Een abonnement op JoVE is vereist om deze inhoud te bekijken. Log in of start vandaag met uw gratis proefperiode.

Methodenartikel

Pneumatisch aangedreven microfluïdisch platform voor microdeeltjesconcentratie

2.2K weergaven

⸱

DOI:

10.3791/63301

⸱

1 februari 2022

 ,  , 
1Department of Digital Anti-Aging Health Care, Inje University, 2Micro device Lab Co., Ltd, 3Department of Biomedical Engineering, Inje University

In dit artikel

Samenvatting

Het huidige protocol beschrijft een pneumatisch microfluïdisch platform dat kan worden gebruikt voor een efficiënte microdeeltjesconcentratie.

Samenvatting

Het huidige artikel introduceert een methode voor het fabriceren en bedienen van een pneumatische klep om de deeltjesconcentratie te regelen met behulp van een microfluïdisch platform. Dit platform heeft een driedimensionaal (3D) netwerk met gebogen vloeistofkanalen en drie pneumatische kleppen, die netwerken, kanalen en ruimtes creëren door duplexreplicatie met polydimethylsiloxaan (PDMS). Het apparaat werkt op basis van de transiënte respons van een vloeistofdebiet dat wordt geregeld door een pneumatische klep in de volgende volgorde: (1) monsterbelasting, (2) monsterblokkering, (3) monsterconcentratie en (4) monsterafgifte. De deeltjes worden geblokkeerd door dunne membraanlaagvervorming van de zeefklep (Vs) plaat en hopen zich op in het gebogen microfluïdische kanaal. De werkvloeistof wordt afgevoerd door de bediening van twee aan/uit-kleppen. Als gevolg van de operatie werden alle deeltjes van verschillende vergrotingen met succes onderschept en losgekoppeld. Wanneer deze technologie wordt toegepast, kunnen de bedrijfsdruk, de tijd die nodig is voor de concentratie en de concentratiesnelheid variëren, afhankelijk van de afmetingen van het apparaat en de vergroting van de deeltjesgrootte.

Inleiding

Vanwege het belang van biologische analyse worden microfluïdische en biomedische micro-elektromechanische systemen (BioMEMS) technologieën 1,2 gebruikt om apparaten voor de zuivering en verzameling van micromaterialen te ontwikkelen en te bestuderen 2,3,4. Deeltjesvangst wordt gecategoriseerd als actief of passief. Actieve vallen zijn gebruikt voor externe diëlektrische5, magnetophoretische6, auditieve7, visuele8 of thermische9 krachten die inwerken op onafhankelijke deeltjes, waardoor nauwkeurige controle van hun bewegingen mogelijk is. Er is echter een interactie tussen het deeltje en externe kracht vereist; de doorvoer is dus laag. In microfluïdische systemen is het regelen van het debiet erg belangrijk omdat de externe krachten worden overgedragen op de doeldeeltjes.

Over het algemeen hebben passieve microfluïdische apparaten micropillars in microkanalen10,11. Deeltjes worden gefilterd door interactie met een stromende vloeistof en deze apparaten zijn gemakkelijk te ontwerpen en goedkoop te produceren. Ze veroorzaken echter deeltjesverstopping in micropijlers, dus zijn er complexere apparaten ontwikkeld om deeltjesverstopping te voorkomen12. Microfluïdische apparaten met complexe structuren zijn over het algemeen geschikt voor het beheer van een beperkt aantal deeltjes 13,14,15,16,17,18.

Dit artikel beschrijft een methode om een pneumatisch aangedreven microfluïdisch platform voor grote deeltjesconcentraties te fabriceren en te bedienen dat de tekortkomingen18 zoals hierboven vermeld, overwint. Dit platform kan deeltjes blokkeren en concentreren door vervorming en bediening van de dunne membraanlaag van de zeefklep (Vs) plaat die zich ophoopt in gebogen microfluïdische kanalen. Deeltjes hopen zich op in gebogen microfluïdische kanalen en de geconcentreerde deeltjes kunnen zich scheiden door de werkvloeistof af te voeren via de bediening van twee PDMS-afdichtingen aan/uit-kleppen 18. Deze methode maakt het mogelijk om een beperkt aantal deeltjes te verwerken of een groot aantal kleine deeltjes te concentreren. Bedrijfsomstandigheden zoals de grootte van het debiet en de persluchtdruk kunnen ongewenste celbeschadiging voorkomen en de efficiëntie van het vangen van cellen verhogen.

Toegang beperkt. Log in of start een proefperiode om deze inhoud te bekijken.

Protocol

1. Ontwerpen van het microfluïdische platform voor deeltjesconcentratie

  1. Ontwerp het pneumatische microfluïdische platform bestaande uit één pneumatische klep voor vloeistofstroom in het 3D-stroomnetwerk en drie pneumatische kleppen voor zeef (Vs), vloeistof (Vf) en deeltjes (Vp) klepbediening (figuur 1).
    OPMERKING: Vs blokken concentreren deeltjes uit de vloeistof, en Vf en Vp zorgen voor vloeistof en deeltjesafgifte na concentratie. Drie pneumatische poorten leveren perslucht uit de vloeistof/pneumatische toevoerlaag (normaal open) en de pneumatische kleplichtuitlaat om de klep te bedienen. Het microfluïdische kanaalnetwerk is ontworpen met een CAD-programma18,19.
  2. Ontwerp het kanaal als een pneumatische voedingslaag en een 3D-kanaalnetwerklaag (figuur 2).
    OPMERKING: Het vloeistofnetwerk is verbonden met de gebogen kanalen in het voorste deel en de rechthoekige kamer in het achterste deel. Vs blokkeren de inlaat en deeltjes hopen zich op in het verzamelgebied van het gebogen vloeistofkanaal. Deeltjesvrije vloeistoffen (deeltjesvrije vloeistoffen) worden afgevoerd via de Qf-uitlaat en de geconcentreerde deeltjes via de Qp-uitlaat (figuur 3).
  3. Bereid volgens de bovenstaande voorwaarden vier soorten SU-8-mallen voor.
    OPMERKING: De vier mallen bevatten een mal waarmee de klep via pneumatiek kan worden bediend, twee mallen die vloeistofkanalen creëren en een schone mal zonder vorm (figuur 4 en tabel 1). De vier genoemde soorten mallen worden vervaardigd met behulp van standaard fotolithografieprocessen. Deze mal maakt uit een SU-8 mal op een silicium wafer volgens eerder gepubliceerde rapporten18,19. Figuur 5 toont de chip van het apparaat.

2. Fabricage van het microfluïdische platform voor deeltjesconcentratie

OPMERKING: Figuur 6 illustreert de fabricage van een microfluïdisch platform dat deeltjes concentreert.

  1. Repliceer de PDMS-laag met behulp van een voorbereide pneumatische klepkanaal SU-8-mal (stap 1.3) voor het pneumatisch regelen van de klep.
    1. Giet 10 ml vloeibaar PDMS en 1 ml uithardingsmiddel (zie materiaaltabel) in een voorbereide pneumatische klepkanaalvorm (stap 1.3) en activeer bij 90 °C gedurende 30 minuten.
    2. Nadat de PDMS-structuren zijn uitgehard, scheidt u de SU-8-mal van stap 2.1.1.
    3. Pons drie pneumatische poorten van 1,5 mm (Vs, Vf en Vp) in het pneumatische klepkanaal dat is vervaardigd volgens stap 2.1.2 met behulp van een lekke band van 1,5 mm (zie tabel met materialen).
    4. Giet 10 ml vloeibaar PDMS en 1 ml uithardingsmiddel in een voorbereide schone SU-8-mal bereid in stap 1.3 en spin-coat bij 1.500 tpm gedurende 15 s met behulp van een spincoater (zie tabel met materialen). Vervolgens gedurende 30 minuten warmte activeren bij 90 °C.
    5. Nadat de PDMS-structuren zijn uitgehard, scheidt u de SU-8-mal van stap 2.1.4.
      OPMERKING: De klepmembraanlaag regelt de vloeistofstroom volgens de pneumatische druk.
    6. Behandel atmosferisch plasma (zie tabel met materialen) met de PDMS-structuren die zijn voorbereid in stappen 2.1.3 en 2.1.5 gedurende 20 s.
    7. Lijn direct plasmabehandelde PDMS-structuren uit vanaf stap 2.1.6 volgens de kanaalstructuur door te controleren met een microscoop.
    8. Verlijm de uitgelijnde PDMS-structuren die in stap 2.1.7 zijn voorbereid door gedurende 30 minuten bij 90 °C te verwarmen.
    9. Pons een gat met een diameter van 1,5 mm in de vloeistofkanaalinlaat (Qfp) en vloeistofkanaaluitlaten (Qf en Qp) in het pneumatische kanaalgedeelte waaraan de dunne membraanlaag is bevestigd, met behulp van een punctie van 1,5 mm.
  2. Repliceer beide zijden van de PDMS-laag met behulp van twee SU-8-mallen om een microfluïdisch kanaal te maken. Gebruik een gebogen en rechthoekige microfluïdische kanaalvorm aan de voorkant en een microfluïdische verbindingskanaalmal aan de achterkant.
    1. Giet 10 ml vloeibaar PDMS en 1 ml uithardingsmiddel in de gebogen en rechthoekige microfluïdische kanaalvorm en spin-coat bij 1.200 tpm gedurende 15 s. Maak vervolgens mallen voor de gebogen vloeistofkamer en vloeistofkanalen door thermische activering bij 90 °C gedurende 30 minuten (figuur 6A).
    2. Scheid de PDMS-laag waarop het microfluïdische kanaal wordt gevormd en maak vervolgens een warmtegeactiveerde mal die de afgedichte ontluchtingswand bedekt door zich aan de glazen wafer te hechten door atmosferisch plasma gedurende 20 s te behandelen (figuur 6B).
    3. Giet 3 ml vloeibare PDMS in het interconnectiekanaal van de SU-8-mal (figuur 6C).
    4. Schik de structuur vervaardigd in stap 2.2.2 met de verbindingskanaalmal in vloeibare PDMS op de microfluïdische verbindingskanaalmal en droog de bovenliggende structuur gedurende 30 minuten bij 130 °C (figuur 6D).
      OPMERKING: Tijdens het uitharden van de achterstructuur wordt de PDMS-mal die in stap 2.2.2 is vervaardigd, opgeblazen door de thermische druk van de luchtlaag en wordt de vervormde PDMS-laag thermisch geactiveerd (figuur 6E)16.
    5. Verwijder na het uitharden de voorste SU-8-mal uit de microfluïdische kanaalnetwerklaag en pel voorzichtig de achterste PDMS-mal af (figuur 6F).
      OPMERKING: De 3D-vloeistofnetwerklaag maakt het mogelijk om een voorste gebogen vloeistofkamer en microfluïdische kanalen te creëren.
    6. Giet 10 ml vloeibare PDMS en 1 ml uithardingsmiddel in een schone SU-8-mal. Vervolgens gedurende 30 minuten warmte activeren bij 90 °C.
    7. Nadat de PDMS-structuren zijn uitgehard, scheidt u de SU-8-mal.
      OPMERKING: Met deze stap wordt de extra afdichtingslaag gemaakt.
    8. Behandel het atmosferische plasma met PDMS-structuren die zijn bereid in stappen 2.2.3 en 2.2.7 gedurende 20 s.
    9. Lijn direct plasmabehandelde PDMS-structuren uit volgens de kanaalstructuur door te controleren met een microscoop.
    10. Verlijm de uitgelijnde PDMS-structuren door gedurende 30 minuten op 90 °C te verwarmen.
  3. Lijn de PDMS-structuren die in stap 2.1 en 2.2 zijn voorbereid uit volgens de kanaalstructuur en bind ze door atmosferisch plasma gedurende 20 s te behandelen.

3. Het apparaat instellen

OPMERKING: Figuur 7 toont het fabriceren van een microfluïdisch platform dat deeltjes concentreert.

  1. Vul het microfluïdische kanaal handmatig met bellenvrij gedemineraliseerd water met behulp van een spuit van 10 ml.
  2. Om de P_Qfp en de drie pneumatische kleppen (P_Vs, P_Vf en P_Vp) die de microbead-stroom regelen, te regelen, plaatst u een precisiedrukregelaar met vier of meer uitgangskanalen (zie Materiaaltabel) voor de werkvloeistof (Qfp) in het microfluïdische platform.
    OPMERKING: Een precisiedrukregelaar met vier uitgangskanalen kan worden vervangen door meerdere precisiedrukregelaars. In dit experiment was de werkdruk van P_Qfp 10 kPa, P_Vs 15 kPa en P_Vf en P_Vp beide 18 kPa (figuur 8 en tabel 2). Figuur 8 toont het debiet van de werkvloeistof in de loop van de tijd, aangezien deeltjes worden geconcentreerd door het microfluïdische platform met P_Vs van 15 kPa, en tabel 2 toont de bedieningsresultaten volgens de pneumatische kleppen.
  3. Bereid carboxylpolystyreentestdeeltjes van verschillende groottes in gedestilleerd water (zie Tabel met materialen).
    OPMERKING: De deeltjesgroottes die in dit experiment werden gebruikt, waren 24,9, 8,49 en 4,16 μm; deeltjes van verschillende groottes kunnen worden gebruikt, afhankelijk van de druk van P_Vs.
  4. Om het debiet van de werkvloeistof te regelen, vult u een glazen fles halfvol met water (werkvloeistof) en sluit u de glazen flesdop aan op het uitgangskanaal en de microklep van de controller.
    OPMERKING: Sluit een buis aan op de microklep om perslucht van de controller te ontvangen en de andere buis om water te injecteren.
  5. Observeer de werking van het platform door een omgekeerde microscoop voor alle platformbewerkingen en meet het operationele debiet in de loop van de tijd aan de uitlaat met een vloeistofstroommeter (zie Materiaaltabel).

4. Werking van het apparaat

  1. Injecteer het deeltjes/vloeistofmengsel onder druk bij de inlaat (Qfp) met Vp (figuur 9A).
    OPMERKING: De stroom van deeltjes en schone vloeistof uit de uitlaat door de onderling verbonden kanalen wordt geregeld via respectievelijk Vp en Vf (tabel 2).
  2. Oefen druk uit op Vs bij 15 kPa en Vp bij 18 kPa om de klep te bedienen.
    OPMERKING: Op dit moment wordt het membraan vervormd, worden de deeltjes van de vloeistof Qfp geblokkeerd in de contactruimte tussen het gebogen vloeistofkanaal en de gebogen vloeistofkraan en wordt de ongewenste Qfp-vloeistof vrijgegeven door de open Qf (figuur 9B, C).
  3. Wanneer de deeltjes geconcentreerd zijn, oefent u alleen druk uit op Vf.
    OPMERKING: Op dit moment, wanneer druk alleen op Vf wordt uitgeoefend, komen de verstopte deeltjes vrij via Qp (figuur 9D).

Toegang beperkt. Log in of start een proefperiode om deze inhoud te bekijken.

Resultaten

Figuur 8 toont het debiet van de vloeistofsnelheden voor een viertrapsplatformbedrijf, zoals vermeld in tabel 2. De eerste fase is de laadtoestand (een toestand). Het platform werd voorzien van vloeistof met alle kleppen open, en de werkvloeistof (Qf) en deeltjes (Qp) zijn bijna identiek als het microfluïdische kanaalnetwerk vertoont structurele symmetrie. In de tweede fase (b-toestand) werd perslucht naar Vs getransporteerd om de deeltjes te blokkeren, en naarmate het Vs-me...

Toegang beperkt. Log in of start een proefperiode om deze inhoud te bekijken.

Discussie

Dit platform biedt een eenvoudige manier om deeltjes van verschillende groottes te zuiveren en te concentreren. Deeltjes worden opgehoopt en vrijgegeven door pneumatische klepbediening en er wordt geen verstopping waargenomen omdat er geen passieve structuur is. Met behulp van dit apparaat wordt de concentratie van deeltjes van drie maten gepresenteerd. De werkdruk, de tijd die nodig is voor de concentratie en de snelheid kunnen echter variëren afhankelijk van de afmetingen van het apparaat, de vergroting van de deeltjes...

Toegang beperkt. Log in of start een proefperiode om deze inhoud te bekijken.

Openbaarmakingen

De auteurs hebben geen belangenconflicten te onthullen.

Dankbetuigingen

Dit werk werd ondersteund door de National Research Foundation of Korea (NRF) subsidie gefinancierd door de Koreaanse overheid (Ministerie van Wetenschap en ICT). (Nee. NRF-2021R1A2C1011380).

Toegang beperkt. Log in of start een proefperiode om deze inhoud te bekijken.

Materialen

Lijst van materialen gebruikt in dit artikel
NaamBedrijfCatalogusnummerOpmerkingen
1.5 mm punctieZelfproductieZelfproductieDeze punctie werd gemaakt door een malmaker te vragen op basis van het Miltex® Biopsy Punch with Plunger (15110-15) product.
4 inch siliconen wafer/SU-8 mal4science29-03573-014 inch (100) Ptype siliconen wafer/SU-8 mal
Carboxyl polystyreen gecrosslinkte deeltjes(24,9 μm)SpherotechCPX-200-10Geconcentreerd parels monster1
DebietmeterSensirionSLI-1000Debietmeting
SnelheidscameraPhotronFASTCAM MiniObservatie van concentratie
Hot plateAs oneHI-1000Verwarmingsplaat voor het uitharden van vloeibaar PDMS
KOVAX-SPRUIT 10 mL/SpuitenKoreavaccine22G-10MLVul het microfluïdische kanaal met bellen-vrije gedemineraliseerde water.
Laboratorium Conona behandelaar/Atmosferische plasmaElectro-TechnicBD-20ACChip bonding/atmosferisch plasma
Vloeibaar polydimethylsiloxaan, PDMSDow Corning Inc.Sylgard 184Componenten van chip
MicroscoopOlympusIX-81Observatie van concentratie
PEEK buizenSAINT-GOBAIN PPL CORP.AAD04103Injecteren of verzamelen van deeltjes
Polystyreen deeltjes(4,16 μm)SpherotechPP-40-10Geconcentreerd parels monster3
Polystyreen deeltjes(8,49 μm)SpherotechPP-100-10Geconcentreerd parels monster2
Drukregelaar/μfluconAMEDμfluconControle van luchtdruk
Spin coateriNexusACE-200Spreid de vloeibare PDMS op SU-8 mal

Referenties

  1. Whitesides, G. M. The origins and the future of microfluidics. Nature. 442 (7107), 368-373 (2006).
  2. Desitter, I., et al. A new device for rapid isolation by size and characterization of rare circulating tumor cells. Anticancer Research. 31 (2), 427-441 (2011).
  3. Hayes, D. F., et al. Circulating tumor cells at each follow-up time point during therapy of metastatic breast cancer patients predict progression-free and overall survival. Clinical Cancer Research. 12 (14), 4218-4224 (2016).
  4. Choi, S., Park, J. K. Microfluidic system for dielectrophoretic separation based on a trapezoidal electrode array. Lab on a Chip. 5 (10), 1161-1167 (2005).
  5. Jung, Y., et al. Six-stage cascade paramagnetic mode magnetophoretic separation system for human blood samples. Biomedical Microdevices. 12 (4), 637-645 (2010).
  6. Li, P., et al. Acoustic separation of circulating tumor cells. Proceedings of the National Academy of Sciences. 112 (16), 4970-4975 (2015).
  7. Lin, Y. H., Lee, G. B. Optically induced flow cytometry for continuous microparticle counting and sorting. Biosensors and Bioelectronics. 24 (4), 572-578 (2008).
  8. Gramotnev, D. K., et al. Thermal tweezers for surface manipulation with nanoscale resolution. Applied Physics Letters. 90 (5), 054108(2007).
  9. Huang, L. R., et al. Continuous particle separation through deterministic lateral displacement. Science. 304 (5673), 987-990 (2004).
  10. Yin, D., et al. Multi-stage particle separation based on microstructure filtration and dielectrophoresis. Micromachines. 10 (2), 103(2019).
  11. Yoon, Y., et al. Clogging-free microfluidics for continuous size-based separation of microparticles. Scientific Reports. 6 (1), 1-8 (2016).
  12. Alvankarian, J., Majlis, B. Y. Tunable microfluidic devices for hydrodynamic fractionation of cells and beads: a review. Sensors. 15 (11), 29685-29701 (2015).
  13. Irimia, D., Toner, M. Cell handling using microstructured membranes. Lab on a Chip. 6 (3), 345-352 (2006).
  14. Huang, S. B., et al. A tunable micro filter modulated by pneumatic pressure for cell separation. Sensors and Actuators B: Chemical. 142 (1), 389-399 (2009).
  15. Chang, Y. H., et al. A tunable microfluidic-based filter modulated by pneumatic pressure for separation of blood cells. Microfluidics and Nanofluidics. 12 (1-4), 85-94 (2012).
  16. Oh, C. K., et al. Fabrication of pneumatic valves with spherical dome-shape fluid chambers. Microfluidics and Nanofluidics. 19 (5), 1091-1099 (2015).
  17. Liu, W., et al. Dynamic trapping and high-throughput patterning of cells using pneumatic microstructures in an integrated microfluidic device. Lab on a Chip. 12 (9), 1702-1709 (2012).
  18. Jang, J. H., Jeong, O. C. Fabrication of a pneumatic microparticle concentrator. Micromachines. 11 (1), 40(2020).
  19. McDonald, J. C., et al. Poly(dimethylsiloxane) as a material for fabricating microfluidic device. Accounts of Chemical Research. 35 (7), 491-499 (2002).
  20. Brivio, M., et al. A MALDI-chip integrated system with a monitoring window. Lab on a Chip. 5 (4), 378-381 (2005).
  21. Jeong, O. C., Konishi, S. The self-generated peristaltic motion of cascaded pneumatic actuators for micro pumps. Journal of Micromechanics and Microengineering. 18 (8), 085017(2008).
  22. Taff, B. M., Voldman, J. A scalable addressable positive dielectrophoretic cell-sorting array. Analytical Chemistry. 77 (24), 7976-7983 (2005).
  23. Pamme, N., et al. On-chip free-flow magnetophoresis: Separation and detection of mixtures of magnetic particles in continuous flow. Journal of Magnetism and Magnetic Materials. 307 (2), 237-244 (2006).
  24. Harris, N. R., et al. Performance of a micro-engineered ultrasonic particle manipulator. Sensors and Actuators B: Chemical. 111, 481-486 (2005).
  25. Yoon, Y., et al. Clogging-free microfluidics for continuous size-based separation of microparticles. Scientific Reports. 6 (1), 1-18 (2016).
  26. Beattie, W., et al. Clog-free cell filtration using resettable cell traps. Lab on a Chip. 14 (15), 2657-2665 (2014).
  27. Cheng, Y., et al. A bubble- and clogging-free microfluidic particle separation platform with multi-filtration. Lab on a Chip. 16 (23), 4517-4526 (2016).

Toegang beperkt. Log in of start een proefperiode om deze inhoud te bekijken.

Herprints en machtigingen

Tags

Pneumatische klepPDMS-microkanalenpneumatische microfluidicastroombeheersing van microbeadsmonsterladendiafragmaklepdebietmetingfabricage van microfluidische apparaten
Pneumatisch aangedreven microfluïdisch platform voor microdeeltjesconcentratie
Neem contact met ons op
Aanbevelen aan de bibliotheek

Privacy

Gebruiksvoorwaarden

Beleidsoverzicht

Copyright © 2026 MyJoVE Corporation. Alle rechten voorbehouden.