誘電泳動と層流を用いたマルチチャネルマイクロ流体デバイスの分離ビーズと細胞
February 4th, 2011
誘電泳動（DEP）は、細胞を操作するために有効な方法である。プリント回路基板（PCB）は、マイクロ流体デバイス内に非接触で細胞操作のために、安価な再利用可能で効果的な電極を提供することができます。プリント基板上にカバーグラスを持つPDMSベースのマイクロ流体チャネルを組み合わせることで、我々は、マルチチャンネルマイクロ流体デバイス内でビーズと細胞操作と分離を示しています。
この手順の全体的な目標は、D電気泳動またはプリント回路基板またはPCBを使用したDEPを使用して、マイクロ流体デバイス内の細胞とビーズを操作することです。これは、最初にPCB電極とマイクロ流体チャネルを設計し、準備することによって達成されます。手順の2番目のステップは、PCBマイクロ流体アセンブリとビーズおよびセル溶液を準備することです。
手順の3番目のステップは、チャネルを低導電率媒体で満たし、ビーズとセルをロードすることです。手順の最後のステップは、PCBアセンブリをパワーアンプおよび関数発生器に接続し、DEPを開始することです。最終的には、DEPを使用してマイクロ流体デバイス内の細胞とビーズを分離および操作することを示す結果を得ることができます。
一般に、この方法に不慣れな個人は、目的の細胞またはビーズ操作のためのマイクロ流体デバイスと連携する効果的な電極を開発するために、DEPの原理をユーザーが理解する必要があるため、苦労するでしょう。一方、PCBを電極として使用することで、マイクロ流体デバイスのセルやビーズの作動をさまざまな科学分野に近づけることができます。この手順の最初のステップは、プリント回路基板またはPCB電極を、不均一な電界を生成するための望ましい形状を持つように設計することです。
設計が完了したら、カスタマイズされたPCB電極チップを商業製造施設を通じて注文します。カスタムメイドのPCBが到着したら、このデモンストレーションのためにそれを開いて検査します。PCBの長さは8.4センチメートル、幅は2.1センチメートルです。
金属電極の幅は5ミリメートルです。この例では、電極には 2 つの長い金属ストリップと、電極がインターディジットされている 4.5 mm の長さの 2 つのクロス領域があります。これらのインターディジット領域は、強い不均一な電界を生成して、刺激装置からPCB電極への接続を作成します。
電極の端に16ゲージのワイヤーを置きます。熱いはんだごてを使用して、PCBの金属領域にワイヤを所定の位置に保持します。これにより、ワイヤが加熱されます。
はんだを加熱されたワイヤに保持し、少量のはんだがワイヤに流れ込むのを待ちます。ワイヤーにはんだを充填したら、はんだが冷える間、ワイヤーを所定の位置に保持しているはんだごてを取り外します。PCB上の他の電気接続について、はんだ付けプロセスを繰り返します。
次のステップは、目的の分岐パターンを持つマイクロ流体チャネルを準備することです。標準的な微細加工技術を使用して、シリコンウェーハとSU 8フォトレジストを使用してチャネルを定義するためのマスターモールドを作成します。このマスター モールドには、1 つの入力チャネルと 3 つのターゲット チャネルがあります。
チャネルの幅は100マイクロメートルで、チャネルの高さは27マイクロメートルです。マスターモールドが作成されたら、ポリメチルLAANEまたはPDMSエラストマーを硬化剤と10対1のウェイト比で5分間混合します。プレハブのSUエイトマスターモールドに液体PDMSを流し込み、液体PDMSを真空に3分間さらして気泡を取り除きます。
必要に応じて真空プロセスを繰り返して、すべての気泡を完全に取り除きます。窒素ガスの流れは、必要に応じて余分な気泡を除去するために使用できます。PDMSを70°Cのオーブンで2時間硬化させます。
カミソリの刃を使用して、ウェーハからマイクロ流体チャネルを備えたP-D-M-S-Sラボを取り外します。チャネルスペースが開いた状態でウェーハを壊さないように注意してください。バイオプシーパンチを使用して、マイクロ流体デバイスに液体や細胞を導入するための穴を開けます。刈る。
余分な PDMS。マイクロ流体デバイスを検査して、ほこりや破片がないことを確認します。3M Scotch Magicテープを使用してPDMSをクリーニングします。
PDMSチャンネルとクリーンなナンバーゼロカバースリップの厚さ80〜130マイクロメートルをプラズマガスに1.5分間さらします。PDMSラボとカバースリップをペトリ皿プラズマボンドでプラズマクリーナーから取り外し、カバースリップに基づくPDMSマイクロ流体チャネルは、摂氏100度に設定されたホットプレート上のカバースリップマイクロ流体アセンブリを最低15分間加熱します。マイクロ流体デバイスを準備する最後のステップは、PDMSチャネルとカバースリップをPCBの電極の上に配置することです。
まず、約10マイクロリットルの鉱油をPCBに配置します。PCBとカバースリップがしっかりと接触するように、カバースリップのマイクロ流体チャネルアセンブリを、カバースリップで油を塗ったPCBに置きます。オイルに接触すると、カバースリップのマイクロ流体アセンブリを静かに押し下げて、良好な接触を確保し、セルとビーズの視覚化を損なう可能性のある気泡を最小限に抑えます。
もう1つの重要なステップは、脱イオン水中で低導電率媒体混合物、8.5%スクロースと0.3%グルコース重量を体積まで調製することです。マイクロ流体デバイスは、ピペットを使用して使用する準備が整いました。必要に応じて、各マイクロ流体チャネルに15〜20マイクロリットルの低導電率媒体を充填します。真空吸引を使用して、チャネル内の気泡を取り除きます。
次のステップは、試験粒子をマイクロ流体デバイスに導入することです。このデモンストレーションでは、低導電率媒体のマイクロリットルあたり550ポリスチレンビーズの懸濁液を使用しています、ビーズは時間の経過とともに沈降し、攪拌でビーズを懸濁することができます。次に、ピペットを使用して、200マイクロリットルのポリスチレンビーズ懸濁液をチャネルに導入します。
次のステップは、電極を準備し、関数発生器の出力をACパワーアンプの入力に接続することです。次に、の出力を接続します amplifierを電極線に接続します。セットアップのすべての電線と表面を電気テープで覆い、ユーザーが衝撃にさらされる可能性から保護します。
関数発生器を 1 から 1.5 メガヘルツの正弦波出力を生成するように設定します。DEPを開始して、このセットアップでセルとビーズのソートを開始します。入口チャネルは右側にあり、3つのターゲットチャネルは分岐ジャンクションで分離しています。
PCB電極は、層流なしおよびDEPなしの黒いストライプに対応します。ビーズは、DEPの開始時には基本的に静止していますが、流れはありません。層流がオンのとき、ビーズはPCB電極に向かって移動し、電極間のスペースから離れます。
しかし、DEPはオフであり、入口チャネルを流れるビーズは3つのターゲットチャネルに分割されます。DEPが開始され、層流がオンの場合、ビーズは中央チャネル内のみを流れるように作動します。次のビデオでは、マイクロ流体デバイスをPCB電極の上で回転させ、チャネルの向きを変えています。
PCB電極に関して。以前はPCB電極に対して垂直であったインレットチャネルは、層流がオンの電極とほぼ平行になりました。しかし、ビーズから外れたDEPは、3つのターゲットチャネルすべてに等しく入ります。
DEPが開始されると、ビーズは分岐点に接近し、DEPの力によってビーズは電極の上のサイドチャネルに引き込まれます。ビデオの次の図のセットは、マイクロ流体デバイス内のヒト結腸腺癌またはHT 29細胞と蛍光ビーズの混合物を示しています。この DIC イメージでは、開いた矢印は層流の方向を示し、チャネルは破線で囲まれています。
反射する金属電極は光の背景縞として見ることができ、DIC顕微鏡を使用してビーズを光らせながら画像化します。スケール強度。画像は、セルをより見やすくするために使用されます。
この図は、グロースケールの強度画像として示されていることを除いて、他の図と同じ画像であるため、ビーズだけでなく細胞も視覚化する必要があります。この図では、反射する金属電極が黄色と緑の縞模様で示されています。DEPでは、ビーズはDIC画像に示すように右チャネルから出ますが、HT29細胞はDEPを開始する前にグロースケール画像に示すように中央チャネルと左チャネルから出ます。セルとビーズの混合溶液は、1つの入口チャネルから3つの別々のターゲットチャネルに流れます。
DEPを誘導した後、ビーズと細胞は選択的に別々のチャネルに作動します。このビデオを見れば、マイクロ流体デバイス内の細胞やビーズを操作するためのダイヤル電気泳動の実装を開始する方法について十分に理解できるはずです。
概要
この記事では、プリント基板（PCB）を使用してマイクロ流体デバイス内でセルとビーズを操作するための電気泳動（DEP）の使用について説明しています。PDMSベースのマイクロ流体チャンネルをPCBと統合することで、粒子の非接触操作と分離が効果的に実証されています。
主要な研究要素
科学分野
- マイクロ流体工学
- 細胞操作
- 電気泳動
背景
- 電気泳動は、非均一な電場を使用して粒子を操作する方法です。
- プリント基板は、電極を作成するためのコスト効果の高いソリューションを提供します。
- マイクロ流体デバイスは、流体の正確な制御と粒子の操作に不可欠です。
- DEPの原理を理解することは、マイクロ流体工学での効果的な応用に不可欠です。
研究目的
- マイクロ流体応用におけるDEPの使用の実現可能性を実証すること。
- DEPシステムを設定するための段階的な手順を提供すること。
- セルとビーズの操作と分離を紹介すること。
使用した方法
- 特定の形状のPCB電極の設計と製造。
- PDMSとSU-8フォトレジストを使用してマイクロ流体チャンネルを準備すること。
- 低導電性媒体でチャンネルを満たし、テスト粒子を導入すること。
- DEPを開始するためにPCBを電源アンプとファンクションジェネレーターに接続すること。
主要な結果
- マイクロ流体デバイス内でのビーズとセルの操作の成功。
- DEPを使用した効果的な分離の実証。
- マイクロ流体応用におけるPCBの使用のための信頼性の高い方法の確立。
- DEP条件下での粒子の挙動の視覚的確認。
結論
- PCBはマイクロ流体工学におけるDEPの実用的なアプローチを提供します。
- この研究は、科学分野全体でのDEP技術のアクセシビリティを向上させます。
- DEPの原理を理解することは、電極設計の最適化に不可欠です。
よくある質問
Executive Industry Relevance
Dielectrophoresis (DEP) using printed circuit board (PCB) electrodes enables non-contact manipulation and separation of cells and beads in microfluidic systems, offering a cost-effective alternative to specialized equipment like optical tweezers. This approach supports early-stage target validation and assay development by providing precise control over particle positioning in laminar flow, reducing reliance on complex fabrication. The method enhances predictive confidence in discovery workflows by enabling reproducible, quantitative separation of biological and synthetic particles for downstream analysis.
Strategic Applications in Biopharma R&D
Early Discovery & Target Validation
- Scientific Value: Enables interrogation of cellular responses to dielectrophoretic forces, supporting functional target validation through controlled particle manipulation.
- Operational Value: Uses accessible PCB electrodes to lower barriers for implementing DEP in multidisciplinary discovery labs.
Screening & Assay Development
- Scientific Value: Facilitates preparation of standardized bead and cell suspensions in low-conductivity media for reproducible microfluidic assays.
- Operational Value: Enables scalable separation of test particles into defined channels, supporting high-throughput screening readiness.
Translational & Preclinical Research
- Scientific Value: Demonstrates separation of HT29 colon adenocarcinoma cells from beads, providing a disease-relevant system for mechanistic de-risking.
- Operational Value: Supports continuity from discovery to preclinical workflows by enabling label-free sorting of cells based on dielectric properties.
Pipeline & Workflow Integration
This method integrates into the discovery continuum by enabling early-stage hypothesis testing through controlled particle manipulation, progressing to assay development via reproducible separation, and supporting translational research via disease-relevant cell isolation.
- Discovery Biology: Supports hypothesis testing and pathway clarification by allowing precise positioning of cells and beads in microfluidic channels under DEP.
- Screening: Delivers assay readiness through standardized particle separation into target channels, ensuring consistent readouts for compound evaluation.
- Analytics: Provides quantitative dependent variable measurements via channel-specific particle collection, enabling statistical comparison of conditions.
- Translational Research: Connects to preclinical continuity by isolating disease-relevant cells (e.g., HT29) from mixed populations for further validation.
- Enterprise Reuse: Positions PCB-based DEP as a reusable platform across projects due to standardized electrode design and microfluidic assembly.
Operational & Enterprise Impact
- Scientific Value: Predictive confidence in target validation through dielectrophoretic separation of cells and beads based on intrinsic properties.
- Operational Value: Standardization and reproducibility via PCB electrode geometry and low-conductivity media protocols.
- Strategic Value: Improved go/no-go decisions by reducing mechanistic ambiguity in early-stage particle behavior studies.
- Portfolio Impact: Risk-adjusted prioritization through reliable separation data that informs advancement of cell-based assays.
Implementation Considerations
- Requires expertise in dielectrophoresis principles and electrode design to generate effective non-uniform fields.
- Depends on access to PCB fabrication facilities and PDMS microfluidic molding equipment.
- Necessitates cross-team standardization of channel dimensions, media conductivity, and frequency settings.
- Involves adaptation considerations when applying the method to different cell types or particle sizes.
- Limited by the need for vacuum degassing and plasma bonding to ensure device integrity and minimize bubble formation.
Biopharma FAQs
Chapters in this video
0:05
Title
0:58
Introduction
1:27
Prepare the PCB Electrodes
2:46
Prepare the Microfluidic Channels
5:04
Assemble the Microfluidic Channels onto the PCB Electrodes
5:53
Sort and Concentrate Beads and Cells Using DEP
7:07
Separate Beads and Cells Using DEP Actuation
9:25
Conclusion
