単一粒子のためのマイクロ流体ベースの流体力学的トラップ
2011年1月21日
この記事では、流体力学的流れに基づいて粒子の閉じ込めのためのマイクロ流体ベースの手法を提案する。我々はそれによって統合されたマイクロデバイスの任意の粒子の閉じ込めとマイクロマニピュレーションを可能にする、フィードバック制御のメカニズムを使用して流体よどみ点での安定した粒子のトラッピングを示しています。
この方法の全体的な目標は、マイクロ流体デバイス内の層流を使用して、単一のマイクロおよびナノスケールの粒子を閉じ込めて操作することです。流体力学トラップは、クロススロットチャネル形状のマイクロ流体デバイスで構成されており、マイクロチャネル接合部に停滞点の流れを引き起こします。出口チャネルの1つにあるオンチップバルブは、流体の流れを積極的に制御し、粒子をトラップするために使用されます。
粒子は、よどみ点の位置をアクティブに制御することにより、ユーザー定義の設定点に閉じ込められます。フィードバックコントローラは、粒子の位置を追跡し、オンチップバルブを調整して粒子の位置を設定値に維持するために使用されます。流体力学的トラップを使用して、単一粒子を粒子溶液にトラップ、希釈、または濃縮し、蛍光顕微鏡または明視野顕微鏡を使用してイメージングできます。
単一の粒子は、粒子の軌跡とトラップ中心からの粒子変位のヒストグラムに示されているように、トラップ中心の1ミクロン以内に制限され得る。こんにちは、イリノイ大学の化学・生体分子工学科のチャールズ・シュローア教授研究室、および生物物理学・計算生物学センターのエリック・ジョンソン・リオです。こんにちは、私の名前はアリ、シュローダー研究所のポスドク研究員です。
こんにちは、私はシェリル・シュローダーです、今日は、単一粒子の流体力学的捕捉のためのマイクロ流体デバイスを製造および実装する方法を紹介します。光学トラップやエレクトロキネティックトラップなどの既存の方法に対するこの手法の主な利点は、流体力学的トラッピングが流体の流れの唯一の作用によって達成され、それによってナノ粒子または細胞トラップの潜在的にプロアクティブな4つのフィールドが排除されることです。この技術は、トラップされた粒子の化学的または物理的特性を必要とせずに、マイクロスケールおよびナノスケールの粒子の自由な溶液トラップを可能にすることにより、基礎科学と応用科学を変革する可能性を秘
めています。それでは始めましょう。SU 8 金型からレプリカを剥がしやすくするために、SU 8 金型の表面を SU 8 金型の表面に 10 分間置いて、数滴のトリクロロセリーヌが入ったガラス皿に 10 分間、流体層と制御層に PDMS を混合して使用します。15対1のPDMS混合物を流路層モールドに750RPMで30秒間スピンコートし、ウェーハをシャーレに入れます。
同様に、制御層の金型をペトリ皿に入れ、5対1のPDMS混合物を金型に4mmの厚さで注ぎます。PDMS層を部分的に硬化させるには、ウェーハスラッシュPDMを摂氏70度で30分間ベークし、室温まで冷却します。PDMSレプリカをメスで切り取り、SUエイトの型から剥がします。
次に、21ゲージの針を使用して、オンチップメンブレンバルブとして機能するマイクロチャネルへのアクセスポートとしてPDMSに穴を開けます。スピンコーティングされたPDMS流体層を備えたウェーハ上に、制御層を備えたPDMSレプリカを配置します。実体顕微鏡を使用して、制御層を流体層に慎重に位置合わせし、シールします。
層の間のすべてのエアポケットを取り外し、摂氏70度で一晩焼き、室温まで冷却した後、両方の層を2つの層を持つモノリシックPDMSスラブに完全に硬化させ、メスを使用してSU 8型からPDMSレプリカを切り取り、はがし、かみそりの刃を使用して余分なPDMSを取り除き、各デバイスユニットを分離します。今度は21ゲージの針が付いている流路層のマイクロチャネルへの全パンチ アクセス ポート。カバースリップをアセトンIPAで洗浄し、窒素で乾燥させます。
カバースリップとPDMSレプリカの表面の両方を500ミリトール未満の酸素プラズマで30秒間処理します。そして、すぐに2つの表面を接触させて、不可逆的なシールを形成します。最後に、デバイスを一晩焼き、PDMS層とカバースリップの間の結合を増やします。
まず、マイクロ流体デバイスを倒立顕微鏡のステージに置き、ステージクリップで固定します。次に、溶液をマイクロ流体デバイスに送達するために、1ミリリットルと250マイクロリットルのガスタイトシリンジにそれぞれバッファー溶液とサンプル溶液を充填します。サンプルシリンジとマイクロ流体デバイスのサンプルポートの間にTバルブを使用して、サンプルの送達を制御します。
次に、フルオロオキシチューブ、ルアーロックアダプター、および24ゲージの金属チューブを使用して、シリンジとマイクロ流体デバイス間の流体接続を確立します。次に、PFAチューブと24ゲージの金属チューブを使用して、マイクロ流体デバイスの出口チャネルの流体接続を確立します。シリンジと出口チャネルの間の圧力降下を一定に保つには、出口のPFAチューブの長さを等しくし、両方を緩衝液で満たされた1.5ミリリットルの遠心分離チューブに浸す必要があります。
3ミリリットルのルアーロックプラスチックシリンジを使用して、オンチップバルブにフッ素系キャリアオイルを充填し、動作中に流体層に空気が漏れるのを防ぎます。バルブチャンバー内の空気をPDMSメンブレンを通ってマイクロチャネルに押し込みます。流体層で。
オンチップバルブ操作用。加圧された不活性ガス供給を制御層のポートに接続します。流体接続部とマイクロ流体デバイスを0.5ミリリットルの緩衝液ですすぎ、出口チャネルを含むすべての気泡がシステムから除去されていることを確認します。
気泡がマイクロ流体チャネルから洗い流された後、気泡を1時間あたり2000〜5、000マイクロリットルの範囲にする典型的な流量は、粒子トラップの典型的な体積流量である1時間あたり50〜100マイクロリットルに流量を減らします。次に、Tバルブを切り替えて、サンプルがマイクロ流体デバイスに流れ込むようにします。線形フィードバック制御アルゴリズムを実装することにより、粒子のトラッピングを自動化するカスタムビルドのラボビューコードを実行します。
このコードは、CCD カメラから画像をキャプチャし、電位を圧力レギュレーターに伝達し、圧力レギュレーターはオンチップ空気圧バルブの位置をアクティブに調整します。顕微鏡のXY平行移動ステージを使用して、トラップ領域をカメラビューの中央に配置します。トラップ領域を対物レンズの焦点に合わせ、カメラの設定を調整してイメージング条件を最適化します。
カメラの視野内で、ROI の中心がトラップの中心の位置になるように、四角形の関心領域を選択します。次に、オンチップバルブに適用されるオフセット圧力を初期化します。反対側の出口チャネルにある100〜200ミクロン幅のくびれ。
オンチップバルブの動作にオフセット圧力を提供します。フィードバックコントローラーを起動し、比例ゲインを調整してトラップ応答を最適化します。流量とオンチップバルブの位置に応じて、最適な比例ゲイン値があり、トラップの安定性が向上し、不要な粒子の振動が排除されます。
ラボビューコードは、トラップ領域に入るパーティクルの1つを自動的にトラップします。このビデオでは、流入方向の閉じ込めのトラップの気密性を最大化するために、サンプル流入流が開いたままになっているため、流入方向の粒子運動が生じています。ユーザーは、トラップ中にサンプルストリームを閉じることで、クロスチャネルジャンクションへの流れを均等にバランスさせ、トラップされた粒子を監視し、マニュアルフォーカスまたは自動フォーカス顕微鏡セットアップを使用して像面内の粒子の焦点を維持できます。
統合されたマイクロ流体デバイスは、サンプルフォーカス、クロススロットジャンクション、およびクロススロットジャンクションでトラップされる空気圧バルブで構成され、粒子の位置は空気圧バルブを介したマイクロチャネルジャンクションでの流れ場のアクティブ調整によって制御されます。ここでは、1つのビーズの画像が流体力学トラップに閉じ込められています。トラップセンターに加えて、クロスロットジャンクションのトラップ領域にいくつかのトラップされていないビーズが示されています。
トラップされた2.2ミクロンの蛍光ポリスチレンビーズの軌道がマッピングされます。パーティクルは最初に 3 分間トラップされます。その後、トラップから解放され、出口チャネルの1つに沿って逃げます。
トラップされたビーズがトラップの中心から出口チャネルの方向に沿って変位したヒストグラムは、粒子がトラップの中心から1ミクロン以内に限定されていることを示しています。本日は、マイクロ流体デバイス内で生成されたイオンポイントフローを使用して、マイクロスケールおよびナノスケールの粒子を自由溶液トラップする方法としてEMトラップを紹介しました。流体力学的トラッピングは、単一の標的粒子を濃縮粒子懸濁液に閉じ込めることを可能にしますが、これは別の力場ベースのトラッピング方法を使用することが困難です。
さらなる開発の後、この新しい技術は、生物物理学、細胞力学、流体力学、酵素学、およびシステム生物学の分野での科学的探求を可能にします。ご覧いただきありがとうございます、そしてこの手法があなたの実験に役立つことを願っています。
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概要
この記事では、流体力学的フローを用いたマイクロおよびナノスケール粒子の拘束と操作のためのマイクロ流体デバイスベースの方法を紹介します。マイクロデバイス内の流体の停滞点で安定した粒子トラッピングを達成するために、フィードバック制御機構が使用されています。
主要な研究構成要素
科学の分野
- マイクロ流体力学
- 粒子操作
- 流体力学的トラッピング
背景
- マイクロ流体デバイスは、流体の流れを精密に制御することを可能にします。
- 流体力学的トラップは、特定の位置で粒子を拘束することができます。
- アクティブ制御機構は、粒子の操作能力を高めます。
- 蛍光および明視野顕微鏡は、粒子のイメージングに使用できます。
研究の目的
- マイクロ流体デバイスで単一粒子をトラップする方法を開発すること。
- 層流を用いて効果的な粒子の拘束を行うこと。
- フィードバック制御を実施して粒子の位置を維持すること。
使用された方法
- クロススロットチャネル形状を有するマイクロ流体デバイス。
- 流体の流れを積極的に制御するためのオンチップバルブ。
- 粒子の位置を追跡し調整するためのフィードバックコントローラー。
- 蛍光および明視野顕微鏡などのイメージング技術。
主な結果
- 希薄および高濃度の溶液の両方で単一粒子の成功的なトラッピング。
- ユーザー定義の設定ポイントでの粒子の拘束の安定性の実証。
- フィードバック制御を用いた停滞点位置の効果的な調整。
- 顕微鏡技術を用いてトラップされた粒子をイメージングする能力。
結論
- この方法は、マイクロ流体システムにおける粒子の操作のための堅牢なアプローチを提供します。
- アクティブ制御機構は粒子のトラッピングの精度を高めます。
- この技術は、粒子の拘束を必要とする様々な分野に適用できます。
よくある質問
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.
