High Speed Droplet-based Delivery System voor Passive Pompen in microfluïdische apparaten
2 september 2009
Een nieuwe microfluïdische systeem is ontwikkeld met behulp van het fenomeen van de passieve pompen en een door de gebruiker gecontroleerd vloeistof aflevering systeem. Dit microfluïdische systeem heeft de potentie om te worden gebruikt in een breed scala van biologische toepassingen, gezien de lage kosten, gebruiksgemak, volumetrische precisie, hoge snelheid, herhaalbaarheid en automatisering.
Passief pompen vereist een grote druppel bij de uitlaat en een kleine druppel bij de inlaat. Dit veroorzaakt het drukverschil dat nodig is om de stroming aan te drijven. Afwisselende druppels van verschillende vloeistoffen zorgen ervoor dat pakketten door het kanaal stromen en uiteindelijk bij de uitlaat worden opgevangen.
Hoge stroomsnelheden kunnen worden bereikt door druppels met een laag volume af te leveren bij een frequentie die hoog genoeg is om een stabiele vloeistofschil bij de inlaat te verkrijgen. Hallo, ik ben Pedro Reto van het Justin Williams lab van de afdeling Biomedical Engineering aan de University of Wisconsin Medicine. En ik ben Brian Mogan, ook van het Williams lab.
En ik ben Aaron Burier van het laboratorium van professor S, eveneens van de afdeling biomedische technologie van a W Medicine. Vandaag laten we u een procedure zien voor passief pompen in microfluïdische apparaten. In ons lab gebruiken we deze procedure om de stroming binnen microkanalen te bestuderen en om de fluïdische uitwisseling binnen het kanaal voor biologische toepassingen te onderzoeken.
Laten we beginnen. Maak eerst een microfluïdisch apparaat van polymethylsiloxaan met behulp van de techniek van zachte lithografie. Snijd vervolgens het apparaat uit en breng dit daarna reversibel aan.
Bevestig het PDMS-apparaat aan een glazen objectglas door het op het glas te drukken en eventuele luchtbellen eruit te persen. Een omkeerbare bevestiging maakt het mogelijk om het apparaat meerdere keren te hergebruiken. Vul het apparaat nu met vloeistof.
We gebruiken water met voedingskleurstof. Als de vloeistof niet uit zichzelf het kanaal ingaat, breng dan een druppel vloeistof aan bij de inlaat en gebruik een pipet aan het tegenovergestelde uiteinde om de vloeistof door het kanaal te zuigen. Nadat het apparaat met vloeistof is gevuld, plaatst u een kleine druppel op de inlaat en een grotere druppel op de uitlaat.
Controleer of de vloeistof stroomt door te observeren dat de kleine druppel bij de inlaat inklapt terwijl de druppel bij de uitlaat groter wordt. Voordat we verder gaan, leggen we de basisrelaties van passief pompen uit. De dynamiek van gepompte druppels hangt af van verschillende factoren: de afmetingen van het kanaal (hoogte en lengte) en de grootte van de druppel die bij de inlaat wordt geplaatst.
Om een beter beeld te geven van hoe deze factoren de stroming beïnvloeden, bespreken we een paar voorbeelden. Laten we beginnen met twee vergelijkbare kanalen. Deze hebben dezelfde breedte en hoogte, maar het ene kanaal is langer dan het andere.
Nu plaatsen we druppels van dezelfde grootte bij de inlaat van elk kanaal. Let op hoe de druppel bij de inlaat van de kortere kanalen sneller inklapt dan de druppel bij de langere kanalen. Dit komt doordat een langer kanaal een grotere vloeistofweerstand heeft en de stroming daarin trager is.
Laten we nu twee andere kanalen verkennen met dezelfde lengte en hoogte, maar verschillende breedtes. Laten we identieke druppels bij de inlaat van elk kanaal plaatsen en kijken hoe ze inklappen. Zie je hoe het dunnere kanaal er langer over doet om de inlaatdruppel te laten inklappen?
Dit komt doordat het smallere kanaal een grotere vloeistofweerstand heeft dan het bredere kanaal. Laten we tot slot twee identieke kanalen nemen en druppels van verschillende grootte bij de inlaat van elk kanaal plaatsen. Let op hoe de grotere inlaatdruppel er langer over doet om in te zakken dan de kleinere inlaatdruppel.
Dit komt doordat een kleinere druppel een kleiner volume en een hogere inwendige druk heeft dan een grotere druppel. Nu we weten dat kleinere druppels superieur zijn aan grotere druppels, en hebben waargenomen hoe snel deze kleine druppels kunnen inklappen, rijst de vraag hoe we volumetrisch nauwkeurige druppels aan de inlaat van een kanaal kunnen toevoeren op een manier die biologische experimenten mogelijk maakt.
Stel met behulp van de micro-dispensing startkit van Lee Company één of meer kleppen samen, bestaande uit de vol-klep, een spuitmond met een opening van 0,0100 inch en een adapter voor een zachte slang. Hier is de klep via de slangconnectoren voor de klep verbonden met de bedieningskast, wat we in de vorige stap hebben gedaan. Daarnaast hebben we een spanningspiekbron, die deze wortel hier is.
Vervolgens hebben we onze controle-spanningsbron, gevolgd door de houdspanningsbron. En ten slotte, in verbinding met de aarde om de kleppen op hun plaats te houden terwijl we op de inlaat richten. Gebruik bioscience tools, miniatuurhouders.
Hiermee kan de klep nauwkeurig worden gericht en in een bepaalde positie worden vastgehouden. Maak tijdens het experiment met spuiten van driekwart ounce een reservoir-systeem dat enkele voet boven het PDMS-apparaat wordt geplaatst. Het reservoir zorgt voor een drukhoofd om de nozzles aan te sturen.
Bevestig een injectienaald aan de spuit. Bevestig de injectienaald vervolgens aan slang met een binnendiameter van 1,14 millimeter, en verbind deze vervolgens met slang met een binnendiameter van 1,58 millimeter. Gebruik PDMS als afdichtingsmiddel.
Sluit nu de slang met een binnendiameter van 1,58 millimeter aan op de adapter voor de zachte slang van de klep. Nu er een verbinding is tussen de spuitnaald en de klep, vult u de reservoirs van de spuit met vloeistof om de kleppen te spoelen en de slang met water te vullen. Plaats een magneet aan de zijkant van de klep en observeer hoe de vloeistof vanuit het reservoir door de klep gaat stromen en uit de 0,01 inch nozzle komt.
We besturen dit systeem met een computer met behulp van LabVIEW en de spike-and-hold-controlebox van The Lee Company. Om het systeem te kalibreren, richt u één klep op een Petrischaal of een weegbootje. Open vervolgens de klep voor de gewenste tijd en weeg het totale volume water dat uit de spuitmond komt.
Deel dit volume door de totale open tijd van het systeem. Deze kalibratie stelt de gebruiker in staat om het watervolume te bepalen dat gedurende een willekeurige periode uit de spuitmond spuit. Nadat het systeem is gekalibreerd, richt men de spuitmond op de inlaat van een kanaal; op basis van de voorgaande kalibratie spuit men een volume uit de spuitmond zodanig dat een druppel bij de inlaat van het kanaal terechtkomt, zonder dat deze te groot is om morsen te veroorzaken of te klein om opgemerkt te worden.
Vergeet niet om tussen de experimenten door luchtbellen te verwijderen. Nu de basisprincipes van passief pompen bekend zijn en de systeemkalibratie is toegelicht, bekijken we wat een gebruiker zou moeten zien als alles correct verloopt. De volgende video toont een stroming door een microfluïdisch kanaal, waarbij wordt overgegaan van hogere volumes bij lage frequenties naar lage volumes bij hoge frequenties.
Dit moet de gebruiker inzicht geven in de mogelijkheden van pompen met een pulserende stroming in combinatie met een geautomatiseerd vloeistoftoedieningssysteem. De apparaatafmetingen die in de volgende video's worden gebruikt, zijn 2,22 millimeter breed, 10 millimeter lang en 260 micrometer hoog. De diameters van de inlaat en uitlaat zijn respectievelijk 1,78 millimeter en 5,11 millimeter.
Twee of meer kleppen zijn nodig om alternerende stromingen te creëren, zoals hierboven getoond. Vervolgens volgt een video die de maximale stroomsnelheid laat zien die mogelijk is met het huidige gebruikte apparaat. In dit geval wordt één enkele klep gebruikt om de vloeistof toe te dienen.
Om de balans van het systeem te handhaven, is het belangrijk om de klep direct vanaf de bovenkant van de inlaat te richten. Let op de schaal die de druppel bij de inlaat vormt. Dit representeert de constante druk die wordt gehandhaafd door water zo snel mogelijk naar de inlaat te leveren als het apparaat het passief kan pompen.
Let daarnaast op hoe de inlaatdruppel op een zeker moment overloopt. Dit wordt zeer waarschijnlijk veroorzaakt door het verstoren van de uitlaatdruppel. Door de overloop bij de inlaat te verwijderen, herstelt het systeem het evenwicht en gaat de stroming verder.
In dit gedeelte hebben we gedemonstreerd hoe u een passief pompsysteem kunt opzetten, kalibreren en bedienen met behulp van commercieel verkrijgbare micronozzles. Bij het uitvoeren van deze experimenten is het altijd belangrijk om een stabiele drukbron te hebben om te voorkomen dat er bellen in uw kanaal terechtkomen, en om de afwegingen tussen de kanaalgeometrie en de druppelgrootte te kennen om de gewenste stromingen en uitwisselingen te bereiken. Zorg er bijvoorbeeld voor dat de uitlaatdruppel niet te groot wordt, omdat dit kan leiden tot vervuiling of kan resulteren in het bereiken van uw inlaat, en houd uw PDMS-apparaten schoon en droog.
Dat was alles. Bedankt voor het kijken en veel succes met uw experimenten.
Bekijk het volledige transcript en krijg toegang tot duizenden wetenschappelijke video's
Overzicht
Er is een nieuw microfluidisch systeem ontwikkeld dat gebruikmaakt van passieve pomping en een door de gebruiker regelbaar vloeistoftoevoersysteem. Dit systeem is ontworpen voor diverse biologische toepassingen vanwege de lage kosten, het gebruiksgemak en de hoge precisie.
Belangrijkste studiecomponenten
Wetenschapsgebied
- Microfluidica
- Biomedische Techniek
- Stromingsleer
Achtergrond
- Passief pompen houdt in dat er een drukverschil wordt gecreëerd met behulp van druppels.
- Afwisselende vloeistofdruppels kunnen stroompakketten in microkanalen genereren.
- Hoge stroomsnelheden kunnen worden bereikt met druppels van een gering volume.
- Deze technologie kan biologische experimenten en analyses verbeteren.
Doel van de studie
- Om een kosteneffectief microfluïdisch systeem te ontwikkelen.
- Om de precisie van vloeistoflevering in biologische toepassingen te verbeteren.
- Om processen te automatiseren voor een betere reproduceerbaarheid en snelheid.
Gebruikte methoden
- Ontwerp van een microfluïdisch systeem dat gebruikmaakt van passieve pomping.
- Implementatie van een door de gebruiker regelbaar mechanisme voor vloeistoftoevoer.
- Testen van stroomsnelheden met variërende druppelgroottes.
- Evaluatie van de systeemprestaties in biologische contexten.
Belangrijkste resultaten
- Het systeem vertoonde een hoge volumetrische precisie.
- De stroomsnelheden werden aanzienlijk verbeterd met het nieuwe ontwerp.
- Automatisering leidde tot een verbeterde reproduceerbaarheid van de experimenten.
- Het systeem is aanpasbaar voor diverse biologische toepassingen.
Conclusies
- Het ontwikkelde microfluïdische systeem biedt een veelbelovend instrument voor onderzoekers.
- De lage kosten en het gebruiksgemak maken het toegankelijk voor diverse laboratoria.
- Toekomstige toepassingen kunnen worden uitgebreid naar meerdere gebieden van biologisch onderzoek.
Veelgestelde vragen
Industriële Relevantie voor Managers
Dit druppelgebaseerde microfluïdische systeem maakt nauwkeurige, hoogfrequente vloeistoftoediening voor biologische toepassingen mogelijk door passieve pomping te combineren met geautomatiseerde druppelgeneratie. Het ondersteunt reproduceerbare reagentia-dosering en dynamische vloeistofuitwisseling in microkanalen, waardoor belangrijke uitdagingen in assay-ontwikkeling en workflows voor targetvalidatie worden aangepakt. De technologie vergroot de voorspellende betrouwbaarheid in de vroege ontdekkingsfase door controleerbare vloeistofdynamica te bieden voor studies naar interacties tussen geneesmiddelen en cellen en voor mechanistische screening.
Strategische Toepassingen in Biopharma R&D
Vroege Ontdekking & Targetvalidatie
- Wetenschappelijke waarde: Maakt het toetsen van therapeutische hypothesen mogelijk door middel van gecontroleerde vloeistofuitwisseling en druppelgestuurde menging bij microfluïdische inlaatpoorten.
- Operationele waarde: Biedt volumetrisch nauwkeurige druppelafgifte via spanningsgestuurde kleppen, wat reproduceerbare dosering van verbindingen in microfluïdische assays ondersteunt.
- Voorspellende waarde: Faciliteert dynamische vloeistofuitwisseling in kanalen met een snelheid tot wel acht milliseconden, wat snelle perturbatie en uitlezing in studies naar target-interactie mogelijk maakt.
Screening & Assayontwikkeling
- Wetenschappelijke waarde: Ondersteunt de preparatie van stabiele vloeistofmantels bij kanaalinlaten via hoogfrequente druppelafgifte, waardoor consistente basiscondities voor screening mogelijk worden gemaakt.
- Operationele waarde: Behaalt stroomsnelheden tot 4 mL/min in kanalen van 2,2mm x 260µm, wat een hoge doorvoersnelheid voor vloeistofuitwisseling en reagentia-aanvulling in microfluïdische formaten mogelijk maakt.
- Schaalbaarheid: Maakt gebruik van commercieel beschikbare micronozzles en controlesystemen, waardoor het platform kan worden hergebruikt voor meerdere microfluïdische apparaatontwerpen.
Translationeel & Preklinisch Onderzoek
- Translationele Continuïteit: Maakt drug-cell studies mogelijk door stroomkarakteristieken en momentum-gestuurde menging bij microfluïdische inlaatopeningen te beheersen, wat relevant is voor farmacokinetische en farmacodynamische modellering.
- Mechanische Risicoreductie: Maakt het mogelijk om de interactie tussen druppelmomentum en oppervlaktespanning te bestuderen, wat inzicht geeft in het fluïdische gedrag dat de toediening van reagentia en de cellulaire respons beïnvloedt.
- Voorspellend Vertrouwen: Biedt een ziekte-relevant systeem voor het bestuderen van vloeistof-gemedieerde biologische processen onder gecontroleerde hydrodynamische omstandigheden.
Integratie van Pipeline & Workflow
Het systeem integreert in vroege discovery-workflows door nauwkeurige vloeistofmanipulatie voor targetvalidatie en assay-gereedheid mogelijk te maken, waarbij druppelgebaseerde afgifte wordt gecombineerd met passieve pomping voor continue microfluïdische werking.
- Ontdekkingsbiologie: Ondersteunt hypothesetoetsing via gecontroleerde druppelafgifte en vloeistofuitwisseling, waardoor onderzoekers doeldynamiek onder gedefinieerde stromingscondities kunnen onderzoeken.
- Screening: Maakt assay-gereedheid mogelijk door de vorming van een stabiele vloeistofschil bij de inlaat via hoogfrequente druppelafgifte, wat de reproduceerbaarheid bij het screenen van verbindingen verbetert.
- Analytica: Biedt kwantitatieve metingen van vloeistofuitwisseling (bijv. 8 ms uitwisselingstijd) die teams helpen condities te vergelijken en kinetische responsen in microfluidische formaten te beoordelen.
- Translationeel Onderzoek: Verbindt met preklinische continuïteit door drug-celstudies onder gecontroleerde stroming mogelijk te maken, wat relevant is voor het modelleren van in vivo-achtige vloeistofdynamica.
- Bedrijfsmatige Hergebruik: Maakt gebruik van een herbruikbaar microfluidisch device met een omkeerbare PDMS-glasverbinding, wat herhaald gebruik in meerdere experimenten en teams ondersteunt.
Operationele & Bedrijfsimpact
- Wetenschappelijke waarde: Vermindert mechanische ambiguïteit in vloeistofgestuurde biologische responsen door nauwkeurige controle over druppelmomentum en het equilibreren van de oppervlaktespanning mogelijk te maken.
- Operationele waarde: Garandeert standaardisatie en reproduceerbaarheid via gekalibreerde, spanningsgestuurde druppelafgifte en omkeerbare bevestiging van het apparaat.
- Strategische waarde: Verbetert go/no-go-beslissingen door betrouwbare vloeistofuitwisselingskinetiek en mengmogelijkheden te bieden voor biologische beoordelingen in een vroeg stadium.
- Portfolio-impact: Ondersteunt risicogebaseerde prioritering door kwantificeerbare output van vloeistofdynamica die bijdraagt aan het assay-ontwerp en het vertrouwen in de targetvalidatie.
Overwegingen voor implementatie
- Vereist expertise in de fabricage van microfluïdische apparaten, passieve pompprincipes en spanningsgestuurde vloeistoftoevoersystemen.
- Vereist instrumentatie, waaronder micro-doseerkleppen, controleboxen (spike/hold), drukreservoirs en microscopie voor flow-observatie.
- Vereist standaardisatie tussen teams van de kalibratie van het druppelvolume, de positionering van de spuitmond en de opstelling van het reservoir om consistente prestaties te garanderen.
- Omvat aanpassingen voor verschillende kanaalgeometrieën, vloeistofviscositeiten en druppelhoeken om overloop bij de inlaat of instabiele flow-shells te voorkomen.
- Omvat praktische beperkingen, zoals het risico op belvorming bij een instabiele drukhoogte en de noodzaak om de druppelgrootte bij de uitlaat te beheren om terugstroming of perturbatie bij de inlaat te voorkomen.
