Een Microfluïdische-gebaseerde Hydrodynamische Trap voor Single Particles
21 januari 2011
In dit artikel presenteren we een microfluïdisch-gebaseerde methode voor deeltjesfysica opsluiting op basis van hydrodynamische stroming. Tonen we stabiel deeltje trapping in op een vloeiende stagnatie punt met behulp van een feedback control mechanisme, waardoor opsluiting en micromanipulatie van willekeurige deeltjes in een geïntegreerde microdevice.
Het algemene doel van deze methode is om enkele micro- en nanoschaal deeltjes te beperken en te manipuleren met behulp van laminaire stroming in een microfluïdisch apparaat. De hydrodynamische val bestaat uit een microfluïdisch apparaat met een cross slot kanaal geometrie, die zorgt voor een stagnatie punt stroming op de microkanaalverbinding. Een on-chip klep, gelegen in een van de uitlaatkanalen, wordt gebruikt om de vloeistofstroom actief te controleren en deeltjes te vangen.
Deeltjes worden beperkt tot een door de gebruiker gedefinieerde setpoint door actieve controle van de stagnatie punt positie. Een feedbackregelaar wordt gebruikt om de positie van het deeltje te volgen en om de on-chip klep te regelen om de positie van het deeltje op het setpoint te houden. Met behulp van de hydrodynamische val worden enkele deeltjes gevangen in verdunde of geconcentreerde deeltjesoplossingen en kunnen worden geïmager met behulp van fluorescentie of helderveldmicroscopie.
Een enkel deeltje kan worden beperkt tot binnen één micron van het valcentrum, zoals te zien is in de deeltjesbaan en de histogram van de deeltjesverplaatsing vanaf het valcentrum. Hoi, ik ben Eric Johnson Rio van Professor Charles Schroer's Lab in de afdeling Chemische en Biomoleculaire Techniek en het Centrum voor Biofysica en Computationele Biologie hier aan de Universiteit van Illinois. Hoi, ik ben Ari, een postdoctoraal onderzoeker aan het Schroeder Lab.
Hoi, ik ben Cheryl Schroeder, en vandaag gaan we je laten zien hoe je een microfluïdisch apparaat voor hydrodynamisch vangen van enkele deeltjes kunt fabriceren en implementeren. Het belangrijkste voordeel van deze techniek ten opzichte van bestaande methoden zoals optische of elektro kinetische vallen is dat hydrodynamisch vangen wordt bereikt door de enige actie van vloeistofstroming, waardoor potentieel proactieve velden voor het vangen van nanodeeltjes of cellen worden geëlimineerd. Deze techniek heeft het potentieel om fundamentele en toegepaste wetenschap te transformeren door het mogelijk te maken om vrije oplossingsvangst van micro- en nanoschaal deeltjes te bewerkstelligen zonder vereisten op de chemische of fysische eigenschappen van het gevangen deeltje.
Dus laten we beginnen. Om het afpellen van de replica's van de SU acht mallen te vergemakkelijken, izeer de oppervlakte van de SU acht mallen door de wafers 10 minuten in een vacuümdesiccator te plaatsen met een glazen schaaltje met een paar druppels tri chloro seline met gemengde en DGAs PDMS voor de vloeibare en controlelaag. Spuit de 15 tot 1 PDMS mengsel gedurende 30 seconden bij 750 RPM op de vloeibare laag mal en plaats vervolgens de wafer in een petrischaaltje.
Plaats op dezelfde manier de controlelaag mal in een petrischaaltje en giet een vijf tot 1 PDMS mengsel op de mal tot een dikte van vier millimeter. Om de PDMS lagen gedeeltelijk te harden, bak de wafers slash PDM's gedurende 30 minuten bij 70 graden Celsius en laat ze afkoelen tot kamertemperatuur. Snijd het PDMS replica met het scalpel en pel het van de SU acht mal af.
Maak vervolgens met de 21 gauge naald een gat in het PDMS als toegangspoort tot het microkanaal dat als on-chip membraanklep zal fungeren. Plaats het PDMS replica met een controlelaag op de wafer met de spin coated PDMS vloeibare laag. Lijn de controlelaag zorgvuldig uit en verzegel deze op de vloeibare laag met behulp van een stereomicroscoop.
Zorg ervoor dat alle luchtzakken tussen de lagen worden verwijderd en bak 70 graden Celsius een nacht lang om beide lagen volledig uit te harden tot een monolithische PDMS plaat met twee lagen. Nadat ze zijn afgekoeld tot kamertemperatuur, gebruik een scalpel om het PDMS replica van de SU acht mal te snijden en te pel en gebruik een scheermes om overtollig PDMS te verwijderen en elke apparaateenheid te scheiden. Maak nu toegangspoorten met een volledige pons naar de microkanalen in de vloeibare laag met een 21 gauge naald. Reinig een dekglas met aceton IPA en droog met stikstof.
Behandel zowel het dekglas als de PDMS replica oppervlakken met zuurstofplasma onder 500 millitorr gedurende 30 seconden. Breng vervolgens de twee oppervlakken onmiddellijk in contact om een onomkeerbare verzegeling te vormen. Bak tenslotte de apparaten een nacht lang om de binding tussen de PDMS lagen en het dekglas te verhogen.
Plaats eerst het microfluïdisch apparaat op het podium van een omgekeerde microscoop en bevestig het met podiumklemmen. Om de oplossingen naar het microfluïdisch apparaat te brengen, vul een een milliliter en een 250 microliter gasdicht spuitje met buffer en monsters oplossingen respectievelijk. Gebruik een T klep tussen de monsterspuit en de monsterspoort op het microfluïdisch apparaat om de monstersdoorvoer te regelen.
Stel nu de vloeistofverbindingen tussen de spuiten en het microfluïdisch apparaat vast met behulp van per fluoro oxy slang, lure lock adapters en 24 gauge metalen slang. Stel vervolgens de vloeistofverbindingen voor de uitlaatkanalen in het microfluïdisch apparaat vast met PFA slang en 24 gauge metalen slang. Om een constante drukverschil tussen de spuiten en de uitlaatkanalen te behouden, moet de PFA slang voor de uitlaten van gelijke lengte zijn en beide ondergedompeld zijn in een 1,5 milliliter centrifugeerbuisje gevuld met bufferoplossing.
Vul de on-chip klep met gefluorineerde draagolie met behulp van een drie milliliter lure lock kunststof spuit om te voorkomen dat lucht in de vloeibare laag lekt tijdens gebruik. Duw de lucht in de klepkamer door de PDMS membraan in het microkanaal. In de vloeibare laag.
Voor de werking van de on-chip klep. Verbind een geperste inerte gasvoorraad aan de poort in de controlelaag. Spoel de vloeistofverbindingen en het microfluïdisch apparaat met 0,5 milliliter bufferoplossing om ervoor te zorgen dat alle luchtbellen uit het systeem zijn verwijderd, inclusief de uitlaatkanalen.
Typische stroomsnelheden die worden gebruikt voor het verwijderen van bellen variëren tussen 2000 tot 5.000 microliters per uur nadat de luchtbellen uit de microfluïdische kanalen zijn gespoeld. Verlaag de stroomsnelheid tot 50 tot 100 microliters per uur, wat een typische volumetrische stroomsnelheid is
Bekijk het volledige transcript en krijg toegang tot duizenden wetenschappelijke video's
Overzicht
Dit artikel presenteert een methode op basis van microfluidiek voor de opsluiting en manipulatie van micro- en nanoschaal deeltjes met behulp van hydrodynamische stroming. Een feedback controlemechanisme wordt gebruikt om stabiele deeltjesopsluiting te bereiken op een vloeistof stagnatie punt binnen een microdevice.
Belangrijkste studiecomponenten
Wetenschapsgebied
- Microfluidiek
- Deeltjesmanipulatie
- Hydrodynamische opsluiting
Achtergrond
- Microfluidische devices maken nauwkeurige controle van vloeistofstroming mogelijk.
- Hydrodynamische vallen kunnen deeltjes op specifieke locaties opsluiten.
- Actieve controlemechanismen verbeteren de mogelijkheden voor deeltjesmanipulatie.
- Fluorescentie en brightfield microscopie kunnen worden gebruikt voor het beeldvormen van deeltjes.
Doel van de studie
- Om een methode te ontwikkelen voor het opsluiten van enkele deeltjes in microfluidische devices.
- Om laminare stroming te gebruiken voor effectieve deeltjesopsluiting.
- Om feedback controle te implementeren voor het handhaven van de deeltjespositie.
Gebruikte methoden
- Microfluidische device met een cross slot kanaal geometrie.
- On-chip klep voor actieve controle van vloeistofstroming.
- Feedback controller om de deeltjespositie te volgen en te reguleren.
- Beeldvormingstechnieken zoals fluorescentie en brightfield microscopie.
Belangrijkste resultaten
- Succesvolle opsluiting van enkele deeltjes in zowel verdunde als geconcentreerde oplossingen.
- Aangetoonde stabiliteit van deeltjesopsluiting op een door de gebruiker gedefinieerde setpoint.
- Effectieve regulering van de stagnatie punt positie met behulp van feedback controle.
- Mogelijkheid om opgesloten deeltjes te beeldvormen met behulp van microscopietechnieken.
Conclusies
- De methode biedt een robuuste benadering voor deeltjesmanipulatie in microfluïdische systemen.
- Actieve controlemechanismen verbeteren de precisie van de deeltjesopsluiting.
- Deze techniek kan worden toegepast in verschillende gebieden die deeltjesopsluiting vereisen.
Veelgestelde vragen
Executive Industry Relevance
This microfluidic hydrodynamic trap enables label-free, field-free confinement of single micro- and nanoscale particles in complex biological suspensions, supporting early-stage target validation by allowing direct observation of particle behavior without surface immobilization or perturbative fields. The method provides quantitative spatial control and long-term stability for mechanistic de-risking of nanoparticle-biomolecule interactions in discovery workflows. Its compatibility with concentrated samples and arbitrary particle types enhances translational relevance for preclinical screening of drug delivery vehicles and extracellular vesicles.
Strategic Applications in Biopharma R&D
Early Discovery & Target Validation
- Scientific Value: Enables interrogation of therapeutic hypotheses by trapping single particles in free solution to observe native-state interactions without optical, magnetic, or electric field artifacts.
- Operational Value: Supports functional target validation in crowded environments such as serum or cell lysates where conventional trapping fails due to background interference.
- Predictive Value: Facilitates lead identification by allowing prolonged observation of particle dynamics to assess binding kinetics and stability under near-physiological conditions.
Screening & Assay Development
- Assay Readiness: Prepares validated particle systems for downstream workflows by enabling isolation and manipulation of single entities from heterogeneous populations.
- Quantitative Output: Generates displacement histograms and trajectory data that serve as reproducible metrics for comparing particle behavior across conditions.
- Platform Scalability: Integrates with existing microfluidic devices via on-chip pneumatic valves, allowing reuse across multiple targets and increasing throughput in screening cascades.
Translational & Preclinical Research
- Disease Relevance: Maintains continuity from discovery to preclinical validation by trapping particles in biologically relevant matrices without altering surface chemistry.
- Risk-Adjusted Advancement: Enables mechanistic de-risking of nanoparticle formulations by quantifying confinement stability as a proxy for colloidal integrity in complex fluids.
- Biomarker Alignment: Supports translational biomarker studies by permitting long-term observation of single extracellular vesicles or lipid nanoparticles in undiluted biofluids.
Pipeline & Workflow Integration
The method fits within the discovery continuum from target validation through lead identification to preclinical assessment, particularly for studies requiring unperturbed particle analysis in native environments.
- Discovery Biology: Supports hypothesis testing and pathway clarification by enabling direct visualization of single-particle interactions in solution without labels or surface tethering.
- Screening: Enhances assay reproducibility through active flow control that maintains consistent trapping conditions across runs, reducing variability in particle-based assays.
- Analytics: Provides centroid tracking and displacement measurements as quantitative readouts to compare particle responses under different buffer or ligand conditions.
- Translational Research: Connects to preclinical work by allowing assessment of particle behavior in concentrated biological fluids that mimic in vivo conditions.
- Enterprise Reuse: Functions as a modular trapping module that can be integrated into various microfluidic platforms, reducing redevelopment costs across projects.
Operational & Enterprise Impact
- Scientific Value: Increases predictive confidence by eliminating field-induced artifacts and enabling observation of native particle states in suspension.
- Operational Value: Delivers standardization and reproducibility via feedback-controlled stagnation point positioning, ensuring consistent trap performance across users and sessions.
- Strategic Value: Improves go/no-go decisions by providing early, quantitative data on particle stability and interaction propensity in realistic matrices.
- Portfolio Impact: Enables risk-adjusted prioritization of nanoparticle or vesicle candidates based on single-particle trapping stability in complex fluids.
Implementation Considerations
- Requires expertise in microfluidic fabrication, fluorescence microscopy, and feedback control systems such as LabVIEW-based image processing and pressure regulation.
- Depends on pneumatic pressure regulators, on-chip valves, and high-speed imaging infrastructure for real-time particle tracking and flow adjustment.
- Necessitates cross-team standardization of valve calibration protocols and particle tracking parameters to ensure reproducibility between laboratories.
- Involves adaptation considerations when applying to non-spherical or deformable particles, as trapping efficiency may vary with shape and size under extensional flow.
- Includes practical limitations such as the need for particle fluorescence or contrast for reliable tracking, and potential drift during extended runs requiring periodic recalibration.
