Microfluidic 장치에 수동 펌핑을위한 고속 비말 기반 전달 시스템

수동 펌핑은 배출구에 큰 방울을 놓고 입구에 작은 방울을 놓아야 합니다. 이로 인해 흐름을 구동하는 데 필요한 압력 차이가 발생합니다. 서로 다른 유체를 번갈아 떨어뜨리면 패킷이 채널에서 비행하고 결국 배출구에서 수집됩니다.

높은 유속은 유입구에서 안정적인 유체 쉘을 달성할 수 있을 만큼 충분히 높은 주파수에서 소량의 액적을 전달함으로써 달성할 수 있습니다. 안녕하세요, 저는 위스콘신 의과대학 의생명공학과 저스틴 윌리엄스 연구실의 페드로 레토입니다. 저는 윌리엄스 연구소의 브라이언 모건입니다.

저는 S Lab 교수의 Aaron Burier이며, 역시 W Medicine의 생물의학 공학과에 재직 중입니다. 오늘 우리는 미세유체 장치에서 수동 펌핑을 수행하는 절차를 보여 드리겠습니다. 우리 실험실에서는 이 절차를 사용하여 마이크로 채널 내의 흐름을 연구하고 생물학적 응용을 위해 채널 내 유체 교환을 연구합니다.

시작하겠습니다. 먼저, 소프트 리소그래피 기술을 사용하여 폴리메틸 수복손을 사용하여 미세유체 장치를 만듭니다. 그런 다음 장치를 잘라낸 다음 되돌릴 수 있습니다.

PDMS 장치를 슬라이드에 눌러 기포를 짜내어 유리 슬라이드에 부착합니다. 뒤집을 수 있는 부착물을 사용하면 장치를 여러 번 재사용할 수 있습니다. 이제 장치에 액체를 채우십시오.

우리는 식용 색소와 함께 물을 사용합니다. 액체가 자체적으로 채널로 들어가지 않으면 입구에 액체 한 방울을 놓고 반대쪽 끝에 있는 피펫을 사용하여 채널을 통해 액체를 빨아들입니다. 장치에 액체를 채운 후 입구에 작은 방울을 떨어뜨리고 출구에 더 큰 방울을 떨어뜨립니다.

배출구 방울이 커지는 동안 입구의 작은 방울이 무너지는 것을 관찰하여 유체가 움직이고 있는지 확인하십시오. 더 진행하기 전에 수동 펌핑의 기본 관계를 설명하겠습니다. 펌핑된 방울의 역학은 여러 가지, 높이와 길이가 있는 채널 치수, 그리고 입구에 배치된 방울의 크기에 따라 달라집니다.

이러한 요인이 흐름에 미치는 영향에 대한 더 나은 아이디어를 제공하기 위해 몇 가지 예를 들어 보겠습니다. 두 개의 유사한 채널부터 시작하겠습니다. 너비와 높이는 같지만 하나가 다른 것보다 깁니다.

이제 각 채널의 입구에 동일한 크기의 방울을 배치합니다. 짧은 채널 유입구 드롭이 긴 채널 드롭보다 더 빨리 무너지는 방식을 관찰하십시오. 이는 채널이 길수록 유체 저항이 크고 채널 내부의 흐름이 느리기 때문입니다.

다음으로, 길이와 높이는 같지만 너비가 다른 두 개의 채널을 더 살펴보겠습니다. 각 채널의 입구에 동일한 방울을 놓고 무너지는 것을 지켜보겠습니다. 더 얇은 채널이 흡입구 드롭을 축소하는 데 얼마나 오래 걸리는지 보십니까?

이는 얇은 채널이 넓은 채널보다 더 큰 유체 저항을 갖기 때문입니다. 마지막으로, 두 개의 동일한 채널을 취하여 각각의 입구에 서로 다른 크기의 방울을 배치해 보겠습니다. 큰 입구 방울이 작은 입구 방울보다 축소되는 데 시간이 더 오래 걸리는 것을 주목하십시오.

이는 작은 방울이 큰 방울보다 부피가 적고 내부 압력이 크기 때문입니다. 작은 방울이 큰 방울보다 낫다는 것을 알고 있습니다. 그리고 이러한 작은 방울이 얼마나 빨리 무너질 수 있는지 관찰한 후, 우리는 이제 생물학적 실험을 수행할 수 있는 방식으로 채널의 입구에 체적 측정적으로 정밀한 방울을 전달하는 방법을 자문합니다.

Lee Company의 마이크로 디스펜싱 시작 키트를 사용하여 각각 볼 밸브, 오리피스 크기가 0.0100인치인 노즐 및 소프트 튜브 어댑터로 구성된 하나 이상의 밸브를 조립합니다. 여기 우리는 이전 단계에서 했던 튜브 밸브 커넥터를 통해 제어 상자에 연결된 밸브를 가지고 있습니다. 그리고 스파이크 전압 소스가 있는데, 이것이 바로 여기 있는 루트입니다.

그런 다음 제어 전압 소스가 있고 그 다음에 보류 전압 소스가 있습니다. 그리고 마지막으로, 접지와 관련하여 입구를 조준하면서 밸브를 제자리에 고정합니다. 생명 과학 도구, 미니어처 홀더를 사용하십시오.

이는 밸브를 특정 위치에서 정확하게 조준하고 유지하는 방법을 제공합니다. 실험하는 동안 3/4온스 주사기를 사용하여 PDMS 장치에서 몇 피트 위에 저장 시스템을 배치합니다. 저장소는 노즐을 구동하기 위한 압력 헤드를 제공합니다.

주사기에 주사기 바늘을 부착합니다. 이제 주사기 바늘을 1.14mm 내부 튜브에 연결한 다음 1.58mm 내경 튜브에 연결합니다. PDMS를 실란트로 사용.

이제 1.58mm 내경 튜브를 밸브의 소프트 튜브 어댑터에 연결합니다. 이제 주사기 바늘과 밸브 사이에 선이 생겼으므로 주사기 저장통에 액체를 채워 밸브를 퍼지하고 튜브에 물을 채울 수 있습니다. 밸브 측면에 자석을 놓고 액체가 저장소에서 밸브를 통해 0.01인치 노즐로 흘러나오기 시작하는 것을 지켜보십시오.

우리는 랩 뷰와 Lee Company의 스파이크 및 홀드 컨트롤 박스를 사용하여 컴퓨터로 이 시스템을 제어합니다. 시스템을 보정하려면 계량을 위해 하나의 밸브를 페트리 접시 또는 유청 보트에 조준하십시오. 이제 선택한 시간 동안 밸브를 열고 노즐에서 나오는 물의 총량을 측정하십시오.

이 볼륨을 시스템의 총 개방 시간으로 나눕니다. 이 보정을 통해 사용자는 주어진 시간 동안 노즐에서 뿜어져 나오는 물의 양을 찾을 수 있습니다. 시스템을 보정한 후 노즐의 이전 보정 촬영을 기반으로 노즐을 채널 입구로 조준하며, 너무 커서 엉망이 되거나 너무 작아서 눈에 띄지 않게 채널 입구에서 방울이 발사되는 부피입니다.

실험 사이에 거품을 제거하는 것을 잊지 마십시오. 이제 수동 펌핑의 기본 원리를 이해하고 시스템 캘리브레이션에 대해 설명했으므로 작업이 올바르게 진행되고 있는지 사용자가 확인해야 할 사항을 살펴보겠습니다. 다음 비디오는 낮은 주파수에서 더 높은 볼륨에서 높은 주파수에서 낮은 볼륨으로 이동하는 미세유체 채널을 통한 흐름입니다.

이를 통해 사용자는 자동화된 유체 전달 시스템과 함께 과거 펌핑의 기능을 이해할 수 있습니다. 다음 비디오에서 사용되는 장치 크기는 너비 2.22mm, 길이 10mm 및 260마이크로미터입니다. 높이 입구 및 출구 직경은 각각 1.78mm와 5.11mm입니다.

그림과 같이 교대 흐름을 생성하려면 두 개 이상의 밸브가 필요합니다. 다음은 현재 사용 중인 장치에서 가능한 최대 유량을 보여주는 비디오입니다. 이 경우 유체를 전달하기 위해 단일 밸브가 사용됩니다.

시스템 균형을 유지하려면 흡입구 상단에서 직접 밸브를 조준하는 것이 중요합니다. 입구에서 방울이 형성되는 껍질을 확인하십시오. 이는 장치가 수동적으로 펌핑할 수 있는 만큼 빨리 입구로 물을 전달하여 유지되는 일정한 압력을 나타냅니다.

또한 입구 방울이 특정 지점에서 어떻게 오버플로되는지 확인하십시오. 이것은 배출구 낙하인 섭동으로 인해 발생할 가능성이 큽니다. 입구에서 오버플로를 제거함으로써 시스템은 평형을 되찾고 흐름이 계속됩니다.

일반적으로 시중에서 판매되는 마이크로 노즐을 사용하여 수동 펌핑 시스템을 설정, 교정 및 작동하는 방법을 보여드렸습니다. 이러한 실험을 수행할 때 기포가 채널로 유입되는 것을 방지하기 위해 일정한 압력 소스를 보유하고, 원하는 흐름과 교환을 달성하기 위해 채널 형상, 입자 크기 간의 절충점을 아는 것이 항상 중요합니다. 예를 들어, 배출구가 너무 커지지 않도록 하면 엉망이 되거나 흡입구에 도달하여 PDMS 장치를 깨끗하고 건조하게 유지할 수 있습니다.

그게 다야. 시청해 주셔서 감사드리며 실험에 행운을 빕니다.