私たちは低コストの3Dプリントマイクロ流体デバイスと、プログラム可能な濃度勾配を生成できるオープンソースのPythonベースのソフトウェアを開発しました。このカスタマイズ可能なプラットフォームは、浸透圧計と比色分析を用いて検証し、5ドル未満の材料と消費者向け3Dプリントで再現可能な浸透圧曝露研究や生物医学アッセイを実現しました。
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私たちは低コストの3Dプリントマイクロ流体デバイスと、プログラム可能な濃度勾配を生成できるオープンソースのPythonベースのソフトウェアを開発しました。このカスタマイズ可能なプラットフォームは、浸透圧計と比色分析を用いて検証し、5ドル未満の材料と消費者向け3Dプリントで再現可能な浸透圧曝露研究や生物医学アッセイを実現しました。
マイクロ流体装置は溶液の混合と勾配生成を精密に制御し、クライオバイオロジーや生物医学研究における細胞ベースのアッセイに不可欠です。しかし、従来の製造方法は時間がかかりコストがかかり、専門的な専門知識が必要なため、アクセスのしやすさが制限されています。これらの課題に対処するため、消費者向けプリンターと生体適合性プラスチック樹脂を用いた迅速かつ低コストなプロトタイピングを可能にする、コスト効率が高く信頼性が高く、完全3Dプリントされたマイクロ流体デバイスワークフローを開発しました。ここでは、プログラム可能な濃度勾配や溶液の組み合わせを生成する流体混合装置を用いてこのワークフローを実証します。市販ミキシング機器は1台300ドル以上で、カスタマイズもできません。手頃な価格の樹脂材料と、透明な接着テープで封印された革新的なオープンチャネル設計を活用することで、チャネル詰まりなどの一般的な製造問題を克服し、複雑なマイクロ流体アーキテクチャを迅速かつ再現可能な製造を材料費5ドル未満で実現しました。ここでは、二重シリンジポンプを統合して線形浸透圧勾配を作り出すというワークフローを示し、等浸透圧(~300 mOsm/kg)から高浸透圧(~9,000 mOsm/kg)までの範囲を適用し、その後定められた間隔で等滲性に戻します。自動化と再現性を確保するために、私たちはシリンジポンプの作動、流量、勾配タイミングを正確に調整するオープンソースのPythonベースのソフトウェアツールを開発しました。装置の性能は連続浸透圧測定で検証され、勾配生成の線形性と正確性が確認され、混合効果を確認する比色測定も行われました。このアクセスしやすくコスト効率の高いマイクロ流体プラットフォームは、浸透圧曝露研究の再現性を大幅に向上させ、薬物スクリーニングや精密な化学的調節など、さまざまな生体医学的応用の可能性を示しています。
マイクロ流体装置は、細胞ベースのアッセイ、浸透圧研究、生物医学研究、クライオバイオロジー、その他の診断応用における薬物投与実験において、濃度や化学環境の制御に不可欠なものとなっています1,2。これらの装置は、マイクロメートルスケールでの流体の流れと濃度の精密な制御を可能にします。例えば、マイクロ流体デバイスは、細胞の凍結保存中に浸透圧損傷を防ぐためにクライオプロテクション剤の添加および除去に用いられてきました。同様に、これらのマイクロ流体装置は抗生物質の連続希釈を確立し、耐性菌に対する抗菌感受性を試験するためにも用いられます。これにより、抗菌耐性(AMR)感染症の治療に最適な薬剤の組み合わせを特定することが可能になります。さらに、生細胞のイメージングとモニタリングを可能にし、試薬消費を削減し、濃度勾配の精度を高めます。これは、リアルタイムセルモニタリングなしで粗雑で静的な勾配を提供するマクロ技術(1,5)とは異なります。これらの能力により、in vitroでin vitroでin vivoのような化学環境を模倣し、細胞挙動、細胞移動、細胞侵入アッセイ、薬物反応、毒性試験の高解像度研究が可能になります。
マイクロ流体デバイスの利点があるにもかかわらず、これらのデバイスの従来のマイクロファブリケーション技術(例:フォトリソグラフィーやポリジメチルシロキサン(PDMS)成形)は、しばしば時間がかかり高価であり、専門的な機器や専門知識が必要です6。したがって、ソフトリソグラフィーによる新しいデバイスの作成には数日の作業が必要であり、反復的な設計変更も労力集約的です。近年では、3Dプリンティングがこれらの制約を克服するための迅速なプロトタイピング代替手段となっています。しかし、3Dプリントマイクロ流体の初期採用は高解像度プリンターのコスト(しばしば1万ドル)に制限され、安価なユニットは十分な解像度を提供≥ませんでした。低コストのLCDベースのステレオリソグラフィーの進歩により、この分野は大きく進歩しました。消費者向けプリンター(しばしば約$150〜$500)は、多くのマイクロ流体用途に十分なマイクロスケール(~20〜50μm)解像度を提供しました5。これらの進歩を踏まえ、私たちの研究の全体的な目標は、製造複雑さの典型的な障壁なしに制御された濃度勾配を生成できる完全3Dプリントマイクロ流体デバイスのコスト効率が高く効率的なワークフローを確立することでした。消費者向けLCD3Dプリンターと生体適合樹脂を活用し、迅速かつ信頼性の高いカスタムマイクロ流体モデルシステムの開発を目指し、幅広い研究室で利用可能にすることを目指しました。
ここでは、溶液の混合、連続的かつプログラム可能な濃度勾配の生成、溶液の組み合わせおよびプログラム可能な濃度勾配の形成が可能な3Dプリントマイクロ流体装置を紹介します。この装置はデスクトップステレオリソグラフィーで製造され、完全に組み立てられます。オープンチャネル設計は透明な接着フィルムで完全に密閉されています。樹脂によるチャネルの詰まりはマイクロ流体ステレオリソグラフィーで広く報告されている課題です。しかし、この方法は専門的な表面処理や接合装置を必要とせず、耐久性のある漏れにくいマイクロ流体装置を開発し、印刷11時に未硬化樹脂が小さなチャネルを塞ぐ一般的な問題を克服します。さらに、安価でUV硬化可能な樹脂を使用することで、各デバイスはわずか数ドルの材料で迅速に生産できます。もう一つの利点は、その設計が固定されていないことです。商業機器は1件あたり数百ドルかかり、カスタマイズもできないのに対し、簡単に改造・再印刷が可能です。
溶液濃度の制御のために、3Dプリント装置は、マイクロ流体アプリケーション向けに説明されたように、オープンソースのPythonスクリプトで制御されるデュアルシリンジポンプ(各入力溶液に1つずつ)と統合されました。これにより、流量、勾配ステップ、タイミングを自動化して正確に調整できます。当社のシステムにおける15 流量は通常、1つの入口あたり数マイクロリットルから30μl/minの範囲で、均一な混合が達成されつつ、せん断応力が最小限に抑えられていました。このシステムを用いて、ほぼ等浸透圧(~300 mOsm/kg)から極端な高浸透圧(~9,000 mOsm/kg)、そして等張性までの線形濃度プロファイルを、定められた時間間隔で生成しました。連続的な浸透圧計の測定により、生成された勾配が直線的かつ正確であることが確認され、単純な比色測定法で入力溶液の効率的な混合が確認されました。これらの結果は、複雑で時間変化する濃度勾配が完全3Dプリントプラットフォームで再現可能であることを裏付け、浸透圧曝露研究のスループットと標準化を通常のコストのごく一部で向上させる可能性を強調しています。
この3Dプリントされたマイクロ流体プラットフォームは、多くのセルベースのマイクロ流体アプリケーションに十分な解像度を提供する「ラボ・オン・ア・チップ」ソリューションへの最近の進歩を示しています(16,17)。さらに、専門家は、プリンター技術や材料の進歩が続く中で、積層製造がマイクロデバイス製造の主要手法となると予測しています6。私たちのアプローチの大きな利点は、アクセシビリティがパフォーマンスを犠牲にしないことです。低コストのマイクロ流体製造戦略を示す以前の研究と一致するように、これらの手頃な価格のプリンターは信頼性と精度の面で多くの商用産業用システムに匹敵するデバイス機能を提供します7。したがって、研究者はこの手法がほとんどの応用の精度要件を満たすと自信を持って採用できます。このプラットフォームは、多段階のクライオプロテクタントの追加・除去の自動化から、さまざまな濃度範囲の薬物反応のスクリーニング、臓器オンチップモデルにおける精密な化学的調節まで、多様なニーズにカスタマイズ可能です。特に、印刷された解像度サイズ(約100μmチャネル寸法)は多くの生物学的アッセイ16に十分であり、典型的な細胞や粒子の長さスケールに対して良好な範囲を提供します。まとめると、製造時間、コスト、専門知識要件を大幅に削減することで、この完全3Dプリントのマイクロフルイディックプラットフォームにより、調査員はカスタムマイクロフルイディックソリューションのプロトタイプや実装を効率的に行えます。表面研磨や粘着テープシーリングなどの手動の後処理工程は依然として必要ですが、全体のワークフローは従来のマイクロファブリケーション手法に比べてアクセスしやすく、時間の節約にもなります。
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1. マイクロ流体混合スライドの設計
2. 印刷用のデザイン準備
3. 印刷と後処理
4. マイクロ流体チャネルの表面研磨およびシール
5. 流体フローの設定と試験
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図1は、私たちの装置の全体的な構成を示しています

図1:システムセットアップ。左から右へ、Pythonベースの制御ソフトウェアにより、シリンジポンプAとBのポンプのポンプ速度を変えることで、正確な時間と濃度の曲線を作成できます。液体はガラスシリンジからポリエーテルエーテルケトン(PEEK)チューブを通って流れ、3Dプリントされたマイクロフルイディックミキサーに混合されます。これらの濃度と時間の曲線は、市販のマイクロ流体培養システムでのアッセイに用いられ、その後、3つ目のシリンジポンプを使って培地をシステムから抽出します。
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マイクロフルイディクス混合チャンバーは通常、あらかじめ設定された構成で製造される高価な部品です。本論文は、迅速な試作作成とカスタムコードによって、研究所が混合室を迅速に開発し、多様な実験セットアップを可能にすることを示しています。
比色分析と浸透圧法を用いて完全な混合を検証します。浸透圧測定値は、混合濃度に基づく理論値とさらに比較されました。このスライドは比色分析と眼圧計測を支え、混血中の市販スライドとして機能します。このスライドの材料費は市販の代替品より2桁低く、同等の混合性能を実現しています。
スライドは生体適合性樹脂で印刷され、エチレン共重合体ベースのテープで密封されます。樹脂製でガラスに取り付けられた類似のマイクロ流体スライドも以前に報告されていましたが、これらは高性能な商用3Dプリント17を使用して作成されました。ここでは、マイクロ流体の解像度がより安価な消費者向けデバイスで十分に手の届く範囲に入ってい...
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著者たちは何も明かすことはありません。
この研究は国立科学技術研究評議会(RGPIN-2023-04007)およびカナダ衛生研究所(PJT-175283)から資金提供を受けました。
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| 名前 | 会社 | カタログ番号 | コメント |
|---|---|---|---|
| 1/16インチOD PEEK 毛細血管チューブ–65 & マイクロ;内径m。 | IDEXヘルス&サイエンス、アメリカ | SKU:ID-1560 | 1.5m、小さな区画に切り分けて。ダーウィン・マイクロフルイディクスから購入 |
| 3DプリンターUV樹脂硬化ライトなど;230 V 405 nm | スクーフィー、中国 | 硬化後として使用し、樹脂部分を使った白い発泡スチロール箱に~6Sの間置く | |
| ガスシー密1/4-28 UNFガラス注射器3本、5 mL | アメリカ合衆国ハミルトン | SKU:HM-10103664 | 1/4-28のフィッティングは1/16インチへの接続を可能にしますピークチュービング。ダーウィン・マイクロフルイディクスから購入 |
| ジメチルスルホキシド(DMSO)、認証済みACS | フィッシャー・サイエンティフィック、アメリカ | Cat.No:D128-1 | フィッシャー・サイエンティフィックから購入 |
| ELITechGroup 校正標準、850 MOSM/K | ELITechGroup、アメリカ | VCAT:SS-277、分類。いいえ:NC1876875 | フィッシャー・サイエンティフィックから購入 |
| ELITechGroup 校正標準、300 MOSM/K | ELITechGroup、アメリカ | VCAT:SS-276、分類。いいえ:NC1876872 | フィッシャー・サイエンティフィックから購入 |
| フランジェレスPFAフィッティング&ETFEフェルール 1/4インチ-28インチから1/16インチ | IDEXヘルス&サイエンス、アメリカ | SKU:ID-XP-245X | 10パック、ダーウィン・マイクロフルイディクスから購入 |
| 食用色素 | クラブハウス、カナダ | ||
| FreezePoint 6000P 凍結点オスモメーター | ELITechGroup、アメリカ | モデル:6000P | |
| フリーズポイント測定容器 | ELITechGroup、アメリカ | VCAT:SS-279、分類。いいえ:NC1876881 | フィッシャー・サイエンティフィックから購入 |
| ゴリラ瞬間接着剤ジェル | ゴリラグルー社、アメリカ | https://gorillatough.com/product/gorilla-super-glue-gel/ | |
| ヘリンボーンミキサー - ガラスチップ | リトル・シングス・ファクトリー | SKU: LTF-012.00-4264 | ダーウィン・マイクロフルイディクスから購入 |
| 高浸透圧媒体 - DMSO(v/v)40%、NaCl濃度1.2M | ラボ製 | ||
| Ibidi µ-スライド VI 0.4 –ibiTreat | イビディ、ドイツ | Cat.No: 80606 | |
| 等浸圧培地 - Cytiva HyClone Phosphate 緩衝生理食塩水(PBS) | シティバ、アメリカ | Cat.No:SH3025601 | フィッシャー・サイエンティフィックから購入 |
| モーティックステレオスコープ | モティック、香港 | モデル: SMZ-168 TLED | |
| NE1000 SyringONEシリンジポンプ | ニューエラ・ポンプ・システムズ社、アメリカ | モデル:1010-US | ニューエラ・ポンプ・システムズ社から購入 |
| Phrozen Sonic Mini 8k レジン3Dプリンター | Phrozen Tech Co., LTD. 台湾(R.O.C.) | フローズン ソニック ミニ 8k | |
| ポンプからPCへのRS-232プライマリネットワークケーブル | ニューエラ・ポンプ・システムズ社、アメリカ | モデル:CBL-PC-PUMP-7(7フィートケーブル) | 9ピンシリアルからRS232へのコンバーター、New Era Pump Systems Inc.から購入。 |
| ポンプ間二次ネットワークケーブル | ニューエラ・ポンプ・システムズ社、アメリカ | モデル:CBL-NET-7(7フィートケーブル) | RS232ケーブル、New Era Pump Systems Inc.から購入 |
| レジン - PowerResins Sugical Guide レジン 1000 GR | PowerResins、3BFab Inc、TüRKIYE | レファレンス:PSG-03-C | |
| RS-232からUSBへの変換ケーブル | 台湾のプロリフフィック・テクノロジー(中華民国) | モデル:CBL-USB232 | ニューエラ・ポンプ・システムズ社から購入 |
| スライドシールテープ - クリスタルクリアゴリラテープ 1.88インチ×9ヤード | ゴリラグルー社、アメリカ | ||
| 塩化ナトリウム(NaCl) | EMDミリポーア、ミリポールシグマ、ドイツ | キャット。いいえ:M1064041000 | フィッシャー・サイエンティフィックから購入 |
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