Un Microfluidic basato Trappola idrodinamico per particelle singole
21 gennaio 2011
In questo articolo presentiamo una microfluidica metodo basato per il confinamento delle particelle sulla base del flusso idrodinamico. Dimostriamo cattura stabile di particelle in un punto di ristagno del fluido utilizzando un meccanismo di controllo del feedback, consentendo in tal modo confinamento e micromanipolazione di particelle arbitrari in un microdispositivo integrato.
L'obiettivo generale di questo metodo è quello di confinare e manipolare singole particelle su micro e nanoscala utilizzando il flusso laminare in un dispositivo microfluidico. La trappola idrodinamica è costituita da un dispositivo microfluidico con una geometria del canale a fessura incrociata, che dà origine a un flusso del punto di ristagno alla giunzione del microcanale. Una valvola on-chip situata in uno dei canali di uscita viene utilizzata per controllare attivamente il flusso del fluido e intrappolare le particelle.
Le particelle vengono confinate in un punto di impostazione definito dall'utente mediante il controllo attivo della posizione del punto di ristagno. Un controller di retroazione viene utilizzato per tracciare la posizione delle particelle e per regolare la valvola su chip per mantenere la posizione delle particelle al punto di regolazione. Utilizzando la trappola idrodinamica, le singole particelle vengono intrappolate in soluzioni di particelle diluite o concentrate e possono essere visualizzate utilizzando la microscopia a fluorescenza o in campo chiaro.
Una singola particella può essere confinata entro un micron dal centro della trappola, come mostrato nella traiettoria della particella e nell'istogramma dello spostamento delle particelle dal centro della trappola. Ciao, sono Eric Johnson Rio del laboratorio del professor Charles Schroer presso il Dipartimento di Ingegneria Chimica e Biomolecolare e del Centro di Biofisica e Biologia Computazionale qui all'Università dell'Illinois. Ciao, mi chiamo Ari, sono una ricercatrice post-dottorato presso lo Schroeder Lab.
Ciao, sono Cheryl Schroeder e oggi ti mostreremo come fabbricare e implementare un dispositivo microfluidico per l'intrappolamento idrodinamico di singole particelle. Il vantaggio principale di questa tecnica rispetto ai metodi esistenti come le trappole ottiche o elettrocinetiche è che l'intrappolamento idrodinamico si ottiene con la sola azione del flusso del fluido, eliminando così quattro campi potenzialmente proattivi per l'intrappolamento di nanoparticelle o cellule. Questa tecnica ha il potenziale per trasformare la scienza fondamentale e applicata consentendo l'intrappolamento in soluzione libera di particelle su micro e nanoscala senza requisiti sulle proprietà chimiche o fisiche della particella intrappolata.
Quindi iniziamo. Per facilitare la staccatura delle repliche dagli otto stampi SU, igienizzare la superficie degli otto stampi SU ponendo i wafer in un essiccato sotto vuoto per 10 minuti con un piatto di vetro contenente alcune gocce di tricloro selina utilizzando PDMS misti e DGA per gli strati fluidici e di controllo. Centrifugare la miscela PDMS 15 a uno sullo stampo a strato fluidico per 30 secondi a 750 giri/min, quindi posizionare il wafer in una capsula di Petri.
Allo stesso modo, posizionare lo stampo per lo strato di controllo in una capsula di Petri e versare una miscela PDMS cinque a uno sullo stampo a uno spessore di quattro millimetri. Per polimerizzare parzialmente gli strati di PDMS, cuocere i wafer per 30 minuti a 70 gradi Celsius e lasciarli raffreddare a temperatura ambiente. Taglia la replica PDMS con il bisturi e staccala dallo stampo SU otto.
Quindi, con l'ago calibro 21, praticare un foro nel PDMS come porta di accesso al microcanale che fungerà da valvola a membrana su chip. Posizionare la replica PDMS con uno strato di controllo sul wafer con lo strato fluidico PDMS rivestito di spin. Allineare e sigillare con cura lo strato di controllo allo strato fluidico utilizzando uno stereomicroscopio.
Assicurati di rimuovere tutte le sacche d'aria tra gli strati e cuoci a 70 gradi Celsius durante la notte per polimerizzare completamente entrambi gli strati in una lastra PDMS monolitica con due strati dopo il raffreddamento a temperatura ambiente, usa un bisturi per tagliare e staccare la replica PDMS dallo stampo SU eight e usa una lama di rasoio per rimuovere il PDMS in eccesso e separare ogni unità del dispositivo. Ora le porte di accesso del punzone intero ai microcanali nello strato fluidico con un ago calibro 21. Pulire un vetrino coprioggetto con acetone IPA e asciugare con azoto.
Trattare sia il vetrino coprioggetto che le superfici di replica del PDMS con plasma di ossigeno inferiore a 500 millitorr per 30 secondi. E poi portare immediatamente le due superfici a contatto per formare una tenuta irreversibile. Infine, cuocere i dispositivi durante la notte per aumentare l'incollaggio tra gli strati PDMS e il vetrino coprioggetto.
Innanzitutto, posizionare il dispositivo microfluidico sul tavolino di un microscopio invertito e fissarlo con clip per tavolino. Successivamente, per erogare le soluzioni al dispositivo microfluidico, riempire una siringa a tenuta stagna da un millilitro e una da 250 microlitri rispettivamente con soluzioni tampone e campione. Utilizzare una valvola a T tra la siringa del campione e la porta del campione sul dispositivo microfluidico per controllare l'erogazione del campione.
Ora stabilisci le connessioni fluidiche tra le siringhe e il dispositivo microfluidico, utilizzando tubi per fluoro oxy, adattatori per blocco esca e tubi metallici calibro 24. Quindi stabilire i collegamenti fluidici per i canali di uscita nel dispositivo microfluidico con tubo in PFA e tubo metallico calibro 24. Per mantenere una caduta di pressione costante tra le siringhe e i canali di uscita, il tubo in PFA per le uscite deve essere di uguale lunghezza ed entrambi immersi in una provetta da centrifuga da 1,5 millilitri riempita con soluzione tampone.
Riempire la valvola on-chip con olio vettore fluorurato utilizzando una siringa di plastica con blocco dell'esca da tre millilitri per evitare che l'aria fuoriesca nello strato fluidico durante il funzionamento. Spingere l'aria nella camera della valvola attraverso la membrana PDMS nel microcanale. Nello strato fluidico.
Per il funzionamento della valvola su chip. Collegare un'alimentazione di gas inerte pressurizzato alla porta nello strato di controllo. Sciacquare le connessioni fluidiche e il dispositivo microfluidico con 0,5 millilitri di soluzione tampone per assicurarsi che tutte le bolle d'aria vengano rimosse dal sistema, compresi i canali di uscita.
Le portate tipiche utilizzate per eliminare le bolle variano da 2000 a 5.000 microlitri all'ora dopo che le bolle d'aria sono state risciacquate dai canali microfluidici, riducono la portata a 50-100 microlitri all'ora, che è una tipica portata volumetrica per l'intrappolamento delle particelle. Ora commutare la valvola a T per consentire al campione di fluire nel dispositivo microfluidico. Esegui il codice di visualizzazione lab personalizzato che automatizza l'intrappolamento delle particelle implementando un algoritmo di controllo del feedback lineare.
Il codice acquisisce immagini da una telecamera CCD e trasmette un potenziale elettrico a un regolatore di pressione che modula attivamente la posizione di una valvola pneumatica su chip. Utilizzando il tavolino di traslazione XY del microscopio, posizionare la regione di abbondanza al centro della vista della telecamera. Portare la regione di intrappolamento nel fuoco dell'obiettivo e regolare le impostazioni della fotocamera per ottimizzare le condizioni di imaging.
Scegliere una regione rettangolare di interesse all'interno del campo visivo della telecamera in modo che il centro della ROI sia la posizione del centro dell'abbondanza. Ora inizializza la pressione di offset applicata alla valvola on-chip. Una strozzatura larga da 100 a 200 micron situata nel canale di uscita opposto.
Fornisce una pressione di offset per il funzionamento della valvola on-chip. Avvia il controller di feedback e regola il guadagno proporzionale per ottimizzare la risposta della trappola. A seconda della portata e della posizione della valvola sul chip, esiste un valore di guadagno proporzionale ottimale, che aumenta la stabilità dello scaricatore ed elimina le oscillazioni indesiderate delle particelle.
Il codice di visualizzazione lab intrappolerà automaticamente una delle particelle che entrano nella regione di intrappolamento. In questo video il movimento delle particelle nella direzione di afflusso si verifica perché il flusso di ingresso del campione viene lasciato aperto per massimizzare la tenuta della trappola di confinamento nella direzione di afflusso. L'utente può chiudere il flusso di campioni durante l'intrappolamento, che bilancia uniformemente il flusso nella giunzione del canale trasversale, monitorare la particella intrappolata e mantenere la messa a fuoco della particella all'interno del piano dell'immagine utilizzando la messa a fuoco manuale o una configurazione automatica del microscopio a fuoco.
Il dispositivo microfluidico integrato è costituito da un fuoco del campione, una giunzione a fessura incrociata e una valvola pneumatica, l'intrappolamento avviene alla giunzione a fessura incrociata e la posizione delle particelle è controllata dalla regolazione attiva del campo di flusso alla giunzione a microcanale attraverso la valvola pneumatica. Qui, l'immagine di una singola perla è confinata nella trappola idrodinamica. Oltre al centro della trappola, nella regione di intrappolamento vengono mostrate diverse perline non intrappolate alla giunzione del lotto trasversale.
Viene mappata la traiettoria di una perlina di polistirene fluorescente da 2,2 micron intrappolata. La particella viene inizialmente intrappolata per tre minuti. Viene quindi rilasciato dalla trappola e fuoriesce lungo uno dei canali di uscita.
Un istogramma dello spostamento di una perlina intrappolata dal centro della trappola lungo la direzione dei canali di uscita indica che la particella è confinata entro un micron dal centro della trappola. Oggi abbiamo presentato la trappola EM come metodo per l'intrappolamento in soluzione libera di particelle su micro e nanoscala utilizzando un flusso di punti di azione generato all'interno di un dispositivo microfluidico. L'intrappolamento idrodinamico consente il confinamento di una singola particella bersaglio in sospensioni di particelle concentrate, che è difficile da ottenere utilizzando metodi di intrappolamento alternativi basati sul campo di forza.
Dopo ulteriori sviluppi, questa nuova tecnica consentirà l'esplorazione scientifica nei campi della biofisica, della meccanica cellulare, della fluidodinamica, dell'enzimologia e della biologia dei sistemi. Grazie per l'attenzione e speriamo che questa tecnica vi sia utile per i vostri esperimenti.
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Panoramica
Questo articolo presenta un metodo basato su microfluidi per il confinamento e la manipolazione di particelle micro e nanoscali utilizzando il flusso idrodinamico. Un meccanismo di controllo con feedback viene impiegato per ottenere un intrappo stabile delle particelle in un punto di stagnazione del fluido all'interno di un microdispositivo.
Componenti chiave dello studio
Area della scienza
- Microfluidica
- Manipolazione delle particelle
- Intrappo idrodinamico
Sfondo
- I dispositivi microfluidici consentono un controllo preciso del flusso del fluido.
- Le trappole idrodinamiche possono confinare le particelle in posizioni specifiche.
- I meccanismi di controllo attivo migliorano le capacità di manipolazione delle particelle.
- La microscopia a fluorescenza e a campo brillante può essere utilizzata per l'imaging delle particelle.
Obiettivo dello studio
- Sviluppare un metodo per intrappolare singole particelle in dispositivi microfluidici.
- Utilizzare il flusso laminare per un efficace confinamento delle particelle.
- Implementare il controllo con feedback per mantenere la posizione delle particelle.
Metodi utilizzati
- Dispositivo microfluidico con una geometria del canale a fessura incrociata.
- Valvola on-chip per il controllo attivo del flusso del fluido.
- Controller di feedback per tracciare e regolare la posizione delle particelle.
- Tecniche di imaging come microscopia a fluorescenza e a campo brillante.
Risultati principali
- Intrappo con successo di singole particelle sia in soluzioni diluite che concentrate.
- Stabilità dimostrata del confinamento delle particelle in un punto di set definito dall'utente.
- Regolazione efficace della posizione del punto di stagnazione utilizzando il controllo con feedback.
- Capacità di immagine delle particelle intrappolate utilizzando tecniche microscopiche.
Conclusioni
- Il metodo fornisce un approccio robusto per la manipolazione delle particelle nei sistemi microfluidici.
- I meccanismi di controllo attivo migliorano la precisione dell'intrappolamento delle particelle.
- Questa tecnica può essere applicata a vari campi che richiedono il confinamento delle particelle.
Domande frequenti
Executive Industry Relevance
This microfluidic hydrodynamic trap enables label-free, field-free confinement of single micro- and nanoscale particles in complex biological suspensions, supporting early-stage target validation by allowing direct observation of particle behavior without surface immobilization or perturbative fields. The method provides quantitative spatial control and long-term stability for mechanistic de-risking of nanoparticle-biomolecule interactions in discovery workflows. Its compatibility with concentrated samples and arbitrary particle types enhances translational relevance for preclinical screening of drug delivery vehicles and extracellular vesicles.
Strategic Applications in Biopharma R&D
Early Discovery & Target Validation
- Scientific Value: Enables interrogation of therapeutic hypotheses by trapping single particles in free solution to observe native-state interactions without optical, magnetic, or electric field artifacts.
- Operational Value: Supports functional target validation in crowded environments such as serum or cell lysates where conventional trapping fails due to background interference.
- Predictive Value: Facilitates lead identification by allowing prolonged observation of particle dynamics to assess binding kinetics and stability under near-physiological conditions.
Screening & Assay Development
- Assay Readiness: Prepares validated particle systems for downstream workflows by enabling isolation and manipulation of single entities from heterogeneous populations.
- Quantitative Output: Generates displacement histograms and trajectory data that serve as reproducible metrics for comparing particle behavior across conditions.
- Platform Scalability: Integrates with existing microfluidic devices via on-chip pneumatic valves, allowing reuse across multiple targets and increasing throughput in screening cascades.
Translational & Preclinical Research
- Disease Relevance: Maintains continuity from discovery to preclinical validation by trapping particles in biologically relevant matrices without altering surface chemistry.
- Risk-Adjusted Advancement: Enables mechanistic de-risking of nanoparticle formulations by quantifying confinement stability as a proxy for colloidal integrity in complex fluids.
- Biomarker Alignment: Supports translational biomarker studies by permitting long-term observation of single extracellular vesicles or lipid nanoparticles in undiluted biofluids.
Pipeline & Workflow Integration
The method fits within the discovery continuum from target validation through lead identification to preclinical assessment, particularly for studies requiring unperturbed particle analysis in native environments.
- Discovery Biology: Supports hypothesis testing and pathway clarification by enabling direct visualization of single-particle interactions in solution without labels or surface tethering.
- Screening: Enhances assay reproducibility through active flow control that maintains consistent trapping conditions across runs, reducing variability in particle-based assays.
- Analytics: Provides centroid tracking and displacement measurements as quantitative readouts to compare particle responses under different buffer or ligand conditions.
- Translational Research: Connects to preclinical work by allowing assessment of particle behavior in concentrated biological fluids that mimic in vivo conditions.
- Enterprise Reuse: Functions as a modular trapping module that can be integrated into various microfluidic platforms, reducing redevelopment costs across projects.
Operational & Enterprise Impact
- Scientific Value: Increases predictive confidence by eliminating field-induced artifacts and enabling observation of native particle states in suspension.
- Operational Value: Delivers standardization and reproducibility via feedback-controlled stagnation point positioning, ensuring consistent trap performance across users and sessions.
- Strategic Value: Improves go/no-go decisions by providing early, quantitative data on particle stability and interaction propensity in realistic matrices.
- Portfolio Impact: Enables risk-adjusted prioritization of nanoparticle or vesicle candidates based on single-particle trapping stability in complex fluids.
Implementation Considerations
- Requires expertise in microfluidic fabrication, fluorescence microscopy, and feedback control systems such as LabVIEW-based image processing and pressure regulation.
- Depends on pneumatic pressure regulators, on-chip valves, and high-speed imaging infrastructure for real-time particle tracking and flow adjustment.
- Necessitates cross-team standardization of valve calibration protocols and particle tracking parameters to ensure reproducibility between laboratories.
- Involves adaptation considerations when applying to non-spherical or deformable particles, as trapping efficiency may vary with shape and size under extensional flow.
- Includes practical limitations such as the need for particle fluorescence or contrast for reliable tracking, and potential drift during extended runs requiring periodic recalibration.
