듀얼 주파수 업무가 표면 음향 파도 서 서 Microparticle 조작
2018년 8월 21일
듀얼 주파수 여기 미세 채널에 미를 조작 하기 위한 프로토콜 제공 됩니다.
이 방법은 미세입자 조작과 같은 생물 의학 분야의 주요 문제를 해결하고 labs-on-a-chip을 위한 미세유체 채널의 분류를 지원하는 데 도움이 될 수 있습니다. 이 기술의 주요 장점은 정립 표면 음파의 커미션의 조정 가능성을 향상시킬 수 있다는 것입니다. 시연은 우리 그룹의 대학원생인 Yannapol이 시연할 것입니다.
미세유체 채널용 금형으로 시작합니다. 이것은 실리콘 웨이퍼의 네거티브 톤 포토레지스트 패턴입니다. 더 자세한 내용은 그것을 만드는 데 사용되는 포토리소그래피 패턴에 의해 제공됩니다.
PDMS 10부와 엘라스토머 기본 부피 비율 1부를 혼합합니다. 진공 오븐에서 약 15분 동안 혼합물의 가스를 제거합니다. 가스를 제거한 후 혼합물을 금형에 가져갑니다.
거기에서 실리콘 웨이퍼의 포토레지스트 위에 붓습니다. 이제 15분 더 덮인 실리콘 웨이퍼의 가스를 제거합니다. 그 후, 인큐베이터에서 웨이퍼를 가열하여 PDSM을 응고시킵니다.
PDMS가 냉각되면 웨이퍼에서 제거합니다. 미세유체 채널은 프로토콜의 다음 단계를 위한 준비가 되었습니다. 트랜스듀서 제작을 위한 기판을 준비합니다.
이 경우 직경이 4인치인 리튬 니오베이트 웨이퍼를 사용하십시오. 스핀 코팅기에서 웨이퍼를 포지티브 포토레지스트로 스핀 코팅합니다. 그런 다음 포토리소그래피를 사용하여 2cm의 조리개에 20개의 150나노미터 스트립으로 포토레지스트를 패턴
화합니다.포토리소그래피 후, 이것은 기판의 단면 변화를 개략적으로 묘사한 것입니다. 포토레지스트가 개발되면 기판에 20나노미터의 크롬을 스퍼터링한 다음 400나노미터의 알루미늄을 주입합니다. 아세톤을 사용하여 노출되지 않은 영역의 크롬 및 알루미늄 층을 제거합니다.
산소 플라즈마에서 표면 처리를 위해 기판을 취하십시오. 질소와 산소의 비율을 2:1로 사용하고 60초 동안 30와트의 전력을 공급합니다. 완료되면 기판과 마이크로 채널 모두로 작업하십시오.
PDMS 마이크로채널을 정렬하고 니오브산 리튬 기판과 결합합니다. 두 개를 몇 초 동안 함께 눌러 결합하십시오. 통합 장치를 60도의 가열 챔버에 3시간 동안 놓습니다.
챔버를 가열한 후 장치는 정상 표면 음파의 이중 주파수 여기를 사용하여 연구할 준비가 되었습니다. 관찰을 위해 장치를 무대에 놓고 도립 현미경을 사용하십시오. interdigital transducer가 있는 웨이퍼를 stage와 접촉하고 microchannel을 맨 위에 놓습니다.
트랜스듀서를 함수 발생기의 증폭된 신호에 연결합니다. 주사기 펌프의 유체가 자기 교반기를 통과하도록 준비합니다. 실험을 위한 솔루션을 준비합니다.
4개의 마이크로미터 폴리스티렌 비드를 탈이온수에 혼합합니다. 혼합물을 소용돌이에서 2-3분 동안 회전시킵니다. 혼합물을 초음파 세척기에 10 분 동안 넣으십시오.
혼합물을 3ml 주사기에 옮깁니다. 또한 주사기에 교반기 막대를 추가합니다. 그런 다음 주사기 펌프에 주사기를 놓습니다.
주사기가 자기 교반기 위에 있고 장치 입구에 연결되어 있는지 확인합니다. 주사기 펌프 유량을 분당 몇 마이크로리터로 설정합니다. 이제 interdigital transducers의 기본 및 세 번째 고조파로 장치를 구동합니다.
현미경으로 안정화된 미세입자를 관찰하고 디지털 카메라로 이미지를 기록합니다. excitation 없이 시작하여 두 주파수 간의 위상 차이를 변경합니다. 기록된 이미지를 사용하여 각 압력 노드의 미립자 농도를 확인합니다.
이것은 6.2 및 18.6 메가헤르츠의 여기 주파수에서 정상 표면 음파의 압력파 형태를 나타낸 플롯입니다. 수직 축은 300마이크로미터 너비의 마이크로 채널을 따른 위치입니다. 곡선은 서로 다른 전력 비율, 즉 기본 모드의 전력 비율과 총 전력 146밀리와트를 나타냅니다.
다음은 동일한 전력 조건에서 동일한 채널에 있는 4개의 마이크로미터 마이크로스피어에 가해지는 음향 복사력입니다. 90% 이상의 동력비에서 힘은 항상 위상을 가지며 채널의 150마이크로미터 위치에서 단일 압력 노드를 생성합니다. 90% 미만의 전력 비율에 대해 추가 노드가 나타납니다.4개의 마이크로미터 폴리스티렌 마이크로스피어가 처음에 채널의 벽에 배치될 때 그 움직임은 전력 비율에 의해 결정됩니다.
참고: 동력비가 90%를 초과하면 입자가 중앙 노드로 이동합니다. 90% 이하의 전력 비율의 경우 사이드 노드로 이동합니다. 기호를 사용하여 플롯된 실험 데이터와 점선으로 플롯된 시뮬레이션을 전력 비율의 함수로 입자 위치에 대한 비교는 좋은 일치를 도출합니다.
이 플롯은 위쪽 절점과 아래쪽 절점을 모두 보여줍니다. 유사한 일치는 전력 비율의 함수로 입자 농도의 플롯에서 분명합니다. 이 절차를 시도하는 동안 이중 주파수 여기의 전력 비율을 조정하여 미세유체 채널에서 정상 음파를 조정하는 것을 기억하는 것이 중요합니다.
개발 후 이 기술은 생체 의학 공학 분야의 연구원들이 랩온어칩(lab-on-a-chip)에서 미세 입자의 빠르고 효과적이며 유연한 조작을 탐구할 수 있는 길을 열었습니다. 전기 기기로 작업하는 것은 매우 위험할 수 있으며 이 절차를 수행하는 동안 항상 감전을 방지하기 위한 예방 조치를 취해야 한다는 것을 잊지 마십시오.
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개요
본 논문은 이중 주파수 여기를 이용하여 미세 유체 채널 내의 미세 입자를 제어하는 프로토콜을 제시합니다. 이 기술은 바이오메디컬 분야, 특히 랩온어칩 응용 분야의 주요 문제들을 해결합니다.
주요 연구 구성 요소
과학 분야
- 미세유체역학
- 의생명공학
- 입자 조작
배경
- 미세유체 채널은 다양한 생의학적 응용 분야에 필수적입니다.
- 미세 입자를 조작하면 이러한 채널 내에서의 분류 및 처리 효율을 높일 수 있습니다.
- 정재성 표면 음향파(Standing surface acoustic waves)를 통해 미세 입자 조작의 조절 가능성을 향상시킬 수 있습니다.
- 본 연구에서는 채널 제작을 위해 실리콘 웨이퍼 상의 네거티브 톤 포토레지스트 패턴을 사용합니다.
연구 목적
- 미세유체 채널 내 미세입자 조작 방법을 입증함.
- 랩온어칩(lab-on-a-chip)의 분리 능력을 향상시킴.
- 음파 조작 기술의 조정 가능성을 개선함.
사용된 방법
- 포토리소그래피를 이용한 미세유체 채널 제작.
- 입자 조작을 위한 이중 주파수 여기 적용.
- 대학원생에 의한 절차 시연.
- 미세입자 분류에 있어 해당 기술의 효과 평가.
주요 결과
- 해당 방법은 미세 입자를 제어된 방식으로 성공적으로 조작합니다.
- 미세 유체 채널에서 향상된 분류 능력이 관찰되었습니다.
- 이중 주파수 여기를 통해 음향파의 조정 가능성이 개선되었습니다.
- 시연을 통해 랩온어칩(labs-on-a-chip)에 대한 이 기술의 타당성이 확인되었습니다.
결론
- 본 프로토콜은 미세 입자 조작을 위한 신뢰할 수 있는 방법을 제공합니다.
- 이는 생의학적 응용 및 연구에 중요한 시사점을 가집니다.
- 향후 연구를 통해 이 기술의 응용 범위를 확장할 수 있을 것입니다.
자주 묻는 질문
산업적 관련성 요약
본 방법은 랩온어칩(lab-on-a-chip) 시스템 내 마이크로입자 조작을 위한 정在 표면 탄성파의 조정 가능성을 향상시켜, 진단 및 치료 응용을 위한 생물학적 입자의 정밀하고 비침습적인 제어라는 바이오메디컬 공학의 핵심 과제를 해결합니다. 이중 주파수 여기를 통해 재구성이 가능한 음향력 장을 구현함으로써, 입자 분리 및 농축 워크플로우의 예측 신뢰도를 높이며 초기 단계의 타겟 검증 및 분석법 개발을 지원합니다. 이러한 접근 방식은 미세 유체 입자 처리의 기전적 모호성을 줄여, 발견 생물학 및 중개 연구 파이프라인에서 리스크가 조정된 의사결정을 용이하게 합니다.
바이오 제약 R&D의 전략적 응용
초기 발견 및 타겟 검증
- 과학적 가치: 특정 압력 노드에서 미세입자 농도를 제어함으로써 표적 결합 또는 경로 조절을 연구하여 치료 가설의 검증을 가능하게 합니다.
- 운영적 가치: 재현 가능하고 조정 가능한 입자 조작을 통해 제어된 미세환경 내 표적의 기능적 동작을 명확히 함으로써 생물학적 리스크 감소를 지원합니다.
- 예측적 가치: 하위 분석을 위한 정밀한 입자 배치를 가능하게 하여 스크리닝 캠페인에서 위양성을 줄임으로써 리드 물질 식별의 신뢰도를 높입니다.
스크리닝 및 분석법 개발
- 과학적 가치: 정의된 음향 노드(acoustic nodes)에서 일관된 미세입자 패턴 형성을 가능하게 하여, 후속 워크플로우를 위한 검증된 생물학적 시스템을 준비합니다.
- 운영적 가치: 전력비에 따른 압력 노드의 수와 위치 제어를 통해 분석의 표준화 및 재현성 문제를 해결하여, 신뢰할 수 있는 화합물 평가를 보장합니다.
- 플랫폼 가치: 최소한의 설정 변경만으로 랩온어칩(lab-on-a-chip) 시스템에 비침습적으로 통합함으로써 스크리닝 준비도와 확장성을 강조하며, 고처리량 응용 분야를 지원합니다.
중개 및 전임상 연구
- 과학적 가치: 생리학적 흐름 조건을 모델링하는 미세유체 채널 내에서 생체 모방 마이크로입자의 조작을 가능하게 함으로써 질병 관련성을 논의합니다.
- 운영적 가치: 종단적 연구를 위해 여러 노드에 걸쳐 입자 분포의 위상 조정 제어를 가능하게 하여, 발견부터 전임상 검증까지의 연속성을 설명합니다.
- 리스크 조정 발전: 기전적 리스크 감소 목표에 부합하도록, 다양한 전력 비율에서의 정량적 입자 농도 출력값에 기반한 의사 결정을 지원합니다.
파이프라인 및 워크플로우 통합
이 방법은 초기 생물학의 가설 검증부터 리드 물질 발굴의 분석 준비 단계에 이르는 발견 연속체 내에 적합하며, 특히 입자 조작을 통해 미세유체 플랫폼에서 기능적 판독이나 바이오마커 기반의 분류가 가능할 때 더욱 유용합니다.
- 발견 생물학: 단일 또는 다중 노드에서 입자 응집을 제어하기 위해 전력비를 변화시킴으로써 이 방법이 가설 검증을 어떻게 지원하는지 설명하며, 표적 의존적 반응을 명확히 합니다.
- 스크리닝: 화합물로 인해 유도된 입자 행동의 변화를 신뢰성 있게 검출할 수 있도록 하는 재현 가능한 미세입자 농도 패턴을 통해 분석 준비 상태를 설명합니다.
- 분석학: 전력비와 위상차의 함수로서 입자 위치 및 농도와 같은 정량적 출력값을 강조하여, 실험 조건 간의 통계적 비교를 가능하게 합니다.
- 중개 연구: 질환 관련 시스템에서 동적인 입자 이동을 모델링하기 위해 세 개의 압력 노드를 위상 조정하여 제어함으로써, 이 방법을 전임상 연속성과 연결합니다.
- 기업 재사용: 이 방법을 여러 프로젝트에 걸쳐 사용할 수 있는 미세유체 입자 조작 재사용 기능으로 설정하여, 표적당 맞춤형 분석법 개발의 필요성을 줄입니다.
운영 및 기업 영향
- 과학적 가치: 입자 조작 결과의 예측 신뢰도 향상, 미세유체 시스템의 기전적 모호성 감소, 그리고 제어된 입자 배치를 통한 타겟 검증 개선.
- 운용적 가치: 전력비 임계값(예: 단일 노드 제어를 위해 기본 주파수 >90%)을 통한 표준화, 실험 간 재현성 확보, 그리고 랩온어칩(lab-on-a-chip) 형식 내 이중 주파수 여기의 확장성.
- 전략적 가치: 생물학적 노이즈를 줄이는 정밀한 입자 분류를 통해 리드 물질 발굴 단계에서 더 나은 go/no-go 결정 가능, 재설정 가능한 파형을 통한 자본 효율성 증대, 그리고 전임상 예측력 향상을 통한 후기 단계 리스크 감소.
- 포트폴리오 영향: 정량적 입자 농도 데이터에 기반한 타겟의 위험 조정 우선순위 지정 및 기전적 리스크 제거에 근거한 추진 결정 지원.
구현 시 고려 사항
- 미세유체 장치 제작, 음파 이론 및 이중 주파수 여기를 위한 신호 처리 분야의 전문 과학 지식이 필요합니다.
- 필요한 장비로는 함수 발생기, 증폭기, 압전 기판(예: 리튬 나이오베이트) 상의 인터디지털 트랜스듀서 및 입자 추적을 위한 현미경이 포함됩니다.
- 팀 간 표준화를 위해서는 전력비 임계값, 위상 교정 프로토콜 및 입자 농도 측정 방법에 대한 조율이 필요합니다.
- 모델 시스템 간 최적화 고려 사항에는 음향 공명 및 조작 효율을 유지하기 위해 채널 치수, 입자 크기 및 유체 특성을 조정하는 과정이 포함됩니다.
- 실질적인 제한 사항으로는 의도치 않은 노드 이동을 방지하기 위한 정밀한 위상 제어의 필요성과, 폴리스티렌 미세구체 실험 관찰에서 언급된 바와 같이 효과적인 조작을 위한 입자의 음향 대비 의존성이 있습니다.
바이오 제약 FAQ
Chapters in this video
0:04
Title
0:34
Preparation of the Microfluidic Channel
1:29
Fabrication of the Interdigital Transducers
3:00
Experimental Observation
4:30
Results: Effect of Dual-frequency Standing Surface Acoustic Waves on the Motion of Polystyrene Microparticles in a Microchannel
6:01
Conclusion
