Microfluïdische Chips Gecontroleerde met elastomeer microklep Arrays

Microfluïdica biedt celbiologen de technologie om high-throughput experimenten uit te voeren waarbij een nauwkeurige vloeistofbehandeling vereist is. Hallo, ik ben Nin Chen Lee van het Folk Lab bij de afdeling Bioengineering aan de University of Washington. Vandaag ga ik u laten zien hoe u microfluïdische tips maakt die worden aangestuurd door een PDMS-microklep-array.

Het apparaat bestaat uit drie lagen. De eerste laag is de vloeistoflaag die microkamers van verschillende grootten bevat, en de tweede laag is de controllaag die kanalen tussen de twee lagen bevat. Er is een dun PMS-membraan aanwezig vanwege de hydrofobiteit en compliantie van PMS.

Het membraan sluit af tegen de zaden, waardoor de vloeistofkamers van elkaar geïsoleerd worden. Als we vacuüm aanbrengen via de controlekanalen, kan het PDMS-membraan vervolgens doorbuigen en de voorheen geïsoleerde vloeistofkamers verbinden. Vandaag laat ik u een parallelle menger zien waarmee sub-nanolitervolumes van waterige oplossingen bij verschillende mengverhoudingen kunnen worden gemengd.

En een korte stap uit ons laboratorium gaat u een geïntegreerd microfluidisch systeem laten zien waarmee meerdere oplossingen in celculturen kunnen worden geprofundeerd. Laten we beginnen. Hier toon ik u een master met SU-8 kenmerken op een siliciumwafer.

De master werd vervaardigd via standaard fotografische SUH-procedures vanaf deze masters. We kunnen herhaaldelijk PDMS-replica's maken. Om het loslaten van PDMS van de masters te vergemakkelijken, moeten we de master eerst behandelen.

Normaal gesproken maken we de master met F-foods omdat we werken met Florence Island. Eerst plaats ik de wafer in de evaporator en breng ik druppels van de forest aan, waarna ik de kamer van de desiccator sluit. Zet het vacuüm aan, laat het vacuüm 1, 2, 3 minuten staan en sluit vervolgens het vacuüm af. Laat het een half uur verdampen en neem dan de wafer eruit. Voordat we de PDMS-replica maken, moeten we eerst de PDMS-prepolymeer en het uithardingsmiddel in een verhouding van 10 op 1 vooraf mengen.

Ik weeg 31 gram prepolymeer af, weeg vervolgens 3,1 gram aan uithardingsmiddelen af en meng deze vijf minuten lang grondig. Het eindproduct zag er als volgt uit. Daarna plaats ik het in een vacuümoven om de luchtbellen uit de PS te verwijderen gedurende vijf tot 10 minuten, totdat het transparant wordt.

Terwijl ik wacht tot de luchtbellen uit de PMS verdwijnen, kan ik siliconen slangetjes op het gebied van de controllaag lijmen. We kiezen voor siliconen slangetjes omdat deze uit hetzelfde materiaal als de PMS bestaan, waardoor ze later in het apparaat kunnen worden ingebed en een luchtdichte en vloeistofdichte afsluiting vormen. Nu breng ik een kleine hoeveelheid lijm D-cement aan op de punt van het kleine stukje siliconen slangetje en druk ik dit op het inlaatgedeelte van de master.

Om te voorkomen dat de slangetjes over de versterkers schuiven, moeten deze siliconen slangetjes zeer vlak liggen wanneer u ze knipt, en mag u niet te veel lijm aanbrengen. Leg uit hoe u de lijm precies aandrukt. Laten we kijken. Er worden regio's gecreëerd op zowel de ventilatie als het verwijderen van het deksel.

Nu is de PS ontwikkeld. Ik zal de PS bovenop de master gieten. Wees voorzichtig bij het wegtrekken van de PGA's rondom de buisjes.

Nu giet ik op de andere master die de vloeistoflaagkenmerken heeft. Na het gieten van PS op de masters moeten ze opnieuw worden ontlucht in de dust kicker gedurende vijf tot 10 minuten. Na het ontluchten harden we de PMS uit in de oven bij 65 tot 70 °C gedurende één uur tot 24 uur.

Oké, prima. Na twee uur is de PMS uitgehard. Nu snijden we het PMS-apparaat uit de SU-master en bereiden we de controlelaag voor.

Nadat de slangetjes zijn geplaatst, verwijderen we de lijm uit de inlaatgebieden. In onze apparaten zijn inlaatregio's gecreëerd op zowel de drie lagen als de controlelagen, maar we bevestigen de siliconen slangetjes slechts op één laag.

Bijvoorbeeld, hier alleen op de controlelaag. Om toegang tot de vloeistoflaag te verkrijgen, kunnen we de membraan onder de siliconen slangetjes doorprikken om een toegangspoort te creëren. Op deze manier kunnen we alle apparaten van bovenaf bereiken, waardoor het eenvoudiger is om microscopie uit te voeren met een stereoscoop en de traditionele omgekeerde microscoop.

We gaan nu naar kamer C. Om CTM S-membranen voor te bereiden, laat ik u zien hoe u de PDF-membranen centreert met behulp van de headway spinner. Voordat ik de wafer op de waferhouder plaats, bedek ik de bol met plastic folie en leg ik een papieren handdoek eronder voor een eenvoudige reiniging van eventuele resten achteraf.

Wanneer dit is voltooid, zoals we eerder bij de masters hebben gedaan, breng ik na het reinigen in de vacuümkamer ongeveer 2 mL PDMS aan op de siliciumwafer. Omdat we een membraan van 11 tot 12 micron willen verkrijgen, wordt de wafer 20 seconden lang gespind op 7.000 rpm. En nu zou ik zeggen: hier zie je de wafer spinnen. We spinnen deze gedurende de aangegeven tijd. Na het spinnen plaatsen we de wafer vier minuten lang op de warmteplaat bij 85 °C. Nu is het PDMS-membraan uitgehard.

Vervolgens oxideren we het P DM S-membraan en de controllaag in een plasma-oven. We stellen het vermogen van het platina in op 75% en gebruiken een zuurstofdruk van 30 PSI en een debiet van vijf. Deze parameters kunnen altijd worden aangepast aan verschillende toepassingen.

Zet de timer aan en schakel het plasma gedurende 30 seconden in. Plaats nu de controlelaag bovenop het membraan. Breng ze in contact; binnen enkele minuten zal de controlelaag aan het membraan gehecht zijn.

Verwijder na enkele minuten de controllaag met het membraan. We zijn nu klaar om de controllaag uit te lijnen met de volledig transparante laag. Omdat we ons niet meer in de cleanroom bevinden, gebruiken we de scotch-tip om het stof op de volledig transparante laag te verwijderen.

We moeten ook het membraan verwijderen uit het inlaatgebied van de controlelagen. Dit is om toegang te krijgen tot de onderliggende vloeistoflaag. Plaats daarom de controlelaag met het membraan bovenop de vloeistoflaag.

Controleer alle kamervloeistofkamers en de kleppen. Zorg ervoor dat ze allemaal van links naar rechts zijn uitgelijnd. Als ze niet zijn uitgelijnd, kunt u de controllaag verwijderen en dit opnieuw doen.

Hier ziet u dat de vloeistoflaag en de controlelaag zijn uitgelijnd. Nu zal ik enkele dunnere buisjes in deze inlaatopeningen plaatsen om ze te verbinden met de vloeistofbronnen en de drukbronnen. Vervolgens verbind ik de kleppen met de drukbron en de vloeistofinlaten met de vloeistofbron.

Hier hebben we twee verschillende kleurstoffen, één blauw en één geel, om de PDMS-microkleppen te openen en te sluiten. We maken gebruik van magneetventielen die zijn aangesloten op een vacuümbron en luchtdruk, waarbij de kleppen worden aangestuurd via de LightView-software. Ik open nu kleppenset nummer één.

We zien de PDMS-membranen doorbuigen en de kleppen staan open. Nu sluit ik de eerste set kleppen, en open en sluit ik de tweede set. Nu werken alle microkleppen.

Ik ga de microfluïdische kamers vullen met twee verschillende stempels. Ik open klepset nummer één en gebruik een vacuüm om de twee stempels in de kamers te trekken. Nadat de kamers met stempels zijn gevuld, sluit ik klepset nummer één om elke kamer te isoleren en schakel ik vervolgens de klepset in.

Ten tweede: het mengen van de paren in de twee arrays. Het openen van de klep en het mengen duren over het algemeen ongeveer één tot twee minuten. Aangezien we de kamergrootten in 10 verschillende maten hebben ontworpen.

We hebben dus een mengverhouding van 11 verschillende ratio's. Nadat het mengen is voltooid, sluit ik de klep, waardoor u elke individuele kamer kunt zien. Er zijn verschillende mengverhoudingen.

De kleur veranderde van blauw naar groen en vervolgens naar geel. Eenmaal gefabriceerd kunnen deze apparaten potentieel worden gebruikt in biomedische essays, zoals drugscreening, of in celbiologische studies, zoals chemotaxis of de celrespons op verschillende concentraties chemicaliën, groeifactoren of geneesmiddelen. Ik ben Chris Sip en ik ga een apparaat demonstreren dat een geïntegreerd microfluïdisch perfusiesysteem is en zeer vergelijkbaar is met het apparaat dat eerder bij de fabricage is getoond.

Het enige, belangrijkste verschil is dat we in plaats van afzonderlijke kamers die door een klep gescheiden zijn en via diffusie mengen, meerdere inlaatpoorten hebben die samenkomen en worden aangestuurd door kleppen, een multiplex-kleurenschema. Wat ik ga demonstreren is de selectieve aansturing van kleppen, waarmee verschillende inlaatpoorten aan- of uitgeschakeld kunnen worden. Daarnaast laat ik de werking van een geïntegreerd mengkanaal en het sturen van gradiënten zien.

Bovenaan het scherm ziet u 16 inlaatopeningen die samenkomen; de vloeistof stroomt van bovenaf door dit verticale kanaal en in dit vertakkingsnetwerk, wat de celkweekkamer is. We zien nu dat de inlaatopeningen overschakelen naar een blauwe kleurstof die stroomt, waarbij het laminaire stromingsprofiel zichtbaar is terwijl het door de kamer gaat. Nu maken we een combinatie van blauw en geel, en vervolgens kunnen we dit omzetten om de tegenovergestelde combinatie te creëren.

We kunnen ons gradiënt naar de rechterkant sturen. We kunnen andere typen gradiënten creëren. Hier is nu het snelle schakelen van kleppen te zien, zodat we vrij snel kunnen afwisselen tussen verschillende oplossingen.

Nu voeren we blauw en geel door deze homogenisator en de oplossing komt groen uit de kamer; we kunnen daarnaast een willekeurig aantal verschillende inlaatopeningen wisselen. In dit geval voeren we een rode inlaat door, die de plaats inneemt van alle groene oplossing. Vandaag heb ik u laten zien hoe u micro-ventielgebaseerde apparaten maakt en heb ik het mengen van twee gekleurde kleurstoffen in verschillende ratio's gedemonstreerd in sub-liter volumes.

Chris uit ons laboratorium demonstreerde daarnaast een geïntegreerd microfluïdisch systeem voor de perfusie van verschillende oplossingen. Bedankt voor het kijken en veel succes met uw eigen experiment.