Chips Microfluidic controllati con le matrici elastomeriche microvalvola

La microfluidica offre ai biologi cellulari una tecnologia per svolgere esperimenti ad alto rendimento in cui è richiesta una manipolazione precisa dei fluidi. Ciao, sono Nin Chen Lee del Folk Lab presso il Dipartimento di Bioingegneria dell'Università di Washington. Oggi vi mostrerò come realizzare delle punte microfluidiche controllate da un array di valvole microfluidiche in PDMS.

Il dispositivo è composto da tre strati. Il primo strato è lo strato fluidico che contiene camere microfluidiche di diverse dimensioni, e il secondo strato è lo strato di controllo che contiene canali posti tra i due strati. È presente una sottile membrana in PMS a causa dell'idrofobicità e della conformabilità del PMS.

La membrana forma una chiusura ermetica contro il suo alloggiamento, isolando così le camere fluide l'una dall'altra. Se applichiamo vuoto attraverso i canali di controllo, la membrana in PDMS può deformarsi e collegare le camere fluide precedentemente isolate. Oggi vi mostrerò un miscelatore parallelo che permette di mescolare volumi sub-nanolitri di soluzioni acquose in diversi rapporti di miscelazione.

E poi un passo chiaro del nostro laboratorio vi mostrerà un sistema microfluidico integrato che consente di affluire più soluzioni in colture cellulari. Cominciamo. Qui vi mostro un master con caratteristiche a polsino di un SUH posizionato sulla parte superiore di una piastrina di silicio.

Il master è stato fabbricato seguendo procedure fotografiche SUH standard a partire da questi master. Possiamo realizzare ripetutamente repliche in PDMS. Per facilitare il distacco del PDMS dai master, dobbiamo innanzitutto silanizzare il master.

Normalmente eseguiamo la litografia a scala master utilizzando strumenti F perché stiamo lavorando con l'Isola di Firenze; innanzitutto inserisco la piastrina nell'ator e aggiungo le gocce della foresta, quindi chiudo la camera dello skater da scrivania, accendo il vuoto, lascio agire il vuoto per 1, 2, 3 minuti e poi chiudo il vuoto. Lascio evaporare per mezz'ora e quindi prelevo la goccia d'onda. Prima di eseguire la replica con PDMS, dobbiamo prima miscelare il prepolimero di PDMS e l'agente indurente in un rapporto di 10 a 1.

Peserò quindi un prepolimero di 31 grammi, poi peserò gli agenti indurenti per 3,1 grammi e li mescolerò accuratamente per cinque minuti. Il prodotto finito appare così. Successivamente, inserisco il composto in un forno a vuoto per disaerare il PS da cinque a dieci minuti, fino a quando diventa trasparente.

Mentre attendo che il PMS perda le bolle d'aria, posso incollare i tubicini di silicone sulla regione del livello di controllo. Scegliamo il tubicino di silicone perché è composto dello stesso materiale del PMS, in modo che in seguito possa essere incorporato nel dispositivo creando una tenuta stagna all'aria e ai fluidi. Ora aggiungo una piccola quantità di colla D cement sulla punta del piccolo pezzo di tubicino di silicone e lo premo sulla zona di ingresso del master.

Pertanto, per evitare che i tubicini superino di molto gli amperes, questi tubicini di silicone devono essere tagliati in modo molto piatto e non si deve applicare troppa colla sulla parte superiore. Spiega esattamente come stai premendo la colla. Vediamo dunque. Vengono create delle zone sia sul lato ventrale che mediante la rimozione del coperchio.

Ora il PS è stato sviluppato. Verserò il PS sopra il master. Fare attenzione a rimuovere i PGAs che circondano i tubi.

Ora sto versando sull'altro master che presenta le caratteristiche del livello fluido. Dopo aver versato il PS sui master, è necessario eliminare nuovamente le bolle nella cappa anti-polvere per cinque-dieci minuti. Dopo l'eliminazione delle bolle, polimerizziamo il PMS in forno a 65-70 gradi per un periodo compreso tra un'ora e 24 ore.

Bene, ottimo. Dopo due ore, il PMS è stato polimerizzato. Ora tagliamo il dispositivo PMS dallo stampo SU e il periodo per lo strato di controllo.

In modalità tubi, rimuoviamo la colla dalle aree di ingresso. Nei nostri dispositivi, le zone di ingresso sono create su entrambi i tre strati e gli strati di controllo, ma inseriamo il tubo di silicone solo su uno strato.

Ad esempio, qui solo sullo strato di controllo. Per creare l'accesso allo strato fluido, possiamo perforare la membrana al di sotto dei tubicini in silicone per creare un'apertura. In questo modo, possiamo accedere a tutti questi dispositivi dall'alto, rendendo più semplice l'analisi al microscopio, sia al microscopio stereoscopico che al microscopio invertito tradizionale.

Ora stiamo entrando nella stanza C. Per preparare le membrane CTM S, vi mostrerò come centrifugare la membrana PDF utilizzando lo spinner Headway. Prima di posizionare la wafer sulla parte superiore del supporto per wafer, ho ricoperto la sfera con una pellicola di plastica e inserito un tovagliolo di carta al di sotto per facilitare la pulizia di eventuali disordini successivi.

Quindi, se è stato ultimato, proprio come abbiamo fatto in precedenza con i master, dopo la pulizia sotto vuoto, aggiungo circa due millilitri di PMS taxi direttamente sopra la piastrina di silicio, poiché desideriamo ottenere una membrana spessa tra 11 e 12 micron. La piastrina verrà fatta ruotare a 7.000 giri al minuto per 20 secondi, ed ecco che inizia. Ora potrei dire qualcosa come: qui potete vedere la piastrina che ruota. La faremo girare per il tempo necessario. Dopo la centrifugazione, poniamo la piastrina sulla piastra riscaldata a 85 gradi per quattro minuti. A questo punto, la membrana di PDMS è stata polimerizzata.

Successivamente ossidiamo la membrana P DM S e lo strato di controllo in un forno a plasma. Impostiamo la potenza al platino al 75% e utilizziamo una pressione di ossigeno di 30 PSI e una portata di cinque. Questi parametri possono sempre essere regolati in base a diverse applicazioni.

Accendere il dispositivo, quindi attivare il plasma per 30 secondi. Posizionare ora lo strato di controllo sopra la membrana. Dopo alcuni minuti, lo strato di controllo si unirà alla membrana.

Dopo alcuni minuti, rimuovere lo strato di controllo con la membrana. Bene, ora siamo pronti ad allineare lo strato di controllo al completamente trasparente. Poiché non siamo più in camera bianca, utilizziamo la punta adesiva per rimuovere la polvere dal completamente trasparente.

Dobbiamo inoltre rimuovere la membrana dalla zona di ingresso dei livelli di controllo. Questo serve per accedere al livello fluido sottostante. Posizionare quindi il livello di controllo con la membrana sopra il livello fluido.

Controllare tutte le camere del fluido della camera e le valvole. Assicurarsi che siano tutte allineate da sinistra a destra. Se non sono allineate, è possibile rimuovere lo strato di controllo e ripetere l'operazione.

Qui potete vedere che il livello del fluido e il livello di controllo sono allineati. Ora inserirò dei tubicini più sottili in questi ingressi per collegarli alle sorgenti di fluido e alle sorgenti di pressione. Ora collego le valvole alla sorgente di pressione e gli ingressi del fluido alla sorgente di fluido.

Qui abbiamo due coloranti diversi, uno blu e uno giallo, per aprire e chiudere le microvalvole in PDMS. Utilizziamo valvole solenoidi collegate a una fonte di vuoto e a una pressione d'aria, controllate mediante un software dedicato. Ora sto aprendo il set di valvole numero uno.

Si possono osservare le membrane in PDMS deformarsi e le valvole aprirsi. Ora sto chiudendo il primo set di valvole, chiudendolo e aprendo il secondo set, aprendolo e chiudendolo. Ora tutte le microvalvole sono funzionanti.

Sto per riempire le camere microfluidiche con due dadi diversi. Aprirò il set di valvole numero uno e utilizzerò anche un vuoto per aspirare i due dadi all'interno delle camere. Dopo che le camere sono state riempite con i dadi, chiuderò il set di valvole numero uno per isolare ciascuna camera e quindi attiverò il set di valvole.

Numero due, mescolare le coppie nei due array. L'apertura della valvola e il mescolamento richiedono in genere da uno a due minuti. Poiché abbiamo progettato camere di 10 dimensioni diverse.

Quindi abbiamo un rapporto di miscelazione di 11 rapporti diversi. Una volta terminata la miscelazione, chiudo la valvola e potete vedere ciascuna camera singolarmente. Esistono diversi rapporti di miscelazione.

Il colore è passato dal blu al verde fino al giallo. Una volta realizzati, questi dispositivi potrebbero essere utilizzati in saggi biomedici come lo screening di farmaci o studi di biologia cellulare, come la chemotassi o la risposta cellulare a diverse concentrazioni di sostanze chimiche e fattori di crescita o farmaci. Sono Chris Sip e vi mostrerò un dispositivo che è un sistema integrato di perfusione microfluidico ed è molto simile al dispositivo precedentemente visto nella fase di realizzazione.

L'unica, la principale differenza è che invece di avere camere separate divise da una valvola che si mescolano per diffusione, abbiamo più ingressi che convergono e sono controllati da valvole, uno schema di valvole multiplex. E ciò che dimostrerò è l'attuazione selettiva delle valvole, che controllerà l'apertura o la chiusura di diversi ingressi. Inoltre, mostrerò il funzionamento di un canale di miscelazione integrato e la gestione dei gradienti.

In alto sullo schermo si vedono 16 ingressi che convergono e dai quali il flusso scenderà dall'alto verso il basso attraverso questo canale verticale e nella rete di biforcazione, che costituisce la camera di coltura cellulare. Ora osserviamo l'ingresso di un colorante di colore blu, che scorre mostrando il profilo del flusso laminare mentre attraversa la camera. Adesso stiamo combinando il blu e il giallo, quindi possiamo invertire la combinazione per ottenere quella opposta.

Possiamo indirizzare il nostro gradiente verso il lato destro. Possiamo creare altri tipi di gradienti. Ora viene mostrato l'attivazione rapida delle valvole, in modo da poter alternare rapidamente tra diverse soluzioni.

Ora stiamo introducendo il blu e il giallo in questo omogeneizzatore e la soluzione esce verde nella camera; possiamo inoltre selezionare un qualsiasi numero di ingressi diversi. In questo caso stiamo utilizzando un ingresso rosso, che sta sostituendo tutta la soluzione verde. Oggi vi ho mostrato come realizzare dispositivi basati su valvole microstrutturate e ho dimostrato il mescolamento di due coloranti in diverse proporzioni con volumi inferiori al litro in modo nitido.

Chris del nostro laboratorio ha inoltre dimostrato un sistema microfluidico integrato per la perfusione di diverse soluzioni. Grazie per aver guardato e buona fortuna con il vostro esperimento.