Scheiden Kralen en cellen in Multi-channel Microfluïdische apparaten met behulp van Dielectrophoresis en Laminar Flow
February 4th, 2011
Dielectrophoresis (DEP) is een effectieve methode om cellen te manipuleren. Printed circuit boards (PCB's) kan bieden goedkope, herbruikbare en effectief elektroden voor contact-free celmanipulatie binnen microfluïdische apparaten. Door het combineren van PDMS-based microfluïdische kanalen met dekglaasjes op PCB's, tonen we aan kralen en cel-manipulatie en scheiding binnen multichannel microfluïdische apparaten.
Het algemene doel van deze procedure is om cellen en kralen binnen microfluïdische apparaten te manipuleren met behulp van D Elektroforese of DEP met behulp van printplaten of PCB's. Dit wordt bereikt door eerst de PCB-elektroden en microfluïdische kanalen te ontwerpen en voor te bereiden. De tweede stap van de procedure is het voorbereiden van de PCB-microfluïdische assemblage en de kraal- en celoplossingen.
De derde stap van de procedure is om de kanalen te vullen met media met lage geleidbaarheid, vervolgens de kralen en cellen te laden. De laatste stap van de procedure is om de PCB-assemblage aan te sluiten op de versterker en functiegenerator en vervolgens DEP te starten. Uiteindelijk kunnen resultaten worden verkregen die de scheiding en manipulatie van cellen en kralen in microfluïdische apparaten laten zien door het gebruik van DEP.
Over het algemeen zullen personen die nieuw zijn met deze methode worstelen omdat de principes van DEP door de gebruiker moeten worden begrepen om een effectieve elektrode te ontwikkelen die werkt met microfluïdische apparatuur voor de gewenste cel- of kraalmanipulatie. Aan de andere kant maakt het gebruik van PCB's als elektroden de activering van cellen en kralen in microfluïdische apparaten toegankelijk voor een reeks wetenschappelijke disciplines. De eerste stap van deze procedure is om de printplaat of PCB-elektroden te ontwerpen om de gewenste geometrie te hebben om een niet-uniform elektrisch veld te genereren.
Wanneer het ontwerp klaar is, bestel de aangepaste PCB-elektrodechips via een commercieel fabricagebedrijf. Nadat de op maat gemaakte PCB is aangekomen, opent u deze en inspecteert u deze voor deze demonstratie. De PCB is 8,4 centimeter lang en 2,1 centimeter breed.
De metalen elektroden zijn vijf millimeter breed. In dit voorbeeld hebben de elektroden twee lange metalen strips en twee 4,5 millimeter lange kruisgebieden waar de elektroden zijn interdigitated. Deze interdigitated gebieden genereren een sterk niet-uniform elektrisch veld om een verbinding te creëren van de stimulator naar de PCB-elektrode.
Plaats een 16 gauge draad op het uiteinde van de elektrode. Gebruik een hete soldeerbout om de draad op de metalen gebied van de PCB te houden. Dit verwarmt de draad.
Houd de soldeer op de verwarmde draad en laat een kleine hoeveelheid soldeer in de draad stromen. Nadat de draad is gevuld met soldeer, verwijdert u de soldeerbout die de draad op zijn plaats houdt terwijl de soldeer afkoelt. Herhaal het solderen voor de andere elektrische verbinding op de PCB.
De volgende stap is om microfluïdische kanalen voor te bereiden met het gewenste vertakkingspatroon. Gebruik standaard microfabricagetechnieken om een mastermal te maken om de kanalen te definiëren met behulp van een siliciumwafer en SU acht fotoresist. Deze mastermal heeft één ingangskanaal en drie doelkanalen.
De breedte van de kanalen is 100 micrometer en de hoogte van de kanalen is 27 micrometer. Zodra de mastermal is gemaakt, meng de polymethyl LAANE of PDMS-elastomeer met een uithardingsmiddel in een verhouding van 10 tot 1 wachtgewicht voor vijf minuten. Giet de vloeibare PDMS op de voorgefabriceerde SU acht mastermal en verwijder luchtbellen door de vloeibare PDMS bloot te stellen aan een vacuüm gedurende drie minuten.
Herhaal het vacuümproces indien nodig om alle luchtbellen volledig te verwijderen. Een stroom stikstofgas kan worden gebruikt om extra luchtbellen te verwijderen indien nodig. Cure de PDMS in een oven op 70 graden Celsius gedurende twee uur.
Gebruik een scheermesje om de P-D-M-S-S-lab met de microfluïdische kanalen van de wafer te verwijderen. Wees voorzichtig om de wafer met de kanaalruimte niet te breken. Gebruik een biopsiepoon om gaten te prikken voor het invoeren van vloeistoffen en cellen in het microfluïdische apparaat. Trim.
Elk overtollig PDMS. Inspecteer het microfluïdische apparaat om er zeker van te zijn dat het vrij is van stof en puin. Gebruik 3M Scotch Magic tape om de PDMS te reinigen.
Stel de PDMS-kanalen en een schone nummer nul dekslaat van 80 tot 130 micrometer dikte bloot aan plasmagas gedurende 1,5 minuten. Verwijder de PDMS-lab en de dekslaat van de plasmareiniger in een petrischaal plasma-binding, de PDMS microfluïdische kanalen gebaseerd op de dekslaat verwarm de dekslaat microfluïdische assemblage op een heet plaat ingesteld op 100 graden Celsius voor een minimum van 15 minuten. De laatste stap in het voorbereiden van het microfluïdische apparaat is om de PDMS-kanalen en dekslaat boven de elektroden van de PCB te plaatsen.
Begin met het plaatsen van ongeveer 10 microliters minerale olie op de PCB. Om een goede contact tussen de PCB en de dekslaat te garanderen, plaats de dekslaat microfluïdische kanaalassemblage op de geoliede PCB met de dekslaat. Contact opnemen met de olie druk de dekslaat microfluïdische assemblage voorzichtig naar beneden om een goed contact te garanderen en om luchtbellen te minimaliseren die kunnen afleiden van cel- en kraalvisualisatie.
Een andere belangrijke stap is om de mix van laag geleidende media voor te bereiden, 8,5% sucrose en 0,3% glucose gewicht op volume in gedeïoniseerd water. Het microfluïdische apparaat is nu klaar voor gebruik door elk microfluïdisch kanaal met 15 tot 20 microliters van de laag geleidende media te vullen met behulp van een pipet indien nodig. Gebruik vacuüm aspiratie om eventuele luchtbellen in de kanalen te verwijderen.
De volgende stap is om de testdeeltjes in het microfluïdische apparaat te introduceren. Deze demonstratie gebruikt een suspensie van 550 polystyreenkralen per microliter van laag geleidende media, omdat de kralen na verloop van tijd kunnen bezinken, suspendeert u de kralen met agitatie. Gebruik vervolgens een pipet om 200 microliters van de polystyreenkraal suspensie in het kanaal te introduceren.
De volgende stap is om de elektroden voor te bereiden, sluit de uitgang van een functiegenerator aan op de ingang van een AC-versterker. Verbind vervolgens de uitgang van de versterker met de elektrodendraden. Bedek alle elektrische draden en oppervlakken van de opstelling met elektrische tape om gebruikers te beschermen tegen mogelijke blootstelling aan schokken
Overzicht
Dit artikel bespreekt het gebruik van diëlectroforese (DEP) voor het manipuleren van cellen en kralen binnen microfluïdische apparaten met behulp van printplaten (PCB's). Door PDMS-gebaseerde microfluïdische kanalen te integreren met PCB's, wordt effectieve contactloze manipulatie en scheiding van deeltjes aangetoond.
Belangrijkste studieonderdelen
Wetenschapsgebied
- Microfluïdica
- Celmanipulatie
- Diëlectroforese
Achtergrond
- Diëlectroforese is een methode voor het manipuleren van deeltjes met behulp van niet-uniforme elektrische velden.
- Printplaten bieden een kosteneffectieve oplossing voor het creëren van elektroden.
- Microfluïdische apparaten zijn essentieel voor nauwkeurige controle van vloeistofstroom en deeltjesmanipulatie.
- Bezegrip van DEP-principes is cruciaal voor effectieve toepassing in microfluïdica.
Doel van de studie
- Om de haalbaarheid van het gebruik van PCB's voor DEP in microfluïdische toepassingen aan te tonen.
- Om een stapsgewijze procedure voor het opzetten van DEP-systemen te bieden.
- Om de manipulatie en scheiding van cellen en kralen te demonstreren.
Gebruikte methoden
- Ontwerpen en fabriceren van PCB-elektroden met specifieke geometrieën.
- Microfluïdische kanalen voorbereiden met behulp van PDMS en SU-8 fotoresist.
- Kanalen vullen met media met lage geleidbaarheid en het introduceren van testdeeltjes.
- De PCB verbinden met een versterker en functiegenerator om DEP te initiëren.
Belangrijkste resultaten
- Succesvolle manipulatie van kralen en cellen binnen het microfluïdische apparaat.
- Demonstratie van effectieve scheiding met behulp van DEP.
- Een betrouwbare methode vaststellen voor het gebruik van PCB's in microfluïdische toepassingen.
- Visuele bevestiging van deeltjesgedrag onder DEP-condities.
Conclusies
- PCB's bieden een praktische benadering voor DEP in microfluïdica.
- De studie verbetert de toegankelijkheid van DEP-technieken binnen wetenschappelijke disciplines.
- Bezegrip van DEP-principes is essentieel voor het optimaliseren van elektrodeontwerp.
Veelgestelde vragen
Executive Industry Relevance
Dielectrophoresis (DEP) using printed circuit board (PCB) electrodes enables non-contact manipulation and separation of cells and beads in microfluidic systems, offering a cost-effective alternative to specialized equipment like optical tweezers. This approach supports early-stage target validation and assay development by providing precise control over particle positioning in laminar flow, reducing reliance on complex fabrication. The method enhances predictive confidence in discovery workflows by enabling reproducible, quantitative separation of biological and synthetic particles for downstream analysis.
Strategic Applications in Biopharma R&D
Early Discovery & Target Validation
- Scientific Value: Enables interrogation of cellular responses to dielectrophoretic forces, supporting functional target validation through controlled particle manipulation.
- Operational Value: Uses accessible PCB electrodes to lower barriers for implementing DEP in multidisciplinary discovery labs.
Screening & Assay Development
- Scientific Value: Facilitates preparation of standardized bead and cell suspensions in low-conductivity media for reproducible microfluidic assays.
- Operational Value: Enables scalable separation of test particles into defined channels, supporting high-throughput screening readiness.
Translational & Preclinical Research
- Scientific Value: Demonstrates separation of HT29 colon adenocarcinoma cells from beads, providing a disease-relevant system for mechanistic de-risking.
- Operational Value: Supports continuity from discovery to preclinical workflows by enabling label-free sorting of cells based on dielectric properties.
Pipeline & Workflow Integration
This method integrates into the discovery continuum by enabling early-stage hypothesis testing through controlled particle manipulation, progressing to assay development via reproducible separation, and supporting translational research via disease-relevant cell isolation.
- Discovery Biology: Supports hypothesis testing and pathway clarification by allowing precise positioning of cells and beads in microfluidic channels under DEP.
- Screening: Delivers assay readiness through standardized particle separation into target channels, ensuring consistent readouts for compound evaluation.
- Analytics: Provides quantitative dependent variable measurements via channel-specific particle collection, enabling statistical comparison of conditions.
- Translational Research: Connects to preclinical continuity by isolating disease-relevant cells (e.g., HT29) from mixed populations for further validation.
- Enterprise Reuse: Positions PCB-based DEP as a reusable platform across projects due to standardized electrode design and microfluidic assembly.
Operational & Enterprise Impact
- Scientific Value: Predictive confidence in target validation through dielectrophoretic separation of cells and beads based on intrinsic properties.
- Operational Value: Standardization and reproducibility via PCB electrode geometry and low-conductivity media protocols.
- Strategic Value: Improved go/no-go decisions by reducing mechanistic ambiguity in early-stage particle behavior studies.
- Portfolio Impact: Risk-adjusted prioritization through reliable separation data that informs advancement of cell-based assays.
Implementation Considerations
- Requires expertise in dielectrophoresis principles and electrode design to generate effective non-uniform fields.
- Depends on access to PCB fabrication facilities and PDMS microfluidic molding equipment.
- Necessitates cross-team standardization of channel dimensions, media conductivity, and frequency settings.
- Involves adaptation considerations when applying the method to different cell types or particle sizes.
- Limited by the need for vacuum degassing and plasma bonding to ensure device integrity and minimize bubble formation.
Biopharma FAQs
Chapters in this video
0:05
Title
0:58
Introduction
1:27
Prepare the PCB Electrodes
2:46
Prepare the Microfluidic Channels
5:04
Assemble the Microfluidic Channels onto the PCB Electrodes
5:53
Sort and Concentrate Beads and Cells Using DEP
7:07
Separate Beads and Cells Using DEP Actuation
9:25
Conclusion
