エラストマーのマイクロバルブの配列で制御マイクロ流体チップ
October 1st, 2007
我々は、エラストマーポリジメチルシロキサン（PDMS）ベースのフォトリソグラフィにより定義された正確なボリュームを閉じて、特色にする余分なエネルギーを必要としないマイクロバルブの配列を製造し、自動化するためのプロトコルを示す。並列subnanoliter -音量ミキサーと統合されたマイクロ流体かん流システムが提示されます。
マイクロフルイディクスは、細胞生物学者に、正確な流体処理が必要な場所でハイスループット実験を行う技術を提供します。こんにちは、ワシントン大学バイオエンジニアリング学部フォークラボのニン・チェン・リーです。今日は、PDMSマイクロバルブアレイで制御されるマイクロ流体チップの作り方をご紹介します。
デバイスは3つのレイヤーで構成されています。第1層は流体層に異なるサイズのマイクロチャンバーが含まれ、第2層は制御層に2つの層間にチャネルが含まれていることです。PMSの疎水性とコンプライアンスにより、PMS膜が薄いことがあります。
膜はその種子に対して密閉されるため、流体チャンバーを互いに隔離します。制御チャネルを介して真空を適用すると、PDMSメンブレンは以前に分離された流体チャンバーを偏向してリンクすることができます。今日は、ナノリットル以下の量のアクイ溶液をさまざまな混合比で混合できるパラレルミキサーを紹介します。
そして、私たちの研究室からの鮮明なステップでは、複数の溶液を細胞培養に大量に使用できる統合マイクロ流体システムを紹介します。さっそく始めましょう。ここでは、シリコンウェーハの上にA SUHの手首機能を備えたマスターを紹介します。
マスターは、このマスターの標準的なSUH撮影手順から製造されました。PDMSのレプリカは、何度でも作ることができます。マスターからのPDMSのリリースを容易にするには、まずマスターを初期化する必要があります。
私たちは通常、フローレンス島で働いているので、F食品を使用してマスターを初期化します、私は最初にウェーハをエーターに入れ、森の液滴を入れてから、デスクスケートチャンバーを閉じ、バキュームをオンにし、バキュームを1、2、3分間放置してからバキュームを閉じます。30分蒸発させてから、波の落下を取ります。レプリカMOD PDMSの前に、まずPDMSプレポリマーと硬化剤を10対1の比率で事前に混合する必要があります。
そこで、31グラムのプレポリマーを計量し、次に硬化剤を3.1グラム計量し、5分間完全に混合します。完成品はこれを見ました。その後、密度熱に入れて、PSが透明になるまで5〜10分間デブします。
PMSがデブするのを待っている間、制御層の領域にシリコンチューブを接着できます。シリコンチューブを選択するのは、PMSと同じコンポーネントであるため、後でデバイスに埋め込んで気密で流体タイプのシールを作成できるためです。次に、シリコンチューブの小さな部分の先端に接着剤Dセメントを少し追加し、マスターの入口領域に押し付けます。
ですから、チューブがそれらのシリコンチューブのアンプをはるかに超えないようにするには、切断するときに非常に平らでなければならず、その上に接着剤をあまり置かないでください、接着剤をどのように押しているかを説明します。では、見てみましょう。領域は、通気口と蓋を外す場所の両方に作成されます。
現在、PSが開発されました。マスターの上にPSを注ぎます。チューブを囲むPGAを引っ張るように注意してください。
今、私は流体層の特徴を持つ他のマスターに注いでいます。マスターにPSを注いだ後、彼らは5〜10分間ダストキッカーで再びデバブする必要があります。バブリング後、PMSを65〜70度のオーブンで1時間から24時間硬化させます。
なるほど、よかった。2時間後、PMSは治癒しました。次に、SUマスターからPMSデバイスを切り取り、制御層の期間を切り取ります。
チューブモードがオンの状態で、入口領域から接着剤を取り除きます。私たちのデバイスで。インレット領域は3つの層と制御層の両方に作成されますが、シリコンチューブは1つの層にのみモード化されます。
たとえば、ここでは制御レイヤーのみ。流体層へのアクセスを作成するために、シリコンチューブの下のメンブレンに穴を開けてアクセスを作成できます。つまり、この私たちは、上からすべてのデバイスにアクセスできるので、ステレオスコープや従来の倒立顕微鏡にマイク顕微鏡を簡単に行うことができます。
さあ、Cルームに入っていきます。CTM Sメンブレンを準備するために、ヘッドウェイスピナーを使用してPDFメンブレンを回転させる方法を示します。ウェーハチェックの上部にウェーハを置く前に、ボールをプラスチックグラフで覆い、ペーパータオルを下に置き、後できれいな汚れを簡単に掃除できるようにしました。
ですから、もしそれが確定したら、先ほどマスターでやったのと同じように、真空で洗浄した後、シリコンウェーハの上にPMSタクシーの約2ミリリットルを次に分注します。なぜなら、11〜12ミクロンの6膜が欲しいので、ウェーハは7,000RTMで20秒間回転します。 だから、ここでは、ウエハースが回転しているのを見ることができます。回転後、4分間85度のホットプレートにファーを置きます。これでPDMSメンブレンは硬化しました。
次に、プラズマオーブンでP DM S膜と制御層を酸化します。プラチナパワーを75%で影響し、酸素圧30PSIとインフルエンザ率5を使用します。これらのパラメータは、さまざまなアプリケーションに応じて常に調整できます。
タインをオンにし、プラズマを30秒間オンにします。次に、制御層をメンブレンの上に置きます。それらを接触させると、数分で制御層がメンブレンに接着されます。
数分後、メンブレンで制御層を剥がします。さて、これで、コントロールレイヤーを完全にクリアに揃える準備が整いました。クリーンルームにはもういないので、スコッチチップを使ってフルクリアのホコリを落とします。
また、制御層の入口領域からメンブレンを除去する必要があります。これは、下の流体層へのアクセスを可能にするためです。したがって、膜を流体層の上に配置した制御層を置きます。
すべてのチャンバー流体チャンバーとバルブを見てください。それらがすべて左から右に整列していることを確認します。整列していない場合は、コントロールレイヤーを削除してやり直すことができます。
ここでは、流体レイヤーと制御レイヤーが整列していることがわかります。次に、これらのインレットにシンナーチューブを挿入して、流体源と圧力源に接続するようにします。次に、バルブを圧力源に接続し、流体入口を流体源に接続します。
ここでは、PDMSマイクロバルブを開閉するための青色と黄色の2つの異なる色素があります。真空源と空気圧に接続された電磁弁を使用し、バルブはライトビューソフトウェアによって制御されます。今、私はバルブセット番号1を開けています。
PDMSの膜がたわみ、バルブが開いていることがわかります。次に、バルブの最初のセットを閉じて開き、2番目のセットを開いて閉じます。現在、すべてのマイクロバルブが機能しています。
マイクロ流体チャンバーに2つの異なるサイコロを充填します。バルブセット1を開け、真空を使用して2つのサイコロをチャンバーに引き込みます。チャンバーにサイコロが入ったら、バルブセット1を閉じて各チャンバーを隔離し、バルブセットをオンにします。
2 つ目は、2 つの配列のペアを混在させることです。バルブの開放と混合ミックスには、通常約1〜2分かかります。私たちは10の異なるサイズでチャンバーサイズを設計したので。
したがって、11の異なる比率の混合比があります。ですから、ミキシングが終わったら、バルブを閉めて、個々のチャンバーが見えるようにします。さまざまな混合比があります。
色は青から緑、さらに黄色に変わりました。製造されると、これらのデバイスは、薬物スクリーニングなどの生物医学エッセイや、化学化性やさまざまな濃度の化学物質や成長因子または薬物に対する細胞応答などの細胞生物学研究で使用できる可能性があります。私はクリス・シップで、統合されたマイクロ流体灌流システムであり、以前に製造で見られたデバイスと非常によく似たデバイスのデモンストレーションを行います。
唯一の主な違いは、拡散を介して混合するバルブによって分離された別々のチャンバーを持つ代わりに、収束してバルブによって制御される複数の入口、つまりマルチプレックスバルブ方式があることです。そして、私が実演するのは、バルブの選択的な作動であり、バルブはさまざまなインレットのオンまたはオフを制御します。さらに、統合されたミキシングチャンネルの操作とグラディエントのステアリングを示します。
画面の上部には、収束する16の入口があり、流れは上からこの垂直チャネルを通って、細胞培養チャンバーであるこの分岐ネットワークに流れ込むことがわかります。そのため、入口が青色の染料に切り替わり、それが流れており、チャンバーを通過する際の層流プロファイルを見ることができます。今、私たちは青と黄色の組み合わせを行っていますが、これを切り替えて反対の組み合わせを作ることができます。
勾配を右側に誘導できます。他のタイプのグラデーションを作成することもできます。現在、これはバルブの迅速な切り替えを示しているため、異なるソリューション間で非常に迅速に切り替えることができます。
現在、このホモジナイザーに青と黄色を供給していると、溶液がチャンバー内で緑色になり、任意の数の異なるインレットを切り替えることもできます。この場合、赤い入口に供給しており、これがすべての緑色の溶液の代わりになっています。今日は、マイクロフットバルブベースのデバイスを作成する方法と、サブリットル容量として異なる比率で2色の染料を混合する方法を示しました。
私たちの研究室のChrisは、さまざまなソリューションを豊富に取り揃えた統合マイクロ流体システムのデモも行いました。ご覧いただきありがとうございます、そしてあなた自身の実験に頑張ってください。
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概要
この記事では、エラストメリックポリジメチルシロキサン（PDMS）ベースのマイクロバルブアレイを作成および自動化するプロトコルを紹介します。これらのマイクロバルブは、閉じるための追加エネルギーを必要とせずに動作し、写真リソグラフィで定義された精密な容積を持ち、マイクロ流体アプリケーションを強化します。
主要な研究要素
科学の分野
- マイクロ流体工学
- バイオエンジニアリング
- 細胞生物学
背景
- マイクロ流体工学は、高スループットの実験を可能にします。
- 精密な流体処理は、細胞生物学の応用にとって重要です。
- PDMSは、その疎水性と柔軟性で知られています。
- マイクロバルブアレイは、実験の効率を向上させることができます。
研究の目的
- PDMSマイクロバルブアレイの製造を実証すること。
- これらのマイクロバルブの操作を自動化すること。
- 並列サブナノリットル容積のミキサーを提示すること。
使用した方法
- PDMSマイクロバルブアレイの製作。
- 容積を定義する光リソグラフィ技術。
- マイクロ流体灌流システムの統合。
- マイクロバルブの機能テスト。
主要な結果
- エネルギーフリーで閉じるマイクロバルブの成功的な作成。
- マイクロ流体工学における精密な容積制御の実証。
- 流体処理を強化するためのミキサーの統合。
- マイクロ流体灌流システムの検証。
結論
- 開発されたPDMSマイクロバルブアレイは、マイクロ流体応用に効果的です。
- これらのシステムの自動化は、実験のスループットを大幅に向上させることができます。
- 将来の応用には、複雑な生物学的アッセイが含まれる可能性があります。
よくある質問
Executive Industry Relevance
Microfluidic systems with elastomeric microvalve arrays address the need for precise, low-volume fluid control in early-stage discovery workflows. By enabling automated, energy-independent valve operation, these platforms support reproducible compound screening and mechanistic de-risking in target validation. The technology enhances predictive confidence in assay outcomes through volumetric precision and fluidic isolation, directly impacting go/no-go decisions in lead identification pipelines.
Strategic Applications in Biopharma R&D
Early Discovery & Target Validation
- Scientific Value: Enables interrogation of therapeutic hypotheses through precise sub-nanoliter mixing and fluidic isolation of reaction chambers.
- Operational Value: Supports automated valve actuation via computer-controlled solenoid valves, reducing manual intervention in screening workflows.
- Predictive Value: Facilitates dose-response gradient generation and chemotaxis assays, improving target confidence through quantitative phenotypic readouts.
Screening & Assay Development
- Scientific Value: Allows preparation of validated biological systems with controlled perfusion of microfluidic cell cultures for consistent compound exposure.
- Operational Value: Enables standardization of fluidic volumes and mixing ratios across replicates, enhancing assay reproducibility and scalability.
- Platform Utility: Provides a reusable microfluidic interface for high-throughput evaluation of compound libraries under defined flow conditions.
Translational & Preclinical Research
- Translational Continuity: Supports disease-relevant cell culture perfusion studies, enabling mechanistic de-risking prior to in vivo validation.
- Risk-Adjusted Advancement: Permits steering of chemical gradients and rapid solution switching to model dynamic microenvironmental cues in preclinical models.
- Biomarker Alignment: Facilitates screening of cellular responses to growth factors and drugs, supporting translational biomarker identification in discovery phases.
Pipeline & Workflow Integration
Positioned within the discovery continuum, microfluidic microvalve arrays bridge early hypothesis testing to lead identification by enabling precise fluid handling and automated perfusion systems critical for assay reliability.
- Discovery Biology: Supports hypothesis testing via isolated microchambers and programmable valve arrays for pathway clarification and target de-risking.
- Screening: Delivers assay readiness through reproducible sub-nanoliter mixing and computer-controlled perfusion of cell-based assays.
- Analytics: Generates quantitative fluidic readouts (e.g., mixing ratios, perfusion rates) that enable comparative analysis across experimental conditions.
- Translational Research: Connects discovery to preclinical workflows via integrated perfusion systems modeling tissue-level fluid dynamics.
- Enterprise Reuse: Fabricated via replica molding from SU-8 masters, allowing scalable production of standardized microfluidic platforms across projects.
Operational & Enterprise Impact
- Scientific Value: Predictive confidence through precise volumetric control and reduction of fluidic variability in biological assays.
- Operational Value: Standardization and reproducibility via automated valve control and bonded PDMS layer architecture.
- Strategic Value: Improved go/no-go decisions via reliable dose-response generation and reduced false positives in screening campaigns.
- Portfolio Impact: Risk-adjusted prioritization through mechanistically de-risked target validation and assay reproducibility.
Implementation Considerations
- Requires expertise in PDMS microfluidic fabrication, photolithography, and plasma bonding techniques.
- Depends on access to vacuum/pressure sources, solenoid valves, and computer-controlled automation software (e.g., LabVIEW).
- Necessitates cross-team standardization of chip design, valve actuation protocols, and fluidic interface specifications.
- Involves adaptation considerations for different cell types, channel geometries, and biocompatible surface treatments.
- Practical limitations include manual alignment steps during assembly and potential PDMS absorption of small hydrophobic compounds.
Biopharma FAQs
Chapters in this video
12:02
Computer-controlled Opening and Closing of PDMS Microvalves by Vacu
9:11
Plasma Bonding Control and Valve Layers
0:00
Title
7:05
Preparing the Thin PDMS Valve Layer
1:52
The SU-8 Master
15:09
An Integrated Microfluidic System for Computer Controlled Perfusion
10:37
Aligning Control and Fluidic Layers
0:18
Introduction
2:51
PDMS Replica Molding
17:32
Conclusion
