멀티 채널 Microfluidic 장치에서 분리 비즈와 세포 Dielectrophoresis와 층류를 사용하여
February 4th, 2011
Dielectrophoresis (DEP)는 세포를 조작하는 효과적인 방법입니다. 인쇄 회로 기판 (PCB)은 microfluidic 장치 이내에 연락이없는 세포 조작을위한, 재사용 가능한 저렴하고 효과적인 전극을 제공할 수 있습니다. PCBs에 coverslips와 PDMS 기반 microfluidic 채널을 결합하여, 우리는 다채널 microfluidic 장치 내에서 구슬과 세포 조작과 분리를 보여줍니다.
이 절차의 전반적인 목표는 인쇄 회로 기판 또는 PCB를 사용하여 D 전기 영동 또는 DEP를 사용하여 미세 유체 장치 내의 세포와 비드를 조작하는 것입니다. 이것은 먼저 PCB 전극과 미세유체 채널을 설계하고 준비함으로써 달성됩니다. 절차의 두 번째 단계는 PCB 미세유체 어셈블리와 비드 및 셀 솔루션을 준비하는 것입니다.
절차의 세 번째 단계는 전도성이 낮은 매체로 채널을 채운 다음 비드와 셀을 로드하는 것입니다. 절차의 마지막 단계는 PCB 어셈블리를 전력 증폭기 및 함수 발생기와 연결한 다음 DEP를 시작하는 것입니다. 궁극적으로 DEP를 사용하여 미세 유체 장치에서 세포와 비드의 분리 및 조작을 보여주는 결과를 얻을 수 있습니다.
일반적으로 이 방법을 처음 접하는 개인은 원하는 세포 또는 비드 조작을 위해 미세유체 장치와 함께 작동하는 효과적인 전극을 개발하기 위해 사용자가 DEP의 원리를 이해해야 하기 때문에 어려움을 겪을 것입니다. 다른 한편으로는, 전극으로 PCBs를 사용하여, microfluidic 장치에 있는 세포와 구슬 actuation를 과학적인 분야의 범위에 접근하기 쉽게 하십시오. 이 절차의 첫 번째 단계는 인쇄 회로 기판 또는 PCB 전극을 불균일한 전기장을 생성하기 위해 원하는 형상을 갖도록 설계
하는 것입니다.설계가 완료되면 상업용 제조 시설을 통해 맞춤형 PCB 전극 칩을 주문하십시오. 맞춤형 PCB가 도착하면 이를 열고 이 데모를 위해 검사합니다. PCB의 길이는 8.4cm, 너비는 2.1cm입니다.
금속 전극의 너비는 5mm입니다. 이 예에서 전극에는 두 개의 긴 금속 스트립과 전극이 교차하는 두 개의 4.5mm 길이의 교차 영역이 있습니다. 이러한 교차 영역은 자극기에서 PCB 전극까지 연결을 생성하기 위해 강한 불균일 전기장을 생성합니다.
전극 끝에 16게이지 와이어를 놓습니다. 뜨거운 납땜 인두를 사용하여 PCB의 금속 영역에 와이어를 제자리에 고정합니다. 이것은 와이어를 가열합니다.
가열된 와이어에 땜납을 잡고 소량의 땜납이 전선으로 흐르도록 합니다. 와이어에 땜납을 채운 후 땜납이 냉각되는 동안 전선을 제자리에 고정하고 있는 납땜 인두를 제거합니다. PCB의 다른 전기 연결에 대해 납땜 과정을 반복합니다.
다음 단계는 원하는 분기 패턴으로 미세유체 채널을 준비하는 것입니다. 표준 마이크로 제조 기술을 사용하여 실리콘 웨이퍼와 SU 8 포토레지스트를 사용하여 채널을 정의하는 마스터 금형을 만듭니다. 이 마스터 금형에는 1개의 입력 채널과 3개의 타겟 채널이 있습니다.
채널의 너비는 100마이크로미터이고 채널의 높이는 27마이크로미터입니다. 마스터 몰드가 생성되면 폴리메틸 LAANE 또는 PDMS 엘라스토머를 경화제와 10:1로 혼합하여 5분 동안 중량 비율을 기다립니다. 조립식 SU eight 마스터 몰드에 액체 PDMS를 붓고 액체 PDMS를 진공 상태에 3분 동안 노출시켜 기포를 제거합니다.
모든 기포를 완전히 제거하려면 필요한 경우 진공 과정을 반복하십시오. 필요한 경우 질소 가스 흐름을 사용하여 여분의 기포를 제거할 수 있습니다. PDMS를 섭씨 70도의 오븐에서 2시간 동안 경화시킵니다.
면도날을 사용하여 웨이퍼에서 미세유체 채널이 있는 P-D-M-S-S 실험실을 제거합니다. 채널 공간이 위로 올라간 상태에서 웨이퍼가 깨지지 않도록 주의합니다. 생검 펀치를 사용하여 유체와 세포를 미세유체 장치에 주입하기 위한 구멍을 뚫습니다. 다듬다.
초과 PDMS. 미세유체 장치를 검사하여 먼지와 파편이 없는지 확인하십시오. 3M 스카치 매직 테이프를 사용하여 PDMS를 청소합니다.
PDMS 채널과 80-130마이크로미터 두께의 깨끗한 0번 커버 슬립을 플라즈마 가스에 1.5분 동안 노출시킵니다. 페트리 접시 플라즈마 본드에서 플라즈마 클리너에서 PDMS 실험실과 커버 슬립을 제거하고, 커버 슬립을 기반으로 하는 PDMS 미세유체 채널은 최소 15분 동안 섭씨 100도로 설정된 핫 플레이트에서 커버 슬립 미세유체 어셈블리를 가열합니다. 미세유체 장치 준비의 마지막 단계는 PDMS 채널을 배치하고 PCB의 전극 위에 슬립을 덮는 것입니다.
PCB에 약 10마이크로리터의 미네랄 오일을 놓고 시작합니다. PCB와 커버 슬립 사이의 긴밀한 접촉을 보장하려면 커버 슬립 미세유체 채널 어셈블리를 커버 슬립과 함께 오일링된 PCB에 놓습니다. 오일과 접촉하여 커버 슬립 미세유체 어셈블리를 부드럽게 눌러 접촉이 양호한지 확인하고 세포 및 비드 시각화를 방해할 수 있는 기포를 최소화합니다.
또 다른 중요한 단계는 저전도성 매체 혼합물, 8.5% 자당 및 0.3% 포도당 중량을 탈이온수에서 부피 대비 준비하는 것입니다. microfluidic 장치는 지금 피펫을 사용하여 각 microfluidic 수로를 15에서 20 microlits의 낮은 전도성 매체로 채우기 필요하다면 사용하기 위하여 준비되어 있습니다. 진공 흡입을 사용하여 채널의 기포를 제거합니다.
다음 단계는 테스트 입자를 미세유체 장치에 도입하는 것입니다. 이 시연은 낮은 전도성 매체의 마이크로리터당 550개의 폴리스티렌 비드의 현탁액을 사용하며, 비드는 시간이 지남에 따라 침전되고 교반으로 비드를 현탁할 수 있습니다. 그런 다음 피펫을 사용하여 200 마이크로 리터의 폴리스티렌 비드 현탁액을 채널에 도입합니다.
다음 단계는 전극을 준비하고 함수 발생기의 출력을 AC 전력 증폭기의 입력에 연결하는 것입니다. 그런 다음 증폭기의 출력을 전극선에 연결합니다. 사용자가 충격에 노출되지 않도록 보호하기 위해 설정의 모든 전선과 표면을 전기 테이프로 덮으십시오.
1에서 1.5MHz의 사인파 출력을 생성하도록 함수 생성기를 설정합니다. DEP를 시작하여 이 설정에서 셀과 비드 정렬을 시작합니다. 입구 채널은 오른쪽에 있고 3개의 타겟 채널은 삼분기 접합부에서 분리됩니다.
PCB 전극은 층류가 없고 DEP가 없는 검은색 줄무늬에 해당합니다. 비드는 DEP 시작 시 기본적으로 고정되어 있지만 흐름은 없습니다. 비드는 층류가 켜져 있을 때 PCB 전극 쪽으로 이동하고 전극 사이의 공간에서 멀어집니다.
그러나 DEP는 떨어져 있습니다, 인레트 수로를 통해서 흐르는 구슬은 3개의 표적 수로 사이에서 분할됩니다. DEP가 시작되고 층류가 켜져 있으면 비드가 중앙 채널에서만 흐르도록 작동됩니다. 다음 비디오에서는 미세 유체 장치를 PCB 전극 위로 회전시켜 채널의 방향을 변경했습니다.
PCB 전극과 관련하여. 이전에 PCB 전극에 수직이었던 입구 채널은 이제 층류가 켜진 전극과 거의 평행합니다. 그러나 비드 오프 DEP는 세 가지 대상 채널 모두에 동일하게 들어갑니다.
DEP가 시작되면 비드가 삼분기 지점에 접근하고 DEP 힘이 비드를 전극 위의 측면 채널로 당깁니다. 비디오의 다음 그림 세트는 인간 결장 선암종 또는 HT 29 세포와 미세유체 장치에서 형광 비드의 혼합물을 보여줍니다. 이 DIC 이미지에서 열린 화살표는 층류 흐름을 식별하고 채널은 점선으로 윤곽선이 표시됩니다.
사려깊은 금속 전극은 밝은 배경 줄무늬로 보일 수 있습니다, DIC 현미경 검사법은 놀고 있는 동안 구슬을 심상하기 위하여 이용됩니다. 스케일 intensity. 이미지는 세포를 더 잘 보이게 하는 데 사용됩니다.
이 그림은 글로우 스케일 강도 이미지로 표시된 점을 제외하고는 다른 그림과 동일한 이미지이므로 구슬뿐만 아니라 세포를 시각화해야 합니다. 이 그림에서 반사 금속 전극은 노란색과 녹색 줄무늬로 표시됩니다. DEP를 사용하면 비드가 DIC 이미지에 표시된 대로 오른쪽 채널을 빠져나가는 반면, HT 29 셀은 DEP를 시작하기 전에 글로우 스케일 이미지에 표시된 대로 중앙 및 왼쪽 채널을 빠져나가며, 셀과 비드의 혼합 용액은 하나의 입구 채널에서 3개의 개별 타겟 채널로 흐릅니다.
DEP를 유도한 후 비드와 세포는 별도의 채널로 선택적으로 작동됩니다. 이 비디오를 시청한 후, 미세 유체 장치 내에서 세포와 비드의 조작을 위한 다이얼 전기영동을 구현하는 방법을 잘 이해해야 합니다.
개요
이 기사는 인쇄 회로 기판(PCB)을 사용하여 미세 유체 장치 내에서 세포와 비드를 조작하기 위한 비균일 전기장을 사용한 유전분극(DEP)의 사용에 대해 논의합니다. PDMS 기반의 미세 유체 채널과 PCB를 통합함으로써, 입자의 효과적인 비접촉식 조작 및 분리가 입증됩니다.
주요 연구 구성 요소
과학 분야
- 미세 유체 공학
- 세포 조작
- 유전분극
배경
- 유전분극은 비균일 전기장을 사용하여 입자를 조작하는 방법입니다.
- 인쇄 회로 기판은 전극을 만드는 비용 효율적인 솔루션을 제공합니다.
- 미세 유체 장치는 유체 흐름 및 입자 조작의 정밀한 제어에 필수적입니다.
- 유전분극 원리를 이해하는 것은 미세 유체 공학에서의 효과적인 응용을 위해 중요합니다.
연구 목적
- 미세 유체 응용에서 PCB를 사용하는 것의 타당성을 입증합니다.
- DEP 시스템 설정을 위한 단계별 절차를 제공합니다.
- 세포 및 비드의 조작 및 분리를 보여줍니다.
사용된 방법
- 특정 형상의 PCB 전극을 설계하고 제조합니다.
- PDMS 및 SU-8 광 저항제를 사용하여 미세 유체 채널을 준비합니다.
- 저 전도성 매체로 채널을 채우고 시험 입자를 도입합니다.
- PCB를 전원 증폭기 및 함수 생성기에 연결하여 DEP를 시작합니다.
주요 결과
- 미세 유체 장치 내에서 비드 및 세포의 성공적인 조작.
- DEP를 사용한 효과적인 분리의 입증.
- 미세 유체 응용에서 PCB를 사용하는 신뢰할 수 있는 방법의 확립.
- DEP 조건 하에서 입자 행동의 시각적 확인.
결론
- PCB는 미세 유체 공학에서의 DEP를 위한 실용적인 접근법을 제공합니다.
- 이 연구는 과학 분야 전반에서 DEP 기술의 접근성을 향상시킵니다.
- DEP 원리를 이해하는 것은 전극 설계를 최적화하는 데 필수적입니다.
자주 묻는 질문
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
