro pompa ad ariaSmart Products, Inc.AP-2P02APressione massima = 6,76 psi; 1,301" x 0,394" x 0,650", 0,28 once (8 g); disponibile direttamente da Smart Products
Sensore di pressione differenzialeHoneywell International, Inc.Gamma ASDX015D44Rdi  0-15 psi; 0,974" x 0,550" x 0,440", 0,09 oz (2,565 g); i fornitori includono Digi-Key e Mouser Electronics
Fiala in plastica rigida (dimensioni ridotte)Loritz & Associati, Inc.55-05Polistirolo; ID 0,81" (20,6 mm), IH 2,06" (52,4 mm); disponibile direttamente da LA Container Inc.; prodotto simile disponibile da Dynalab Corp.
da esplorazione in latticedynarex corporation2337dito medio utilizzato per il diaframma in lattice in fiala di fonte fluida. Altre marche (es., Aurelia ®   Vivace ™) Accettabile.
Colla otticaNorland ProductsNOA 88Adesivo a basso degassamento; disponibile direttamente da Norland; Disponibile anche da Edmund Optics Inc.
Elettrovalvole a 3 vieLa società LEELHDA0531115Hvalvole del gas, ma può funzionare con il liquido; 1,29" L, 0,28" D. Prodotto fuori produzione. Prodotti simili disponibili presso The LEE Company.
Misuratore di portata volumetrico per acquaOMEGA Engineering inc.FLR-1602AMisuratore di portata senza contatto fortemente preferito. Consigliamo il sensore di flusso di liquidi OEM SENSIRION LG16 per portate da nl/min fino a 5 ml/min.
Rilevatore di fotoni PCD-mini SenslPCDMini-00100Per il rilevamento della fluorescenza; disponibile direttamente da Sensl
AccelerometerCrossbow Technology, Inc.CXL02LF3Rilevamento della forza 3-demensionale. Fornito a DMI dalla NASA. Prodotto simile disponibile da Vernier Software & Tecnologia, LLC.
StereomicroscopioAmScopeSE305R-AZ-E
CCD CameraThorlabsDCU223CRisoluzione 1.024 x 768, colore, USB 2.0; disponibile direttamente da Thorlabs
USB e cavo trigger (ingresso/uscita) per telecamera CCDThorlabsCAB-DCU-T1Disponibile direttamente da Thorlabs
Microbore tubingSaint-Gobain CorporationAAD04103Tygon®; ID 0,02", OD 0,06", 500 piedi, 0,02" parete. Fornitori: VWR, Thermo Fisher Scientific Inc.
Perni in acciaio caviNew England Small Tube(Custom)0.025 "OD, 0.017" ID, 0.500 " L, tubo in acciaio inox, tipo 304, tagliato, sbavato, passivato; abilitare le connessioni dei tubi microbore, le connessioni dei tubi del chip
Morsetto a scorrimentoWorld Precision Instruments, Inc.14042Disponibile direttamente da World Precision Instruments
Pezzi adattatori LeurWorld Precision Instruments, Inc.14011Disponibile direttamente da World Precision Instruments
Wafer di silicioAddison Engineering, Inc.6 "diametro; per la fabbricazione di stampi SU-8
Polidimetilsilossano (PDMS) elastomero agente indurenteDow Corning3097358-1004Fornitore: Global Industrial SLP, LLC
Ago (23 gauge), punta smussataTerumo Medical CorporationNN-2338RParete ultra sottile; 23 G x 1,5"; 22 G anche utilizzabile; fornitori: Careforde, Inc.,   Ago
l'erogazione medica di Port City (calibro 23), punta smussataCML Supply901-23-10023 G x 1";   disponibile presso il vetro di copertura CML Supply
Thermo Fisher Scientific, Inc.12-518-105EGold Seal™ vetro borosilicato non corrosivo; per coperchio chip PDMS; 24 x 60 mm; disponibile presso Thermo Fisher Scientific, Inc.
Pompa a vuotoMountainMTN8407per il degasaggio PDMS; fornitore:  Sistema Ryder, Inc.
Camera a vuotoThermo Fisher Scientific, Inc.5311-0250Nalgene&commercio; Policarbonato trasparente; disponibile presso Thermo Fisher Scientific, Inc.
Pulitore al plasmaHarrick PlasmaPDC-32G
Lente d'ingrandimento manualeMitutoyo183-131Utilizzare in senso inverso per consentire la visualizzazione a ~15".
EtanoloCAROLINA861283Per la pulizia dei trucioli. Diluire al 70% con acqua millipore.
Sistema di depurazione dell'acquaThermo Fisher Scientific, Inc.D11901Disponibile direttamente da Thermo Fisher Scientific, Inc.
Montature otticheThorlabsK6X; prodotto fuori produzione; nuovo prodotto (K6XS) disponibile direttamente da Thorlabs
LaptopHewlett-PackardVP209AVHP Pavilion Laptop con vassoio per laptop Windows 7
(caricato a molla)National Products, INC.RAM-234-3 RAM Tough-Tray™. Può ospitare laptop larghi da 10 a 16 pollici.
SchedeConnectland Technology Limited
8 input analogici, 12 I/O digitali)National InstrumentsNI USB-600812-Bit, 10 kS/s DAQ multifunzione a basso costo
Schede di acquisizione dati USB (16 input analogico, 32 I/O digitali)National InstrumentsNI USB-621616-Bit, 400 kS/s Isolato MIO DAQ Serie M, controllo alimentato da bus
/ NationalInstrumentsLabVIEW 2009National Instruments (NI) con codifica personalizzata LabVIEW 
Software di modellazione solida 3DDassault Systè mes SolidWorks Corp.SolidWorks 2011
AUTODESKAutoCAD LT 2008
Rack per apparecchiature verticale(fornito dalla NASA)N/A
Breadboard ottica in alluminio solidoThorlabsMB242424" x 24" x 1/2", 1/4"-20 Rubinetti; disponibile direttamente da Thorlabs
Acciaio e indurente di grado industrialeThe J-B Weld CompanyJ-B Weld Steel Reinforced Epoxy Glue
Micro-hematocrit capillare Fisher Scientific22-362-574diametro interno da 1,1 a 1,2 mm
siringhe da 1 mlHenke-Sass, Wolf4010.200V0NORM-JECT®; fornitore: Grainger, Inc.
Globuli rossi umaniRicerca innovativaIPLA-WB3Testato e trovato negativo dal fornitore per: HBsAg, HCV, HIV-1, HIV-2, HIV-1Ag o HIV 1-NAT, ALT e sifilide con metodi approvati dalla FDA. Poiché nessun metodo di prova può garantire con certezza al 100% l'assenza di un agente infettivo, i prodotti di origine umana devono essere maneggiati come suggerito nel Manuale del Dipartimento della Salute e dei Servizi Umani degli Stati Uniti sulla BIOSICUREZZA NEI LABORATORI MICROBIOLOGICI E BIOMEDICI, PER CAMPIONI DI SIERO O SANGUE UMANO POTENZIALMENTE INFETTIVI
Concentrato salino tamponato con fosfatoP5493SIGMA10x; diluito a 1x
TweenP9416SIGMATWEEN® 20
CentrifugaLW ScientificSTRAIGHT8-5KCentrifuga oscillante a 8 posti. Disponibile presso i rivenditori autorizzati. Altre centrifughe disponibili direttamente da LW Scientific.
Videoregistratore HDSonyMHS-CM5
Colorazione fluorescente arancione dell'acido nucleicoInvitrogenS-11364SYTO® 83 Colorazione fluorescente arancione dell'acido nucleico. Conservato in solvente DMSO. Indossare sempre i dispositivi di protezione individuale consigliati. Non sono necessari consigli speciali per la manipolazione
.
Perle contapezzi fluorescentiInvitrogenMP 36950CountBright™ Perline di conteggio assoluto. Indossare sempre i dispositivi di protezione individuale consigliati. Non sono necessari consigli speciali per l'uso.
guanti per cinematiche a 6 assi di acquisizione dati USB 3401167 (Software di modellazione 2D

Riferimenti

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