Alta velocità Droplet basato Delivery System per pompaggio passiva in dispositivi microfluidici

Il pompaggio passivo richiede una goccia grande posta in uscita e una piccola in ingresso. Ciò causerà la differenza di pressione necessaria per guidare il flusso. L'alternanza di gocce di fluidi diversi farà sì che i pacchetti vengano trasportati nel canale e alla fine vengano raccolti all'uscita.

È possibile ottenere portate elevate erogando goccioline a basso volume a una frequenza sufficientemente alta da ottenere un guscio di fluido stabile all'ingresso. Ciao, sono Pedro Reto del laboratorio Justin Williams del Dipartimento di Ingegneria Biomedica dell'Università del Wisconsin Medicine. E io sono Brian Mogan, anche lui del laboratorio Williams.

E io sono Aaron Burier del Professor S Lab, anche lui nel dipartimento di ingegneria biomedica di una W Medicine. Oggi vi mostreremo una procedura per eseguire il pompaggio passivo in dispositivi microfluidici. Nel nostro laboratorio, utilizziamo questa procedura per studiare il flusso all'interno dei micro canali e per studiare lo scambio fluidico all'interno del canale per applicazioni biologiche.

Quindi iniziamo. Innanzitutto, utilizzando la tecnica della litografia morbida, creare un dispositivo microfluidico utilizzando il polimetilsuboxone. Quindi, ritaglia il dispositivo e poi in modo reversibile.

Fissare il dispositivo PDMS a un vetrino premendolo sul vetrino e spremendo eventuali bolle d'aria. Un attacco reversibile consente di riutilizzare il dispositivo più volte. Ora riempi il dispositivo con del liquido.

Usiamo acqua con colorante alimentare. Se il liquido non entra nel canale da solo, mettere una goccia di liquido all'ingresso e utilizzare una pipetta all'estremità opposta per aspirare il liquido attraverso il canale. Dopo aver riempito il dispositivo con liquido, posizionare una piccola goccia sull'ingresso e una goccia più grande sull'uscita.

Assicurati che il fluido si muova osservando la piccola goccia all'ingresso crollare mentre la goccia di uscita diventa più grande. Prima di andare oltre, spieghiamo le relazioni di base del pompaggio passivo. La dinamica delle gocce pompate dipende da diversi fattori, dalle dimensioni del canale con altezza e lunghezza e dalla dimensione della goccia che viene posizionata all'ingresso.

Per darvi un'idea migliore di come questi fattori influiscono sul flusso, vi forniremo alcuni esempi. Cominciamo con due canali simili. Hanno la stessa larghezza e altezza, ma uno è più lungo dell'altro.

Ora posizioniamo gocce della stessa dimensione all'ingresso di ciascun canale. Osservate come la caduta di ingresso dei canali più corta collassa più velocemente di quella più lunga. Questo perché un canale più lungo ha una maggiore resistenza fluidica e il flusso al suo interno è più lento.

Successivamente, esploriamo altri due canali con la stessa lunghezza e altezza, ma larghezze diverse. Posizioniamo gocce identiche all'ingresso di ciascun canale e osserviamole collassare. Vedi come il canale più sottile impiega più tempo a far collassare la goccia di ingresso?

Questo perché il canale più sottile possiede una resistenza fluidica maggiore rispetto al canale più largo. Infine, prendiamo due canali identici e posizioniamo gocce di dimensioni diverse all'ingresso di ciascuno. Si noti come la goccia di ingresso più grande impieghi più tempo a collassare rispetto alla goccia di ingresso più piccola.

Questo perché una goccia più piccola ha meno volume e una pressione interna maggiore rispetto a quella più grande. Sapendo che le gocce più piccole sono migliori di quelle più grandi. E dopo aver osservato la velocità con cui queste piccole gocce possono collassare, ci chiediamo ora come erogare gocce volumetricamente precise all'ingresso di un canale in modo tale da poter fare esperimenti biologici.

Utilizzando il kit di avviamento per microerogazione della Lee Company, assemblare una o più valvole, ciascuna composta dalla valvola vol, un ugello con orifizio di 0,0100 pollici e un adattatore per tubo morbido. Quindi qui abbiamo la valvola collegata alla scatola di controllo tramite i connettori della valvola del tubo, cosa che abbiamo fatto nel passaggio precedente. E poi abbiamo una sorgente di tensione di picco, che è questa radice qui.

E poi abbiamo la nostra sorgente di tensione di controllo, seguita dalla sorgente di tensione di mantenimento. E infine, in collegamento a terra Per tenere le valvole in posizione mentre si mira all'ingresso. Usa strumenti per bioscienze, supporti in miniatura.

Questi forniscono un modo per mirare con precisione e mantenere la valvola in una determinata posizione. Durante la sperimentazione, utilizzando siringhe da tre quarti di oncia, creare un sistema di riserva da posizionare a pochi metri sopra il dispositivo PDMS. Il serbatoio fornisce una testa di pressione per azionare gli ugelli.

Collegare un ago per siringa alla siringa. Ora collega l'ago della siringa al tubo interno da 1,14 millimetri, quindi collegalo al tubo del diametro interno di 1,58 millimetri. Utilizzo di PDMS come sigillante.

Ora collegare il tubo di diametro interno di 1,58 millimetri all'adattatore del tubo morbido della valvola. Ora che c'è una linea tra l'ago della siringa e la valvola, riempire i serbatoi della siringa con liquido per spurgare le valvole e consentire il riempimento del tubo con acqua. Posiziona un magnete sul lato della valvola e osserva il liquido che inizia a fluire dal serbatoio attraverso la valvola e fuori dall'ugello da 0,01 pollici.

Controlliamo questo sistema con un computer utilizzando la vista di laboratorio e la scatola di controllo spike and hold della Lee Company. Per calibrare il sistema, puntare una valvola su una capsula di Petri o su una barca di siero di latte per la pesatura. Ora apri la valvola per il tempo che preferisci e pesa il volume totale di acqua che esce dall'ugello.

Dividi questo volume per il tempo di apertura totale del sistema. Questa calibrazione consente all'utente di trovare il volume d'acqua che fuoriesce dall'ugello per un determinato periodo di tempo. Dopo aver calibrato il sistema, puntare l'ugello verso l'ingresso di un canale in base al precedente sparo di calibrazione dall'ugello, un volume tale che una goccia venga sparata all'ingresso del canale senza essere troppo grande per causare un pasticcio o troppo piccola per passare inosservata.

Ricorda di rimuovere le bolle tra gli esperimenti. Ora che i principi di base del pompaggio passivo sono stati compresi e la calibrazione del sistema è stata spiegata, diamo un'occhiata a ciò che un utente dovrebbe vedere se le cose stanno andando bene. Il seguente video è un flusso attraverso un canale microfluidico che va da volumi più alti a frequenze più basse a volumi bassi a volumi più alti ad alte frequenze.

Questo dovrebbe fornire all'utente una comprensione delle capacità del pompaggio passato insieme a un sistema di erogazione fluidica automatizzato. Le dimensioni del dispositivo utilizzate nei seguenti video sono 2,22 millimetri di larghezza, 10 millimetri di lunghezza e 260 micrometri. I diametri di ingresso e uscita dell'altezza sono rispettivamente di 1,78 millimetri e 5,11 millimetri.

Sono necessarie due o più valvole per creare flussi alternati come mostrato. Il prossimo è un video che mostra la portata massima possibile del dispositivo attualmente in uso. In questo caso viene utilizzata una singola valvola per erogare il fluido.

Per mantenere l'equilibrio del sistema, è importante puntare la valvola direttamente dalla parte superiore dell'ingresso. Notate il guscio che la goccia forma all'ingresso. Questo rappresenta la pressione costante mantenuta erogando l'acqua all'ingresso alla velocità con cui il dispositivo può pomparla passivamente.

Inoltre, nota come la goccia di ingresso trabocca ad un certo punto. Ciò è molto probabilmente causato dal perturbamento, la caduta in uscita. Rimuovendo il troppopieno all'ingresso, il sistema riacquista l'equilibrio e il flusso continua.

Normalmente, vi abbiamo appena mostrato come impostare, calibrare e far funzionare un sistema di pompaggio passivo utilizzando microugelli disponibili in commercio. Quando si eseguono questi esperimenti è sempre importante ricordare di avere una fonte di pressione costante per evitare che le bolle entrino nel canale, per conoscere i compromessi tra la geometria del canale, la dimensione delle gocce per ottenere i flussi e gli scambi desiderati. Per evitare che la goccia di uscita diventi troppo grande, ad esempio, creerà un pasticcio o raggiungerà l'ingresso e manterrà i dispositivi PDMS puliti e asciutti.

Quindi questo è tutto. Grazie per aver guardato e buona fortuna per i tuoi esperimenti.