단 분산 미세 방울의 크기가 제어 형성을위한 모세관 기반 원심 미세 유체 장치
February 22nd, 2016
여기에서는 모세관 기반 원심 미세유체 장치를 사용하여 크기 제어 가능한 단분산 W/O(Water-in-Oil) 미세방울에 대한 간단한 생산 방법을 보여줍니다. 이 방법은 소량의 시료만 필요하며 고수율 생산이 가능합니다. 우리는 이 방법이 신속한 생화학 및 세포 분석에 유용할 것으로 기대합니다.
이 절차의 전반적인 목표는 모세관 기반 원심 축-대칭 공동 유동 미세유체 장치를 사용하여 생물학적 연구를 위한 단분산 물 및 오일 미세방울을 생성하는 것입니다. 이 방법은 합성, 단일 분자 PCR, 단일 캡슐화 및 살아있는 세포의 간단한 모델링에 대한 연구 연구를 발전시키기 위해 생화학 분야를 위한 단분산 미세방울을 생성하는 데 도움이 될 수 있습니다. 이 기술의 주요 장점은 쉽고 조정 가능하다는 것입니다.
마이크로리터 미만의 샘플 용액이 필요하며 필요한 크기의 단분산 마이크로액적을 생성할 수 있습니다. 이 절차를 시연하는 사람은 제 연구실의 박사후 연구원인 Morita입니다. 모세관 기반 미세유체 조립은 모세관 홀더를 준비하는 것으로 시작됩니다.
밀링 머신을 사용하여 2mm 두께의 폴리아세틸 플라스틱 플레이트에서 4개의 디스크를 밀링하는 것으로 시작합니다. 디스크는 막대와 나사로 지지되는 기둥을 형성하는 데 사용됩니다. M.2 나사를 사용하여 플레이트를 조립합니다.
먼저 디스크 1과 2에서 홀더 바닥을 조립합니다. 그런 다음 나사산 부분을 절단하여 나사를 줄이십시오. 4개의 구멍 중 3개를 연결하여 2개의 디스크를 고정하여 0.9cm 스택을 만듭니다.
마찬가지로 디스크 3과 4에서 홀더의 상단 부분을 조립합니다. 각 플레이트에 있는 두 개의 구멍을 사용하여 플레이트를 연결합니다. 스택의 높이를 0.7cm로 만듭니다.
이제 긴 나사를 사용하여 홀더 상단에 있는 두 개의 빈 구멍을 홀더 하단에 있는 두 개의 빈 구멍과 결합합니다. 긴 나사는 홀더 사이에 약 2-3mm의 간격을 두어야 하며 나사 머리는 완성된 홀더보다 약 2.2cm 돌출되어야 합니다. 각 실험은 두 개의 모세관으로 제작된 새로운 모세관 세트를 사용합니다.
90mm 모세관에서 유리 커터를 사용하여 두 개의 내부 모세관을 만듭니다. 동일한 크기의 섹션을 두 개 만듭니다. 150mm 모세관에서 3개의 내부 모세관 섹션을 만듭니다.
그런 다음 유리 풀러를 사용하여 각 모세관 섹션을 날카롭게합니다. 풀러 무게를 최대로 설정하고 열 수준을 외부 모세관의 경우 60-70도, 내부 모세관의 경우 70-80도로 설정합니다. 그런 다음 조심스럽게 유리를 깎습니다.
모세혈관의 수축된 부분의 길이를 권장 한계 내로 유지하십시오. 팁의 길이가 너무 길거나 짧으면 올바른 길이가 될 때까지 발열체를 조정하십시오. 이제 팁을 자를 준비를 하십시오.
먼저 투명 테이프를 사용하여 모세관을 현미경 스테이지에 고정합니다. 팁을 대물렌즈 아래로 돌출시킵니다. 둘째, 유리 구슬로 덮인 백금 와이어를 사용하여 팁을 3단계로 자릅니다.
먼저, 파단이 발생해야 하는 위치에 모세관을 차가운 비드와 접촉하도록 놓습니다. 둘째, 와이어를 1-2초 동안 가열합니다. 그런 다음 세 번째, 백금 와이어를 냉각하여 팁을 잘라냅니다.
이 작업은 와이어를 가열하기 위해 풋 페달 컨트롤을 사용하여 수행해야 합니다. 이제 마이크로포지를 사용하여 모세관 오리피스의 직경을 조정합니다. 두 개의 외부 유리 모세관의 경우 구멍을 60미크론으로 만듭니다.
3 개의 내부 모세관을 위해 직경이 5, 10 및 20 미크론 인 오리피스를 만듭니다. 마이크로액적을 생성하려면 먼저 외부 유리 모세관에 중량 기준으로 2%소르비틴 모노올레이트를 함유한 헥사데칸과 같은 오일 함유 계면활성제를 채웁니다. 용액 10마이크로리터를 모세관에 로드합니다.
그런 다음 로드된 공관을 홀더 하단 부분에 고정합니다. 다음으로, 모세관 작용을 사용하여 약 0.1 마이크로 리터의 수용액을 내부 유리 모세관에 로드합니다. 로드된 내부 모세관을 홀더 상단에 배치합니다.
이제 내부 모세관을 홀더를 가로질러 외부 모세관에 삽입합니다. 현미경을 통해 팁을 관찰하면서 홀더의 긴 나사를 돌려 내부 모세관에서 외부 모세관으로 천천히 조심스럽게 전진합니다. 내부 모세관을 외부 모세관의 직경이 100에서 150 미크론 사이인 곳까지 전진시킵니다.
이제 100ml의 마이크로튜브에 계면활성제가 함유된 동일한 오일을 1.5ml의 마이크로튜브 바닥에 넣습니다. 이것은 마이크로도플렛 수집 튜브 역할을 합니다. 홀더와 모세혈관을 로드된 마이크로튜브에 조심스럽게 배치합니다.
외부 모세관이 마이크로튜브의 용액과 접촉하지 않는지 확인하십시오. 그런 다음 튜브를 탁상용 스윙 아웃 타입 원심분리기에 로드합니다. 미세방울을 생성하려면 1, 600배 중력에서 1초 또는 2초 동안 원심분리기를 실행합니다.
그런 다음 튜브에서 모세혈관과 홀더를 제거하고 튜브에 수집된 물-기름 미세방울의 부분 표본을 취합니다. 미세 방울을 유리 슬라이드로 배출하고 분석을 위해 이미지화합니다. 이 프로토콜을 사용하여 2%소르비틴 모노올레이트를 함유한 헥사데칸으로 만든 다양한 물-기름 미세방울.
오리피스 직경이 5미크론인 내부 피펫을 사용하여 만든 액적은 평균 직경이 8.3미크론인 것으로 측정되었습니다. 오리피스 직경이 10미크론인 내부 피펫을 사용하여 만든 액적은 평균 직경이 12.7미크론인 것으로 측정되었습니다. 20 미크론 오리피스가 있는 내부 피펫을 사용하여 만든 액적은 직경이 약 17.9 미크론이었습니다.
따라서 이 방법은 내부 모세관 오리피스의 크기에 가까운 직경을 가진 단분산 미세방울을 생성합니다. 이 비디오를 시청한 후에는 정량적 화학 실험을 위해 단분산된 물과 오일 미세방울의 크기를 생성하고 제어하는 방법을 잘 이해하게 될 것입니다. 이 기술을 숙달하면 제대로 수행하면 5분에서 10분 안에 완료할 수 있습니다.
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개요
이 기사는 모세관 기반의 원심 유체 마이크로 디바이스를 사용하여 크기 조절 가능한 단분산 수-기름 마이크로 드롭렛을 생산하는 방법을 보여줍니다. 이 기술은 효율적이며, 최소한의 샘플 부피를 필요로 하고, 생화학 분석을 위한 고수율 생산을 가능하게 합니다.
주요 연구 구성 요소
과학 분야
- 유체 마이크로 시스템
- 생화학
- 세포 분석
배경
- 마이크로 드롭렛은 다양한 생물학 연구에 필수적입니다.
- 단분산성은 실험의 재현성에 중요합니다.
- 기존 방법은 더 큰 샘플 부피를 요구할 수 있습니다.
- 모세관 기반 장치는 크기 제어와 효율성에서 장점을 제공합니다.
연구 목적
- 단분산 마이크로 드롭렛을 생성하는 간단한 방법을 개발합니다.
- 생화학 및 세포 분석을 용이하게 합니다.
- 이 기술의 용이성과 조정 가능성을 입증합니다.
사용된 방법
- 모세관 기반 원심 유체 마이크로 시스템 설정.
- 모세관 홀더 준비.
- 공동 흐름 유체 마이크로 어셈블리.
- 크기 조절된 마이크로 드롭렛 생산.
주요 결과
- 단분산 마이크로 드롭렛의 성공적인 생성.
- 최소한의 샘플 부피로 높은 수율을 입증했습니다.
- 생산된 마이크로 드롭렛은 다양한 생화학 응용에 적합합니다.
- 절차는 구현하기 쉽고 조정 가능합니다.
결론
- 이 방법은 마이크로 드롭렛 생성을 위한 신뢰할 수 있는 접근법을 제공합니다.
- 빠른 생화학 분석 능력을 향상시킵니다.
- 이 기술은 단일 분자 PCR 및 세포 모델링 연구를 발전시킬 수 있습니다.
자주 묻는 질문
Executive Industry Relevance
Rapid, size-controllable generation of monodisperse microdroplets enables scalable miniaturization of biochemical assays and single-cell analyses in early discovery workflows. This capillary-based centrifugal microfluidic device conserves precious biological samples while supporting high-throughput, quantitative experimentation. The approach strengthens predictive confidence and reproducibility at critical inflection points in biopharma R&D pipelines.
Strategic Applications in Biopharma R&D
Early Discovery & Target Validation
- Enables precise encapsulation for single-molecule PCR and single-cell studies.
- Supports functional interrogation of biological pathways with minimal sample input.
- Facilitates mechanistic de-risking by producing uniform assay conditions.
- Improves predictive confidence in target validation experiments.
Screening & Assay Development
- Prepares highly reproducible microdroplet systems for downstream biochemical screening.
- Standardizes droplet size to ensure quantitative comparability across assays.
- Enables rapid, scalable production of assay-ready microdroplets.
- Supports reliable evaluation of compound effects in miniaturized formats.
Translational & Preclinical Research
- Aligns with translational biomarker studies requiring single-cell or low-volume analysis.
- Maintains continuity from discovery through preclinical validation by conserving rare samples.
- Reduces risk in advancing candidates by supporting robust, quantitative data generation.
Pipeline & Workflow Integration
This device integrates into the discovery-to-preclinical continuum by enabling miniaturized, quantitative assays for target validation, screening, and translational research.
- Discovery Biology: Supports hypothesis testing and pathway analysis with controlled microenvironments.
- Screening: Delivers reproducible, quantitative droplet-based assays for compound evaluation.
- Analytics: Provides precise measurement of droplet size and encapsulated content for statistical comparison.
- Translational Research: Facilitates biomarker and single-cell studies with minimal sample requirements.
- Enterprise Reuse: Offers a scalable, adaptable platform for diverse R&D applications.
Operational & Enterprise Impact
- Scientific Value: Increases predictive confidence and reduces mechanistic ambiguity in early-stage studies.
- Operational Value: Enhances standardization, reproducibility, and throughput in assay development.
- Strategic Value: Improves go/no-go decision quality and capital efficiency by enabling robust data generation with limited samples.
- Portfolio Impact: Supports risk-adjusted prioritization and advancement of discovery programs.
Implementation Considerations
- Requires expertise in microfluidic assembly and capillary manipulation.
- Needs access to precision instrumentation for capillary fabrication and imaging.
- Demands cross-team standardization of droplet size and assay protocols.
- Adaptable to various biological and chemical model systems with minor adjustments.
- Limited by the need for careful handling of small sample volumes and device components.
Biopharma FAQs
Chapters in this video
0:05
Title
0:58
Fabrication of a Capillary-based Microfluidic Device: The Capillary Holders
2:30
Fabrication of a Capillary-based Microfluidic Device: The Glass Capillaries
4:40
Generating Water/Oil Microdroplets
6:50
Results: Typical W/O Microdroplets
7:44
Conclusion
