微粒子濃度のための空気圧駆動マイクロ流体プラットフォーム
2022年2月1日
本プロトコルは、効率的な微粒子濃縮に使用できる空気圧マイクロ流体プラットフォームを記述している。
このプロトコルは、粒子の目詰まりや複雑な構造などの欠点を克服する多粒子濃度のための空気圧駆動マイクロ流体プラットフォーム上で製造および操作する当社の方法を説明しています。この方法により、無制限の数の粒子を処理し、多数の小さな粒子に集中し、不要な細胞損傷を防ぎ、エントロピー効率を高めることができます。生物学的分析の重要性のために、マイクロ流体および生物医学的マイクロエレクトロメカニカルシステム技術は、マイクロ材料の精製および収集のための装置を開発および研究するために使用される。
まず、事前に準備された空気圧バルブチャンネルSU8金型を使用して、バルブを空気圧制御するためのPDMS層を複製します。10ミリリットルの液体PDMSと1ミリリットルの硬化剤を調製した空気圧バルブ流路型に注ぎ、摂氏90度で30分間熱活性化する。PDMS構造が硬化したら、SU8金型を分離します。
1.5ミリメートルの穿刺を使用して、3つの1.5ミリメートルの空気圧ポートを空気圧バルブチャネルにパンチします。10ミリリットルの液体PDMSと1ミリリットルの硬化剤を清潔なSU8金型に注ぎます。スピンコーターを用いて毎分1500回転で15秒間スピンコートし、その後、摂氏90度で30分間熱活性化する。
PDMS構造が硬化した後、SU8金型を分離します。PDMS構造物を大気プラズマで20秒間処理する。顕微鏡を用いて、プラズマ処理したPDMS構造体をチャネル構造に従って位置合わせする。
整列したPDMS構造を90°Cで30分間加熱して接着する。1.5ミリメートルの穿刺を使用して、薄いダイヤフラム層に接着された空気圧チャネル部分内の流体チャネル入口および出口に直径1.5ミリメートルの穴を開ける。2つのSU8金型を使用してPDMS層の両側を複製し、マイクロ流体チャネルを作成します。
前面に湾曲した長方形のマイクロ流体チャネルモールドを使用し、背面にマイクロ流体相互接続チャネルモールドを使用します。10ミリリットルの液体PDMSと1ミリリットルの硬化剤を湾曲した長方形のマイクロ流体流路型に注ぎ、毎分1200回転で15秒間スピンコートした後、摂氏90度で30分間熱活性化することにより、湾曲した流体チャンバと流体チャネル用の型を作成します。マイクロ流体チャネルが形成されるPDMS層を分離する。
その後、大気プラズマで20秒間処理し、ガラスウェハに貼り合わせて密閉された通気壁を覆う熱活性化型を作ります。3ミリリットルの液体PDMSをSU8金型の相互接続チャネルに注ぎます。相互接続流路金型で作製した構造体を、マイクロ流体相互接続流路金型上に液体PDMSで配置する。
その後、重ね合わせた構造体を摂氏130度で30分間乾燥させた。硬化後、マイクロ流体チャネル網層から前面SU8金型を取り外し、背面PDMS金型を慎重に剥離します。10ミリリットルの液体PDMSと1ミリリットルの硬化剤をきれいなSU8金型に注ぎ、摂氏90度で30分間加熱活性化します。
PDMS構造が硬化した後、SU8金型を分離します。PDMSマイクロ流体相互接続チャネルモールドを大気プラズマで20秒間処理します。顕微鏡を用いて、チャネル構造に従ってプラズマ処理したPDMS構造を位置合わせする。
整列したPDMS構造を90°Cで30分間加熱して接着する。このプロセス中に作製したPDMS構造をチャネル構造に従って整列させ、大気プラズマで20秒間処理して接合する。10ミリリットルのシリンジを使用して、マイクロ流体チャネルを気泡のない脱塩水で満たします。
作動流体の圧力とマイクロビーズの流れを制御する3つの空気圧バルブを制御するには、作動流体用の4つ以上の出口チャネルを備えた精密圧力コントローラをマイクロ流体プラットフォームに挿入します。蒸留水中で様々なサイズのカルボキシルポリスチレン試験粒子を調製する。作動流体の流量を制御するには、ガラス瓶の半分に水を満たし、ガラス瓶キャップをコントローラ出力チャネルとマイクロバルブに接続します。
倒立顕微鏡を使用して、すべてのプラットフォームの動作を観察し、液体流量計によって出口での経時的な動作流量を測定します。粒子または流体混合物を、粒子バルブを備えた入口で圧力下で注入する。CIVバルブに15キロパスカルで圧力をかけ、パーティクルバルブに18キロパスカルで圧力を加えてバルブを作動させます。
粒子が濃縮されたら、流体バルブにのみ圧力をかけます。流体の流量を4段階のプラットホーム操作に分割した。第1段階は装填状態であった。
作動流体および粒子は、マイクロ流体チャネルネットワークが構造対称性を示したのとほぼ同じであった。第2段階はブロッキング状態であった。流路が狭くなり、出口ポートで測定された流量は油圧抵抗によって減少した。
第3段階は濃縮状態であった。測定されたQPはゼロに近く、QFはブロッキング状態の約1.42倍であった。最終段階はリリース状態でした。
結果として得られた流量と集中速度は、空気圧バルブでプログラムされたシーケンシャル作動が流量変化のためにうまく機能することを証明しました。CIVバルブおよびパーティクルバルブを閉じたときに粒子を濃縮して収集領域に蓄積し、流体バルブのみを閉じたときに4秒以内に収集された濃縮粒子をすべて放出した。この手順の重要な部分は、PDMS層が空気層のもう少しの圧力によって移植される背面構造を硬化させることである。
そして、変形した膜層が突然活性化される。このプラットフォームは、操作が物理的粒子の特性の影響を受けないため、非常に濃縮された直鎖および懸濁した生体粒子の自動前処理に使用することができる。
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概要
このプロトコルは、効率的な微粒子濃縮のために設計された空気圧マイクロ流体プラットフォームを説明しています。粒子の詰まりや複雑な構造などの課題に対処し、細胞損傷を最小限に抑えながら、多数の小さな粒子を処理することを可能にします。
主要な研究構成要素
科学の分野
- マイクロ流体工学
- バイオメディカルエンジニアリング
- 粒子濃縮技術
背景
- 空気圧マイクロ流体システムは、粒子の操作を向上させます。
- 従来の方法では詰まりの問題に直面することが多いです。
- マイクロエレクトロメカニカルシステム（MEMS）はデバイス開発において重要です。
- 効率的な粒子濃縮は生物学的分析にとって重要です。
研究の目的
- 空気圧マイクロ流体プラットフォームを製作すること。
- 微粒子濃縮効率を向上させること。
- 処理中の望ましくない細胞損傷を防ぐこと。
使用した方法
- SU8モールドを使用したPDMS構造の製作。
- 粒子操作のための弁の空気圧制御。
- 構造安定性のためのPDMSの硬化剤による加熱。
- プラットフォームの濃縮効率のテスト。
主な結果
- 複数の小さな粒子を成功裏に濃縮しました。
- 従来の方法で見られる詰まりの問題を克服しました。
- 濃縮プロセス中の細胞の生存率を維持しました。
- 粒子処理のエントロピー効率を向上させました。
結論
- 空気圧マイクロ流体プラットフォームは微粒子濃縮に効果的です。
- この方法は様々な生物学的分析に適用できます。
- 将来の応用により、バイオメディカルデバイスの効率が向上する可能性があります。
よくある質問
Executive Industry Relevance
This pneumatically driven microfluidic platform addresses key challenges in early-stage biopharma R&D by enabling efficient concentration of micro-particles without clogging or cellular damage. It supports target validation and assay development workflows by providing a reproducible method for isolating and enriching analytes from complex biological matrices. The technology enhances predictive confidence in lead identification by ensuring consistent sample preparation, reducing variability that can confound downstream screening and mechanistic studies.
Strategic Applications in Biopharma R&D
Early Discovery & Target Validation
- Scientific Value: Enables interrogation of therapeutic hypotheses through precise concentration of biomarkers or therapeutic targets from heterogeneous samples.
- Operational Value: Reduces sample loss and improves detection sensitivity for low-abundance analytes critical in target validation.
- Predictive Value: Supports mechanistic de-risking by delivering consistent particle enrichment for functional assays and pathway analysis.
Screening & Assay Development
- Scientific Value: Prepares validated biological systems for downstream screening by removing interferents and concentrating analytes of interest.
- Operational Value: Enhances assay standardization and reproducibility through controlled, valve-driven sample processing.
- Scalability: Enables processing of unlimited particle numbers, supporting high-throughput screening campaigns.
Translational & Preclinical Research
- Translational Continuity: Maintains sample integrity from discovery through preclinical validation by preventing unwanted cell damage during concentration.
- Risk-Adjusted Advancement: Supports reliable biomarker alignment and disease-relevant system modeling through consistent sample preparation.
- Mechanistic De-risking: Increases confidence in preclinical data by minimizing pre-analytical variability introduced during sample handling.
Pipeline & Workflow Integration
The platform integrates into the discovery continuum from early target validation through lead identification and preclinical development, enabling reliable sample preparation at each stage.
- Discovery Biology: Supports hypothesis testing and pathway clarification by concentrating signaling molecules, vesicles, or cellular debris for analysis.
- Screening: Delivers assay-ready samples with reduced matrix effects, improving hit detection and structure-activity relationship confidence.
- Analytics: Provides quantitative concentration outputs that enable comparison across experimental conditions and time points.
- Translational Research: Connects discovery-phase sample processing to preclinical continuity by preserving analyte structure and function.
- Enterprise Reuse: Functions as a reusable sample preparation module across multiple projects and therapeutic areas.
Operational & Enterprise Impact
- Scientific Value: Increases predictive confidence in target validation by reducing false negatives from analyte loss during processing.
- Operational Value: Ensures reproducibility and standardization across laboratories through pneumatic control and defined operational stages.
- Strategic Value: Improves go/no-go decisions by delivering higher-quality input data for screening and mechanistic studies.
- Portfolio Impact: Enables risk-adjusted prioritization by improving the reliability of early-stage biological data.
Implementation Considerations
- Requires expertise in microfluidic device fabrication, PDMS handling, and pneumatic control systems.
- Depends on precision pressure controllers, syringe pumps, and flow rate monitoring equipment for reproducible operation.
- Necessitates cross-team standardization of valve actuation timing and pressure thresholds for consistent results.
- Requires adaptation of channel dimensions and valve timing based on target particle size and concentration goals.
- Practical limitations include the need for cleanroom-compatible fabrication and careful alignment of plasma-bonded layers to prevent leaks.
