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、出口に大きなドロップを配置し、入口に小さなドロップを配置する必要があります。これにより、流れを駆動するために必要な圧力差が発生します。異なる液体が交互に滴下されると、パケットがチャネル内を飛行し、最終的には出口に収集されます。

高流量は、入口で安定した流体シェルを達成するのに十分な周波数で少量の液滴を供給することで達成できます。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。

そして、私はWメディスンの生物医学工学科に所属するS教授研究室のアーロン・ブリアーです。今日は、マイクロ流体デバイスでパッシブポンピングを行う手順をお見せします。私たちの研究室では、この手順を使用して、マイクロチャネル内の流れを研究し、生物学的アプリケーションのためのチャネル内の流体交換を研究しています。

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、ポリメチルサボキソンを用いたマイクロ流体デバイスを作成します。次に、デバイスを切り取り、次に可逆的に切り取ります。

PDMSデバイスをスライドに押し付けて気泡を絞り出すことにより、PDMSデバイスをスライドに取り付けます。リバーシブルアタッチメントにより、デバイスを複数回再利用できます。次に、デバイスに液体を入れます。

食品着色料入りの水を使用しています。液体がそれ自体でチャネルに入らない場合は、入口に液体を一滴入れ、反対側の端にあるピペットを使用してチャネルから液体を吸引します。デバイスに液体を充填した後、入口に小さな滴を置き、出口に大きな滴を置きます。

入口の小さな液滴が崩壊し、出口の液滴が大きくなるのを見て、流体が動いていることを確認してください。先に進む前に、パッシブポンピングの基本的な関係について説明しましょう。ポンプで送られる液滴のダイナミクスは、高さと長さのチャネル寸法、および入口に配置される液滴のサイズなど、いくつかのことに依存します。

これらの要因がフローにどのように影響するかをよりよく理解していただくために、いくつかの例を挙げます。まず、2つの類似したチャネルから始めましょう。幅と高さは同じですが、一方が他方よりも長くなります。

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。短いチャンネルのインレットドロップが、長いチャンネルのドロップよりも速く崩壊する様子をご覧ください。これは、チャネルが長いほど流体抵抗が大きく、チャネル内の流れが遅くなるためです。

次に、長さと高さが同じで幅が異なる 2 つのチャネルを見てみましょう。各チャンネルの入口に同じ液滴を置き、それらが崩壊するのを見ましょう。チャネルが薄いほど、インレットドロップが崩壊するのに時間がかかることがわかりますか?

これは、細いチャネルが広いチャネルよりも大きな流体抵抗を持っているためです。最後に、2つの同一のチャネルを取り、それぞれの入口に異なるサイズのドロップを配置しましょう。大きな入口の落下は、小さな入口の落下よりも崩壊に時間がかかることに注目してください。

これは、液滴が小さいほど、大きい液滴よりも体積が少なく、内圧が大きくなるためです。小さな滴は大きな滴よりも優れていることを知っています。そして、これらの小さな液滴がどれほど速く崩壊するかを観察した後、私たちは今、生物学的実験を行うことができるように、体積的に正確な液滴をチャネルの入口に送る方法を自問しています。

Lee Companyのマイクロディスペンシングスターティングキットを使用して、ボリュームバルブ、オリフィスサイズ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1つ以上のバルブを組み立てます。したがって、ここでは、前の手順で行ったチューブバルブコネクタを介してバルブをコントロールボックスに接続しています。そして、スパイク電圧源があり、これがこのルートです。

そして、制御電圧源があり、その後にホールド電圧源が続きます。そして最後に、 アースに関連して 入口を狙いながらバルブを所定の位置に保持します。バイオサイエンスツール、ミニチュアホルダーを使用してください。

これらは、バルブを特定の位置に正確に向けて保持する方法を提供します。実験中、4分の3オンスの注射器を使用して、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。リザーバーは、ノズルを駆動するための圧力ヘッドを提供します。

シリンジにシリンジ針を取り付けます。次に、シリンジ針を1.14ミリメートルのインナーチューブに取り付け、次にそれを1.58ミリメートルの内径チューブに取り付けます。PDMSをシーラントとして使用します。

次に、内径1.58ミリメートル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線が引かれたので、シリンジリザーバーに液体を入れてバルブをパージし、チューブに水が充填されるようにします。バルブの側面に磁石を置き、液体がリザーバーからバルブを通って0.01インチのノズルから流れ始めるのを確認します。

このシステムは、ラボビューとLee Companyのスパイク&ホールドコントロールボックスを使用したコンピューターで制御しています。システムを校正するには、1つのバルブをペトリ皿またはホエイボートに向け、計量します。次に、選択した時間だけバルブを開き、ノズルから出る水の総量を量ります。

このボリュームをシステムの合計オープン時間で割ります。このキャリブレーションにより、ユーザーは任意の時間にノズルから噴出する水の量を見つけることができます。システムを校正したら、ノズルからの前のキャリブレーションシュートに基づいて、ノズルをチャネルの入口に向けます。これは、水滴がチャネルの入口に撃たれ、混乱を引き起こすほど大きすぎたり、気付かれないように小さすぎたりすることはありません。

実験と実験の間には、必ずバブルを空けてください。パッシブポンピングの基本原理を理解し、システムのキャリブレーションについて説明したので、物事がうまくいっている場合にユーザーが何を確認すべきかを見てみましょう。次のビデオは、マイクロ流体チャネルを流れる流れが、低周波数で大音量から高周波数で小音量に変わる様子です。

これにより、ユーザーは過去のポンピングと自動流体供給システムの機能を理解できるはずです。次のビデオで使用されているデバイスの寸法は、幅 2.22 ミリメートル、長さ 10 ミリメートル、260 マイクロメートルです。高さ入口と出口の直径はそれぞれ1.78ミリメートルと5.11ミリメートルです。

図に示すように、交互の流れを作り出すには、2つ以上のバルブが必要です。次は、現在使用されているデバイスから可能な最大流量を示すビデオです。この場合、流体を供給するために単一のバルブが使用されます。

システムのバランスを維持するには、バルブをインレットの上部から直接向けることが重要です。液滴が入口で形成されるシェルに注目してください。これは、デバイスが受動的に水を汲み上げることができるのと同じ速さで水を入口に供給することによって維持される一定の圧力を表します。

また、ある時点でインレットドロップがどのようにオーバーフローするかにも注目してください。これは、摂動、出口の落下によって引き起こされる可能性が最も高いです。入口のオーバーフローを取り除くことにより、システムは平衡を取り戻し、流れが継続します。

通常、市販のマイクロノズルを使用してパッシブポンプシステムをセットアップ、キャリブレーション、および操作する方法を示しました。これらの実験を行う際には、気泡がチャネルに入るのを防ぐために安定した圧力源を用意すること、チャネルの形状、目的の流量と交換を達成するための液滴サイズの間のトレードオフを知ることを常に覚えておくことが重要です。たとえば、コンセントの水滴が大きくなりすぎないようにするには、散らかったり、入口に到達したり、PDMSデバイスを清潔で乾燥した状態に保つためです。

というわけで、これだけです。ご覧いただきありがとうございます、そしてあなたの実験に幸運を祈ります。