プロトタイプ小型化フローサイトメーターおよびコンパニオンマイクロ流体混合技術の縮小重力環境ハードウェアデモンストレーション

この手順の全体的な目的は、他のセットアップにも応用可能なコンポーネントの準備および飛行中手順を用いて、低重力パラボリック飛行機搭載の小型フローサイトメーターを運用することです。これはまず、低重力環境での使いやすさと安全性を考慮し、市販品およびカスタム製作のコンポーネントを慎重に選択することで達成されます。第2のステップでは、封じ込め、観察の自動化、および複数の実証実験の円滑化のための追加要素を備えたパラボリック飛行試験装置内に、これらのコンポーネントを組み立てます。

次に、チームは綿密な計画、プロトコルの作成、およびトレーニングを通じて、飛行中の実験を成功させるための準備を行います。最終ステップは、飛行中におけるマルチコンポーネントの実証試験です。最終的に、パラボリックフライト試験を用いて、技術の宇宙応用への可能性を実証し、無重量状態での重力変化および振動が性能に及ぼす影響を特定します。

この手法はフローサイトメトリーおよび関連技術に適用可能ですが、低重力下における他の個別の診断テスト、特に複数の実演やトリガー手順を伴うものの一部にも適用できます。そこで、私たちはJO向けに放物線飛行試験に関するこのビデオを作成することにしました。というのも、NASAでの放物線飛行の準備をしていた際、実験に向けた最適な準備方法について具体的に説明したビデオや文献がほとんどなかったからです。私たちは、ここにある情報を掘り起こすために、NASA内のさまざまな部署にいる適切な担当者と連絡を取るべく、非常に多大な努力を払わなければなりませんでした。

本事例では、JoVEの読者がこれらの飛行に適切に備えることができるよう、この情報を共有したいと考えます。微小重力条件下で使用するための簡易的なフローサイトメトリーシステムを構築するには、複数の流路、光学、および電子回路のプロトタイプ構成部品が必要です。まず、システムを駆動させるため、重量と消費電力を最小限に抑えた圧力システムの準備から始めてください。

流体回路を用いて、小型空気ポンプを差圧センサに接続します。次に、空気を混入させることなく充填可能な流体ソース容器を組み立てます。この容器は、弾性ゴム製のダイアフラム、しっかりと固定できるキャップ、およびバイアル底部に空気入口チューブを備えた硬質プラスチックバイアルで構成されます。

光学接着剤を使用して、空気入口チューブの接続部を密封します。キャップ挿入中および挿入後の液体の流出を防ぐため、キャップ出口チューブに一時的なスライドクランプを装着します。バイアルに試料を充填するには、空気入口に接続したシリンジを用いてダイアフラムを拡張させます。

液を上まで注ぎ、下に空気が溜まらないようにキャップを斜めに差し込みます。アウトレットチューブ内のプライミングを行い、ダイアフラムによってかかる潰し圧力を解放するため、スライドクランプを短時間外します。空気漏れや液漏れがなく、ポンプでバイアルが加圧されていることを確認してください。

ダイアフラムを圧縮し、キャップ出口チューブから流体を押し出します。3つ目に必要なコンポーネントは、流れを妨げる背圧が発生しないように廃棄物を回収するための流体廃棄容器です。二重封じ込めに設計された、バイアル内部に接着されたバイアルを使用してください。

バイアルの蓋に、浮遊液体を捕捉しつつ客室環境との気圧平衡を可能にする固定済みフォームスポンジウィンドウを取り付け、低重力装置で使用するサンプルローダーを作成します。また、流路内の2つのOリングの間にシース装着キャピラリーを確実にクランプできるよう、ガイドレールを備えたスプリングロードクランプ設計を組み立てます。キャピラリーがない状態では、スプリングによってOリング同士が押し付けられ、流路が密閉され、漏れなくプライミングが行えることを確認してください。さらに、動作に電力を必要とする機械的サブコンポーネントに依存しないマイクロミキサーを設計します。

迅速なプロトタイプ作製のためのポリメチルメタクリレート法を用い、流動する個々の粒子を検出するために、2つの入口を持つスパイラルボルテックスマイクロミキサーを選択し作製します。市販の光学機械部品を使用して、特注で作製した手のひらサイズの小型光学ブロックを顕微鏡用ブレッドボードプレートに取り付けます。プロトタイプ組み立ての最終ステップは、デバイス制御およびデータ収集のための電子回路とソフトウェアを設計することです。

利便性と早期のプロトタイピングのため、市販のデータ収集カードに接続された手はんだ付けの部品を活用し、リグ装置を操作しすべてのデータを同期させるためのカスタムソフトウェアをコーディングおよびプログラムします。ノートパソコンのバッテリーを取り外し、電源ケーブルのみで動作するように設定してください。低重力飛行における安全上の理由から、すべての装置に電力を供給する電気電源計画には、迅速かつ完全な電子シャットダウンを行うためのメカニズムを組み込む必要があります。

飛行中。飛行中の性能を確実に確保するため、単一のオン・オフボタンを備えた1本の電源タップを航空機の電源分配パネルに接続します。利用可能な総スペースと、それを実験装置スペースと装置周囲のユーザースペースにどのように分割するかを検討する必要があります。利用可能な総スペースは、地上での同様のデモンストレーションで提供されるエリアよりも狭い範囲に制限されています。

どのコンポーネントを床に膝をついた高さで操作するのが適切か、あるいは立位の高さで操作するのが適切かを判断します。また、どのコンポーネントが支持構造による保護から最大の利益を得られるかを検討することも重要です。ここでの装置支持構造は、飛行時の加速度に耐え、目的の航空機にしっかりと固定できる垂直方向の機器ラックです。

キャビンフロアでは、ラック内の各レベルにコンポーネントを割り当てました。最上段はノートパソコンの設置用、中段はプロトタイプのサブコンポーネント用、そして最下段は予備のワイプ、手袋、および雑廃物容器の保管用としています。プロトタイプを固定・格納し、サンプルを観察するためには、プロトタイプ以外のさまざまなコンポーネントを作製または適合させる必要があります。これには、電子機器を収める特製のアクリルボックスや、フライトキャビンの汚染リスクなくローダーの実演を行うための立方体空間を確保する、アームアクセス穴付きの特製アクリルグローブボックスなどが含まれます。

マイクロミキサーのデモンストレーション動画を記録するために、カスタムアクリルチップホルダーとCCDカメラを装着したブレッドボードプレートにステレオ顕微鏡を設置します。光学ブロックを安全に実演させるため、カスタムの不透明アクリルボックスを使用して周囲の光を遮断し、レーザーハザードを制御します。単純な設計戦略をいくつか導入することで、手動でのチューブ接続や、動作中の調整、あるいは高度な器用さを必要とするその他の操作を不要にすることができます。

例えば、複数のソースファイルを同時に加圧するには、中空シリンダー、入口ニードル、および流体方向を制御するための複数の出口チューブで構成されるカスタムのマシンプレッシャーマニホールドを使用します。コンピューターを使用して、3方電磁弁のパネルを組み立てます。これは、DAQカードに配線されたタンデムMOSFETスイッチによって制御されます。

3方電磁弁には、常にデフォルトのオフポートまたはオンポートのいずれかに接続されている共通ポートがあります。オン状態への切り替えは、5 Vの信号によってトリガーされます。ラップトップ上でのシングルクリックなどの単一ボタン操作で、弁の状態を切り替えたり、ポンプの駆動圧を変更したりしてデモンストレーションを進めるようにソフトウェアをプログラムしました。

これにより、環境への漏出や混乱した環境での実験時間の損失を招く可能性がある、手動でのチューブ調整の必要性がなくなります。サンプルローダーのデモンストレーションには、サンプルのロードと、検出のための光学ブロック（OB）へのサンプル輸送が含まれます。このセットアップでは、ローダーの前後に1つずつ、計2つのバルブを使用します。

ロード中、両方のバルブをオフに設定することで、ローダーの使用中の流体の移動を防ぎます。バルブをオンにすると、生理食塩水バイアルから廃棄バイアルまで伸びる流体Xの経路が開き、ポンプによってサンプルを分析に送り出すことが可能になります。光学ブロックのデモンストレーションでは、チューブ接続を手動で変更することなく、3種類の異なるサンプルタイプを順次検出します。サンプル間では、生理食塩水を用いてシステムをフラッシュさせることができます。マイクロミキサーのデモンストレーションには、血液と生理食塩水の混合および青色と黄色の染料の混合セグメントが含まれています。

このセットアップでは、2つのバルブを用いて圧力を血液および生理食塩水バイアル、または染料バイアルのいずれかに誘導し、一度に1つの混合デモンストレーションのみが作動するようにしています。さらに別のバルブにより、血液・生理食塩水混合チップへの気泡注入が可能です。システムは、飛行中の突然の衝撃力、振動、または乗客との衝突に耐えられるように準備する必要があります。

アライメントを安定させるため、調整がずれやすいコンポーネント、特に光学系コンポーネントに速乾性エポキシ樹脂を塗布します。さらに、必要に応じて他のコンポーネントを固定するために、速乾性エポキシ樹脂の上に工業用エポキシ樹脂を塗布してください。これには、物理的な振動試験に備えた、顕微鏡IパーツへのCCDカメラの取り付け固定も含まれます。すべてのコンポーネントを配置した状態で、装置の支持構造を揺らして確認します。

装置に擾乱を与えた後、個々のコンポーネントの機能を確認してください。特に、実験中の急激な機体の水平化や装置への突然の外力など、飛行中の不測の事態に備えて調整された光学コンポーネントに注意してください。ラックにパディングを追加して、浮遊している乗員を保護してください。飛行中に装置を熟練して操作できるよう、複数の人員をプライマリオペレーターとしてトレーニングします。

パラボリックフライト中に誰が体調を崩すかは予測できず、あるユーザーは一つの飛行では影響を受けず、別の飛行で体調を崩す可能性があります。飛行場所への輸送後、装置を確認し、必要な修正を行い、航空機に搭載する前にチューブの接続を完了させてください。各飛行日に、その日のデモンストレーションに対応するサンプルバイアルを準備し、接続してください。

飛行場所によっては、セットアップから実験までの間隔が長くなる可能性や、周囲温度が高くなる可能性があるため、十分な準備を行ってください。飛行中の乗り物酔いを防ぐため、スコポラミンとテキサンプhetamineなどの提供された薬剤を服用してください。また、重力遷移に慣れるため、最初の数回のパラボラ飛行では、高重力時に床と平行にゆっくりと体を起こし、その後平らに横たわるようにしてください。飛行位置に就いた後、専用のパラボラ空域に近づいた際、リグオペレーターは高重力区間で横になれる十分なスペースを確保し、パラボラ飛行開始後にレッグストラップにアクセスできるようにしてください。

低重力環境下では、体に強い力を加えないでください。サンプルローダーのデモンストレーションを行う際に、体が急速に上昇し、危険を伴う可能性があるためです。航空機が低重力状態に入ったら、サンプル用シリンジを使用して、計数用ビーズ染料混合液を指先に1滴滴下します。指先からの採血サンプルを模して、キャピラリー消耗品を用いて指からサンプルを採取し、キャピラリーローダーにロードしてください。

検出のため、サンプルを光学系に導入します。顕微鏡下でマイクロ流体ミキサーのデモンストレーションセットアップを実施してください。血液と生理食塩水を1:1の比率で混合し、1.52345および6 PSIで、それぞれ少なくとも2つの放物線分を混合させます。

他の測定値と同期させたビデオデータの記録。ここでは、ミキサーの実演における実際の飛行中の映像を示しています。生理食塩水入口に空気を注入し、チャネル構造によって気泡が捕捉され、最適な混合が妨げられないかを確認します。混合します。

青色と黄色の食用色素を、それぞれ少なくとも2回の放物線飛行において1.52345および6 PSIで使用しました。ここに示す同期記録データは、ステレオ顕微鏡パネルに取り付けられたCCDカメラで観察した2つのマイクロミキサーの実演における代表的な結果です。パネルAは微小重力条件下での青色と黄色色素の混合を示し、パネルBは月重力条件下での血液と生理食塩水の混合を示しています。

微小重力飛行中における蛍光標識白血球の光学ブロック検出のデモンストレーションにおいて、混合状態はスパイラルの任意の箇所および出口チャネルで視覚的に評価することが可能です。フローサイトメトリーデータの重要な性能指標には、ここに示すように、ピーク強度の変動係数、信号対雑音比、ピーク計数率、および検出効率が含まれます。光学ブロック検出は、約1.5 Gからほぼ0 Gへの移行による影響を比較的受けないと考えられ、再び1.5 gに戻る移行期間中も継続して機能します。

月重力下でのローダーの実演後、添加した蛍光カウントビーズをロード済みサンプルから検出することで、サンプルが正常にロードされ、検出用の光学ブロックに到達したことが示されます。このビデオを視聴することで、パラボリックフライト（放物線飛行）機内でのデバイス試験と低重力状態の作り方、特にどのような手順が可能であるかについて、より深く理解できるはずです。綿密な計画、部品の選定、および試験の実施はすべて、実験から高い成果を得るために不可欠です。