マイクロ流体デバイスでパッシブポンピング用高速液滴ベースのデリバリーシステム

パッシブポンピングでは、流出口に大きな液滴を、流入口に小さな液滴を配置する必要があります。これにより、流れを駆動させるために必要な圧力差が生じます。異なる液体で液滴を交互に配置することで、チャネル内にパケットが流動し、最終的に流出口で回収されます。

低容量の液滴を、入口で安定した流体シェルを形成するのに十分な高周波で供給することで、高い流速を実現できます。こんにちは、ウィスコンシン大学医学部生物医学工学科のジャスティン・ウィリアムズ研究室のペドロ・レトです。そして、同じくウィリアムズ研究室のブライアン・モーガンです。

私は、W大学医学部生物医学工学科のProfessor Sの研究室に所属しているAaron Burierです。本日は、マイクロ流体デバイスにおいてパッシブポンピングを行う手順をご紹介します。当研究室では、この手法を用いて、マイクロチャネル内の流れの解析や、生物学的応用のためのチャネル内における流体交換の研究を行っています。

それでは始めましょう。まず、ソフトリソグラフィー技術を用いて、ポリメチルシロキサン（PDMS）でマイクロ流体デバイスを作製します。次に、デバイスを切り出し、可逆的に接着させます。

PDMSデバイスをガラススライドに押し当て、気泡を追い出しながら貼り付けます。可逆的な接着を行うことで、デバイスを繰り返し再利用することが可能です。その後、デバイス内に液体を満たします。

食紅を加えた水を使用します。液体が自然にチャネルに入らない場合は、入口に液体を1滴垂らし、反対端でピペットを使用して液体をチャネル内に吸引してください。デバイスを液体で満たした後、入口に少量の液滴を、出口にそれより多めの液滴を配置します。

入口側の小さな液滴が消失し、出口側の液滴が大きくなることを確認して、液体が移動していることを確かめてください。次に進む前に、パッシブポンプの基本的な関係について説明します。ポンプ輸送される液滴のダイナミクスは、高さと長さを含むチャネルの寸法や、入口に配置される液滴のサイズなど、いくつかの要因に依存します。

これらの要因が流れにどのような影響を与えるかについて、いくつかの例を挙げて説明します。まず、2つの類似したチャネルについて考えます。これらは幅と高さが同じですが、一方が他方よりも長くなっています。

次に、各チャネルの入口に同じサイズの液滴を配置します。短いチャネルの入口にある液滴の方が、長いチャネルの液滴よりも速く崩壊することを確認してください。これは、チャネルが長いほど流体抵抗が大きくなり、内部の流れが遅くなるためです。

次に、長さと高さは同じで、幅が異なる2つのチャネルを詳しく見てみましょう。それぞれのチャネルの入口に同一の液滴を配置し、それらが崩壊する様子を観察します。幅の狭いチャネルの方が、入口の液滴が崩壊するまでに時間がかかることがわかりますか？

これは、幅の狭いチャネルの方が、幅の広いチャネルよりも流体抵抗が大きいために起こります。最後に、2つの同一なチャネルを用意し、それぞれの入口に異なるサイズの液滴を配置しましょう。入口の液滴が大きいほど、小さい液滴よりも崩壊するまでに時間がかかることに注目してください。

これは、小さな液滴の方が大きな液滴よりも体積が小さく、内部圧力が高いためです。小さな液滴の方が大きな液滴よりも適していることが分かり、また、これらの小さな液滴がいかに速く崩壊するかを観察したところで、次に、生物学的実験が行えるように、体積的に正確な液滴をチャネルの入口にどのように供給するかを検討します。

Lee Company社のマイクロディスペンシング・スターターキットを使用して、volバルブ、オリフィス径0.0100インチのノズル、およびソフトチューブアダプターで構成されるバルブを1つ以上組み立てます。ここでは、前のステップで行ったように、チューブバルブコネクタを介してバルブがコントロールボックスに接続されています。そして、ここにスパイク電圧源となるルートがあります。

次に、コントロール電圧源があり、続いて保持電圧源があります。そして最後に、接地して、入口を狙っている間にバルブを固定します。Bioscience tools社の小型ホルダーを使用してください。

これらにより、バルブを特定の位置に正確に合わせ、保持することが可能になります。実験では、3/4オンスのシリンジを用いて、PDMSデバイスの数フィート上に配置するリザーバーシステムを作成します。このリザーバーが、ノズルを駆動させるための圧力水頭を提供します。

シリンジに注射針を取り付けます。次に、注射針を内径1.14 millimeterのチューブに接続し、さらにそれを内径1.58 millimeterのチューブに接続します。封止剤としてPDMSを使用してください。

次に、内径1.58 millimeterのチューブをバルブのソフトチューブアダプターに接続します。シリンジ針とバルブの間にラインが形成されたので、シリンジのリザーバーに液体を満たし、バルブ内をパージしてチューブ内を水で満たします。バルブの横に磁石を配置し、リザーバーから液体がバルブを通り、0.01 inchのノズルから流れ出すのを確認してください。

LabVIEWとLee Company社製のスパイク・アンド・ホールド制御ボックスを用いて、コンピュータでこのシステムを制御します。システムの校正を行うには、バルブの一方をペトリ皿または計量用のウェーボートに向けます。次に、任意の時間だけバルブを開き、ノズルから排出された水の総量を計量します。

この体積をシステムの合計開放時間で除します。この校正により、任意の時間においてノズルから射出される水の体積を求めることができます。システムの校正後、前回の校正射出に基づき、ノズルをチャネルの入口に向けて、チャネル入口に液滴を射出させつつ、汚れの原因となるほど大きすぎず、また見落とされるほど小さすぎない体積で射出するように調整します。

実験の間に気泡を除去することを忘れないでください。パッシブポンピングの基本原理が理解され、システムのキャリブレーションについて説明したところで、正常に動作している場合にユーザーが確認すべき内容を見てみましょう。次のビデオは、低周波数での大容量から高周波数での小容量へと移行する、マイクロ流体チャネル内のフローを示しています。

これにより、自動流体供給システムを用いたパルスポンピングの機能について理解を深めることができます。以降のビデオで使用するデバイスの寸法は、幅2.22 millimeter、長さ10 millimeter、高さ260 micrometerです。また、入口径と出口径はそれぞれ1.78 millimeterおよび5.11 millimeterです。

上述のように交互の流れを生成するには、2つ以上のバルブが必要です。次は、現在使用しているデバイスで達成可能な最大流量を示すビデオです。このケースでは、流体を供給するために単一のバルブが使用されています。

システムのバランスを維持するためには、バルブを導入部の真上から向けることが重要です。導入部で液滴が形成するシェル（外殻）に注目してください。これは、デバイスが受動的にポンプ輸送できる最大の速度で導入部に水を供給することで維持される、一定の圧力を表しています。

また、ある時点で入口側の液滴が溢れ出すことに注目してください。これはおそらく、出口側の液滴を乱したことで引き起こされたものです。入口側の溢れを取り除くことで、システムは平衡状態に戻り、流れが再開します。

通常、ここでは市販のマイクロノズルを用いた受動的ポンピングシステムのセットアップ、校正、および操作方法について説明しました。これらの実験を行う際は、チャネル内に気泡が混入するのを防ぐために安定した圧力源を確保すること、および目的の流量や交換を実現するために、チャネルの形状と液滴サイズのトレードオフを把握することが常に重要です。例えば、流出口の液滴が大きくなりすぎると、周囲を汚したり流入側に到達したりするため、注意が必要です。また、PDMSデバイスを清潔で乾燥した状態に保ってください。

以上です。ご視聴ありがとうございました。皆様の実験の成功をお祈りいたします。