프로토 타입 소형 흐름 사이토와 동반자 미세 유체 혼합 기술의 감소 - 중력 환경 하드웨어 데모

본 절차의 전반적인 목표는 다른 설정에도 잠재적으로 적용 가능한 구성 요소 준비 및 비행 중 절차를 사용하여, 저중력 포물선 비행 중에 소형 유세포 분석기를 작동시키는 것입니다. 이는 먼저 저중력 환경에서의 사용 편의성과 안전성을 위해 기성품 및 맞춤 제작 구성 요소를 신중하게 선택함으로써 달성됩니다. 두 번째 단계는 격리, 시각화 자동화 및 다수의 시연 촉진을 위한 추가 요소가 포함된 포물선 비행 테스트 리그 내에 구성 요소를 조립하는 것입니다.

다음으로, 연구팀은 세심한 계획 수립, 프로토콜 개발 및 교육을 통해 성공적인 비행 실험을 준비합니다. 마지막 단계는 비행 중 다중 구성 요소 시연입니다. 궁극적으로, 포물선 비행 시험은 기술의 잠재적 우주 적용 가능성을 입증하고, 무중력 상태의 중력 변화 및 진동이 성능에 미치는 영향을 확인하는 데 사용됩니다.

이 방법은 유세포 분석 및 관련 기술에 적용할 수 있을 뿐만 아니라, 저중력 상태에서의 다른 유형의 개별 진단 테스트, 특히 여러 번의 시연이나 트리거 절차가 포함된 모든 항목에 부분적으로 적용할 수 있습니다. 저희가 NASA와 함께 포물선 비행 시험을 준비할 때, 실제로 실험을 어떻게 최선으로 준비해야 하는지를 설명하는 비디오나 문헌이 거의 없었기 때문에 JO를 위해 이 영상을 제작하기로 결정했습니다. 저희는 이러한 정보를 얻기 위해 NASA 내 여러 부서의 적절한 담당자들과 소통하며 매우 열심히 노력해야만 했습니다.

이 사례에서는 JoVE의 독자들이 이러한 비행에 적절히 대비할 수 있도록 해당 정보를 공유하고자 합니다. 저중력 조건에서 사용할 수 있는 간단한 유세포 분석 시스템을 구축하려면 여러 가지 유체, 광학 및 전자 프로토타입 부품이 필요합니다. 먼저 시스템을 구동하기 위해 무게와 전력 소모를 최소화한 압력 시스템을 준비하십시오.

유체 시스템을 통해 소형 공기 펌프와 차압 센서를 연결합니다. 다음으로, 공기가 유입되지 않도록 충전 가능한 유체 공급 용기를 조립합니다. 이 용기는 탄성 고무 다이아프램, 단단히 고정 가능한 캡, 그리고 용기 하단의 공기 유입 튜브가 포함된 단단한 플라스틱 바이알로 구성됩니다.

광학 접착제를 사용하여 공기 유입 튜브 연결 부위를 밀봉합니다. 캡 삽입 중 및 삽입 후 액체가 배출되는 것을 방지하기 위해 캡 배출 튜브 위에 임시 슬라이드 클램프를 설치합니다. 바이알을 로드하려면 공기 유입구에 연결된 주사기를 사용하여 다이아프램을 확장하십시오.

액체를 상단까지 붓고, 아래쪽에 공기가 갇히지 않도록 캡을 비스듬히 삽입하십시오. 배출 튜브를 프라이밍하고 다이어프램에 의해 가해지는 압착 압력을 해제하기 위해 슬라이드 클램프를 잠시 제거하십시오. 공기나 액체 누출 없이 펌프가 바이알을 가압하는지 확인하십시오.

다이어프램을 압축하여 캡 배출 튜브 밖으로 유체를 흐르게 합니다. 세 번째로 필요한 구성 요소는 흐름을 저해하는 배압이 발생하지 않도록 폐액을 수집하는 유체 폐기물 컨테이너입니다. 이중 밀폐용으로 설계된 바이알 내부에 접착제로 고정된 바이알을 사용하십시오.

부유 액체를 가두면서도 기내 환경과 기압 평형을 유지할 수 있도록 고정된 폼 스펀지 윈도우로 바이알을 밀봉하여, 감속 중력 장치에서 사용할 샘플 로더를 제작하십시오. 또한 가이드 레일이 포함된 스프링 로드 클램프 설계를 조립하여, 유체 라인의 두 O-링 사이에 시스(sheath)가 장착된 모세관을 안정적으로 고정할 수 있게 하십시오. 모세관이 없을 때는 스프링이 O-링을 서로 밀착시켜 유체 라인을 완성하고 누출 없이 프라이밍(priming)이 가능하도록 설계해야 합니다. 작동을 위해 전동 기계적 하위 구성 요소에 의존하지 않는 마이크로 믹서를 설계하십시오.

급속 시제품 제작 방식인 Polymethyl 소아네(soane)법을 사용하여, 개별 유동 입자를 검출하기 위한 2개 입구의 나선형 와류 마이크로 믹서를 선정하고 제작합니다. 상용 광기계 부품을 사용하여 맞춤 제작된 손바닥 크기의 초소형 광학 블록을 현미경 브레드보드 플레이트에 장착합니다. 시제품 조립의 마지막 단계는 장치 제어 및 데이터 수집을 위한 전자 회로와 소프트웨어를 설계하는 것입니다.

편의성과 조기 프로토타이핑을 위해, 상용 데이터 수집 카드에 연결된 수작업 납땜 부품을 활용하고, 장치 작동 및 모든 데이터 동기화를 위한 맞춤형 소프트웨어를 코딩 및 프로그래밍하십시오. 노트북 배터리를 제거하고 노트북이 전원 케이블로만 작동하도록 설정하십시오. 저중력 비행 시의 안전을 위해, 모든 장치에 전원을 공급하는 전기 전력 체계에는 빠르고 완전한 전자적 차단을 위한 메커니즘이 포함되어야 합니다.

비행 중. 성공적인 비행 성능을 위해 단일 온/오프 버튼이 있는 단일 전원 스트립을 항공기 전원 분배 패널에 연결하며, 사용 가능한 전체 공간과 이를 실험 장치 공간 및 장치 주변의 사용자 공간으로 어떻게 나눌 것인지 고려해야 합니다. 사용 가능한 전체 공간은 지상에서 수행되는 유사한 시연에 제공되는 공간보다 더 좁은 영역으로 제한됩니다.

어떤 구성 요소를 바닥에 무릎을 꿇은 높이에서 접근하는 것이 더 적절한지, 아니면 서 있는 높이에서 접근하는 것이 더 적절한지 결정하십시오. 또한, 지지 구조물 내에서 얻어지는 보호 효과로부터 가장 큰 이점을 얻을 구성 요소가 무엇인지 고려하는 것도 중요합니다. 여기서 릭(rig) 지지 구조물은 비행 가속도를 견딜 수 있으며 의도한 항공기에 안전하게 부착될 수 있는 수직 장비 랙입니다.

캐빈 바닥의 랙 내 레벨별로 구성 요소를 배치하였으며, 최상단 레벨에는 노트북을, 중간 랙 레벨에는 프로토타입 하위 구성 요소를, 바닥 레벨에는 여분의 와이프, 장갑 및 기타 폐기물 컨테이너를 배치했습니다. 프로토타입을 고정 및 수용하고 샘플을 관찰하기 위해, 프로토타입 이외의 다양한 구성 요소를 제작하거나 개조해야 합니다. 여기에는 전자 장치를 수용하기 위한 맞춤형 아크릴 박스와, 비행 캐빈의 오염 위험 없이 로더 시연을 수행할 수 있는 입방체 공간을 제공하기 위해 팔 진입 구멍이 있는 맞춤형 아크릴 글로브 박스가 포함됩니다.

마이크로 믹서 시연 영상을 녹화하려면, 맞춤형 아크릴 칩 홀더와 CCD 카메라가 장착된 브레드보드 플레이트에 스테레오 현미경을 설치하십시오. 광학 블록을 안전하게 시연하기 위해, 맞춤형 불투명 아크릴 상자를 사용하여 주변광을 차단하고 레이저 위험을 제어하십시오. 몇 가지 간단한 설계 전략을 통해 수동 튜빙, 작동 중 조정 또는 상당한 정교함이 필요한 기타 작업의 필요성을 없앨 수 있습니다.

예를 들어, 여러 개의 소스 파일을 동시에 가압하려면 내부가 비어 있는 실린더로 구성되고 유체 흐름의 방향을 제어하기 위한 입구 바늘과 여러 개의 출구 튜브가 연결된 맞춤형 머신 투 프레셔 매니폴드를 사용하십시오. 컴퓨터를 사용하여 3방향 솔레노이드 밸브 패널을 구성합니다. 이는 DAQ 카드에 연결된 탠덤 MOSFET 스위치에 의해 제어됩니다.

3방향 솔레노이드 밸브에는 기본적으로 닫힘 포트 또는 열림 포트 중 하나에 항상 연결되어 있는 공통 포트가 있습니다. 5V 신호를 통해 열림 상태로 전환됩니다. 노트북에서 한 번의 클릭으로 밸브 상태를 전환하거나 펌프 구동 압력을 변경하는 것과 같은 단일 버튼 개입을 통해 시연 단계가 진행되도록 소프트웨어를 프로그래밍하였습니다.

이를 통해 환경으로의 누출이 발생할 수 있는 수동 튜빙 조정의 필요성을 없애고, 혼란스러운 환경에서 실험 시간이 낭비되는 것을 방지할 수 있습니다. 샘플 로더 시연에는 샘플을 로딩하고 검출을 위해 샘플을 광학 블록(OB)으로 이송하는 과정이 포함됩니다. 이 설정에는 로더 앞뒤로 각각 하나씩, 총 두 개의 밸브가 사용됩니다.

로딩 중에는 두 밸브가 모두 꺼짐(off) 상태로 설정되어 로더가 사용되는 동안 유체의 이동을 방지하며, 밸브를 켜면 식염수 바이알에서 폐액 바이알로 이어지는 유체 X 경로가 열려 펌프가 분석을 위해 시료를 이송할 수 있게 됩니다. 광학 블록 시연에는 튜브 연결을 수동으로 변경할 필요 없이 세 가지 서로 다른 시료 유형을 순차적으로 검출하는 과정이 포함되며, 시료 간에 식염수로 시스템을 세척할 수 있습니다. 마이크로 믹서 시연에는 혈액과 식염수의 혼합 및 청색과 황색 염료의 혼합 세그먼트가 포함됩니다.

이 설정은 두 개의 밸브를 사용하여 압력을 혈액 및 식염수 바이알 또는 염료 바이알 중 하나로 안내함으로써 한 번에 하나의 혼합 시연만 활성화되도록 합니다. 추가 밸브를 통해 혈액-식염수 혼합 칩으로 공기 방울을 주입할 수 있습니다. 시스템은 비행 중 갑작스러운 충격력, 진동 또는 탑승자 충돌에 대비하여 준비되어야 합니다.

정렬 안정화를 위해, 특히 광학 부품과 같이 정렬이 틀어지기 쉬운 정렬된 구성 요소에 속건성 에폭시를 도포하십시오. 물리적 충격 테스트를 위해 현미경 I 피스에 CCD 카메라 부착물을 고정하는 등, 필요한 경우 속건성 에폭시 위에 산업용 에폭시를 추가로 도포하여 다른 구성 요소들을 고정하십시오. 모든 구성 요소가 장착된 상태에서 장비 지지 구조물을 흔들어 확인하십시오.

장치를 외부 교란에 노출시킨 후 개별 구성 요소의 기능을 점검하십시오. 특히 실험 도중 항공기가 갑자기 수평을 유지하거나 장치에 갑작스러운 힘이 가해지는 등 예기치 않은 비행 상황에 대비하여 조정된 광학 구성 요소를 중점적으로 확인하십시오. 랙에 패딩을 추가하여 부유하는 시료를 보호하십시오. 숙련된 조종사는 비행 중에 장치를 전문적으로 운용할 수 있도록 여러 명의 인원을 기본 운영자로 교육합니다.

파라이스(parais) 기간 동안 누가 병에 걸릴지 예측할 수 없으며, 특정 사용자가 한 비행에서는 영향을 받지 않다가 다른 비행에서는 병에 걸릴 수도 있습니다. 비행 장소로 운송한 후 장비를 점검하여 필요한 수정을 수행하고, 항공기에 탑재하기 전 튜빙 연결을 설정하십시오. 매 비행일마다 당일 시연에 해당하는 샘플 바이알을 준비하여 연결하십시오.

비행 위치에 따라 설정과 실험 사이에 긴 간격이 발생할 수 있으며 주변 온도가 높을 수 있으므로 이에 대비하십시오. 스코폴라민(scopolamine)과 텍스트 암페타민(text amphetamine)과 같이 제공된 약물을 복용하여 비행 중 멀미를 방지하고, 초기 몇 번의 포물선 비행 동안 바닥과 평행하게 천천히 일어나고 고중력 상태에서는 평평하게 누워 중력 변화에 적응하십시오. 비행 위치에 도달하면, 전용 포물선 공역에 접근할 때 장비 운영자가 고중력 구간 동안 누울 수 있는 충분한 공간을 확보하고 포물선 비행이 시작될 때 다리 스트랩에 접근할 수 있도록 조치하십시오.

저중력 상태 동안 신체에 강한 힘을 가하지 마십시오. 이는 신체를 너무 빠르게 상승시켜 샘플 로더 시연을 수행하는 데 다소 위험할 수 있기 때문입니다. 비행기가 저중력 상태에 진입하면, 샘플 주사기를 사용하여 손가락 끝에 카운팅 비드 염색 혼합물 한 방울을 떨어뜨리십시오. 손가락 채혈 샘플을 모사하기 위해, 모세관 소모품을 사용하여 손가락에서 샘플을 채취한 후 이를 모세관 로더에 로딩하십시오.

검출을 위해 시료를 광학 시스템으로 주입합니다. 현미경 아래에서 미세유체 혼합기 시연 설정을 수행합니다. 혈액과 식염수를 1:1 비율로 혼합하며, 1.52345 및 6 PSI에서 각각 최소 2회 포물선 운동을 실시합니다.

다른 측정값과 동기화된 비디오 데이터 기록 과정입니다. 여기서는 믹서 시연의 실제 비행 영상을 보여줍니다. 채널 구조가 최적의 혼합을 방해할 수 있는 기포를 포착하는지 테스트하기 위해 식염수 입구에 공기를 주입합니다. 혼합합니다.

청색 및 황색 식용 색소를 각각 최소 2회의 포물선 비행 동안 1.52345 및 6 PSI에서 사용하였습니다. 다시 한번, 여기에 제시된 동기화된 기록 데이터는 스테레오 현미경 패널에 장착된 CCD 카메라로 관찰한 두 가지 마이크로 믹서 시연의 대표적인 결과입니다. A는 미세중력 조건에서의 청색 및 황색 색소 혼합을 보여주며, 패널 B는 달 중력 조건에서의 혈액과 식염수 혼합을 보여줍니다.

미세중력 비행 중 형광 표지된 백혈구의 광학 블록 검출 시연을 통해, 나선형 경로의 어느 지점에서나 그리고 출구 채널에서도 혼합 상태를 시각적으로 평가할 수 있습니다. 유세포 분석 데이터의 핵심 성능 지표에는 여기에 표시된 것처럼 피크 강도의 변동 계수, 신호 대 잡음비, 피크 계수율 및 검출 효율이 포함됩니다. 광학 블록 검출은 약 1.5 G에서 거의 0 G로 전환될 때 상대적으로 영향을 받지 않는 것으로 보이며, 다시 1.5 g로 복귀하는 전환 과정 중에도 계속 유지됩니다.

루나 중력 상태에서 로더의 성능을 입증한 후, 로딩된 시료에 첨가된 형광 계수 비드의 검출은 시료가 성공적으로 로딩되어 검출을 위한 광학 블록에 도달했음을 나타냅니다. 이 영상을 시청하고 나면 포물선 비행 중에 장치 테스트를 수행하고 중력을 감소시키는 방법, 특히 어떤 종류의 절차가 가능한지에 대해 더 잘 이해하게 될 것이며, 세심한 계획, 부품 선정 및 테스트 구현이 경험의 효율을 높이는 데 어떻게 도움이 되는지 알 수 있을 것입니다.