Brain Stimulation Snijd met behulp van een Microfluïdische Netwerk en Standard Perfusie Kamer
1 oktober 2007
Demonstreren we de fabricage van een eenvoudige microfluïdische apparaat dat kan worden geïntegreerd met standaard elektrofysiologie opstellingen om microschaal oppervlakken van een brein slice bloot in een goed gecontroleerde manier aan verschillende neurotransmitters.
Het belangrijkste doel van het project dat we u vandaag gaan laten zien, is om de hersenslice-stimulatie ruimtelijk en tijdelijk te kunnen controleren. En een ander belangrijk punt is dat met een eenvoudige aanpassing in de toch al ingewikkelde elektrofysiologische setup, we dit microfluïdische apparaat kunnen verspreiden onder de verschillende laboratoria die deze hersenleven-stimulatie daadwerkelijk gebruiken. Hallo, ik ben Java Chek Mohammad met het Edington lab in de afdeling Bio-engineering aan de Universiteit van Illinois in Chicago.
Vandaag ga ik laten zien hoe we een eenvoudige micro vervaardigde microfluïdische apparaat gaan toepassen voor hersenslice-stimulatie. Het hersenslice apparaat dat we vandaag gaan demonstreren, is heel nuttig vanwege verschillende redenen en de belangrijkste redenen zijn dat het zo modulair is dat het zonder verdere aanpassingen in de bestaande elektrofysiologische setup past. En het vermijdt het gebruik van slangen en pompen, wat een microfluïdisch apparaat ingewikkelder maakt.
En omdat we de passieve pompmethode gebruiken, hebben we geen slangen of pompen nodig. En het derde is dat het gewoon een dunne laag PDMS-membraan is die tussen een dekglas en een standaard perfusiekamer gaat, die wordt gebruikt in een standaard elektrofysiologische setup. De procedure die ik vandaag ga demonstreren, begint met een C acht master, die is gemaakt met behulp van standaard SV acht litografie proces.
En de master die we vandaag hier hebben, is een tweeniveau master met één niveau met het ontwerp van de kanalen, de microkanalen, en een ander ontwerp voor VR-openingen die bovenop deze kanalen gaan, zodat de oplossingen die door de kanalen stromen, uit de via-openingen kunnen komen. Dus we maken deze master, die op een siliconen wafer staat, en dan gebruiken we siliconen of PDMS om op de bovenkant van dit apparaat te gieten en de structuren die op deze wafer staan, op het PDMS te vormen. Dus we gaan het PDMS op de bovenkant van dit apparaat gieten.
En dan gaan we het PDMS-membraan nemen dat is gevormd na het uitharden en dat aan een dekglas is gebonden. En dan hebben we ons microfluïdische apparaat. En dan gaan we een standaard perfusiekamer aanpassen door een dunne laag PDMS op de bodem van de perfusiekamer te plaatsen.
En zodra we deze aangepaste perfusiekamer hebben, gaan we het microfluïdische apparaat dat we eerder hebben gemaakt, bonden aan de perfusiekamer. Er zijn twee kritieke punten in de fabricage van het microfluïdische apparaat. Eén is dat voordat we het PDMS plaatsen, de hot plate moet worden uitgeschakeld, zodat het PDMS niet onmiddellijk queue wanneer we het op de wafer gieten.
En een ander kritisch punt is dat de ruimters die we op de vier hoeken van de siliconen wafer gebruiken, een hoogte moeten hebben die minder is dan de hoogste structuur op de siliconen wafer. Dit is om ervoor te zorgen dat de VR-openingen kunnen worden verkregen wanneer we het uithardingsproces voor het PDMS doen. Hier zijn we in deze soft wall modular clean room en dit is de master die we hebben gemaakt met behulp van standaard a C acht litografie proces.
En het is een twee niveau master met het eerste niveau met het ontwerp voor de kanalen met vier inlaten en één uitlaat. En in het middengebied van alle vier de kanalen, zijn er via's of pos die op de kanalen staan. En dit zijn de uitlijningsmarkeringen die tijdens het fabricageproces zijn gemaakt.
En nu ga ik laten zien hoe ik het ga verwijderen en het PDMS gaan uitharden. Vanwege het randkraaleffect, is de dikte in de buitenrand van de wafer meer dan de werkelijke apparaten in het midden van het papier. Dus wat we gaan doen, is deze uitlijningsmarkeringen verwijderen met behulp van het reserve mes en dan om de gewichten te accommoderen, gaan we deze ruimters gebruiken die 140 micron hoog zijn en we gaan ze in de vier hoeken van de wafer plaatsen.
Dus je moet ervoor zorgen dat het scheermes niet in de buurt van de werkelijke apparaten komt. Nu ga ik deze SVA-deeltjes verwijderen met behulp van de luchtduster en de wafer is nu klaar voor de PDMS-vormbereiding. Maar voordat we dat doen, moeten we deze ruimters die 140 micron hoog zijn, plaatsen.
Dus ik ga de vier tapes op de vier hoeken van de wafer plaatsen. Dan ga ik ervoor zorgen dat de tape goed op de wafer hecht. De reden waarom de tape 140 micron hoog was, is dat de twee niveau master met de kanalen en de VS 150 micron hoog is.
En wanneer we het gewicht bovenop het PDMS plaatsen tijdens het uitharden van het PDMS, willen we ervoor zorgen dat het PDMS-blad vlak komt. Dus we gebruiken vier ruimters op de hoeken met gelijke hoogte. Nu ga ik laten zien hoe we het PDMS gaan coderen en gaan uitharden om de apparaten te maken.
Maar voordat ik dat doe, laat me je laten zien hoe we de PDMS-oplossing hebben voorbereid. Dus we nemen 10 delen van de basis en één deel van het uithardingsmiddel en mengen het grondig. Vanwege het mengproces, zie je dat we veel luchtbelletjes in de PDMS-oplossing genereren om deze luchtbelletjes te verwijderen, gaan we het PDMS in de desiccator plaatsen na het invullen, nadat het PDMS in de desiccator gedurende 10 minuten heeft gestaan, zijn er geen luchtbelletjes meer.
En nu is het PDMS klaar om te worden gebruikt voor het uitharden. Nu ga ik je laten zien hoe we het PDMS op de wafer gaan plaatsen en het gaan uitharden om het PDMS-membraan te verkrijgen. Dus ik ga het PDMS op de wafer plaatsen en dan deze transparantie gebruiken om het PDMS te bedekken.
En dit zal ons helpen om het apparaat los te maken, het apparaat van de transparantie te scheiden, en dan ga ik de gewichten bovenop de transparantie plaatsen. En de reden waarom we de gewichten gebruiken, is om een uniforme dikte van het PDMS te krijgen. En een andere kritieke kwestie is om de via-openingen te verkrijgen.
Dus waar er VS is, willen we geen PDMS en de gewichten zullen ons helpen om dat te doen. Zoals je hier kunt zien, is de hot plate uit
Bekijk het volledige transcript en krijg toegang tot duizenden wetenschappelijke video's
Overzicht
Dit artikel toont de fabricage van een microfluïdisch apparaat dat ontworpen is voor integratie met elektrofysiologische setups. Het apparaat maakt gecontroleerde blootstelling van herfsnedeoppervlakken aan verschillende neurotransmitters mogelijk.
Belangrijkste onderdelen van het onderzoek
Wetenschapsgebied
- Neurowetenschappen
- Elektrofysiologie
- Microfluïdica
Achtergrond
- Elektrofysiologische setups worden vaak gebruikt voor herfsnedestimulatie.
- Bestaande methoden omvatten vaak complexe buizen en pompsystemen.
- Er is behoefte aan eenvoudigere, modulaire oplossingen in neurowetenschappelijk onderzoek.
- Microfluïdische apparaten kunnen de precisie van neurotransmittertoediening verbeteren.
Doel van het onderzoek
- Om een microfluïdisch apparaat te ontwikkelen dat naadloos integreert met bestaande setups.
- Om ruimtelijke en temporele controle van herfsnedestimulatie mogelijk te maken.
- Om het proces van neurotransmittertoediening in onderzoek te vereenvoudigen.
Gebruikte methoden
- Fabricage van een microfluïdisch apparaat.
- Integratie met standaard elektrofysiologische apparatuur.
- Testen van het apparaat voor gecontroleerde neurotransmitterblootstelling.
- Evaluatie van de modulariteit en gebruiksgemak van het apparaat.
Belangrijkste resultaten
- Het microfluïdische apparaat past in bestaande setups zonder wijzigingen.
- Het elimineert de behoefte aan complexe buizen en pompen.
- Aantoont effectieve controle over neurotransmittertoediening.
- Maakt bredere verspreiding onder onderzoekslaboratoria mogelijk.
Conclusies
- Het ontwikkelde apparaat verbetert de functionaliteit van elektrofysiologische setups.
- Het biedt een modulaire oplossing voor herfsnedestimulatie.
- Deze innovatie kan onderzoeksresultaten in de neurowetenschappen verbeteren.
Veelgestelde vragen
Executive Industry Relevance
This microfluidic platform addresses a key challenge in neuroscience drug discovery: achieving precise spatial and temporal control of neurotransmitter exposure in brain slice models. By enabling localized stimulation without complex tubing or pumps, it supports mechanistic de-risking of CNS targets through reproducible, microenvironment-specific stimulation. The modular design allows seamless integration into existing electrophysiology workflows, enhancing assay standardization and cross-lab reproducibility in target validation pipelines.
Strategic Applications in Biopharma R&D
Early Discovery & Target Validation
- Scientific Value: Enables interrogation of therapeutic hypotheses by spatially controlling neurotransmitter delivery to defined brain slice regions.
- Operational Value: Supports functional target validation through reproducible, localized stimulation without confounding global perfusion changes.
- Predictive Value: Enhances confidence in target engagement by allowing temporal modulation of chemical stimuli to mimic in vivo neuromodulatory tones.
Screening & Assay Development
- Assay Readiness: Prepares validated biological systems for downstream workflows by enabling consistent, quantifiable neurotransmitter exposure via microfluidic channels.
- Reproducibility: Addresses assay standardization needs through passive pumping and modular design, reducing variability in compound evaluation.
- Scalability: Facilitates platform reuse across labs due to simple integration with standard perfusion chambers and off-the-shelf equipment.
Translational & Preclinical Research
- Disease Relevance: Supports modeling of region-specific neurotransmitter imbalances in neuropsychiatric disorders through spatially controlled stimulation.
- Translational Continuity: Bridges discovery and preclinical validation by enabling imaging and electrophysiology readouts under defined chemical microenvironments.
- Risk-Adjusted Advancement: Improves go/no-go decisions by reducing mechanistic ambiguity in neurotransmitter pathway modulation.
Pipeline & Workflow Integration
The method fits within the discovery continuum from target hypothesis testing to lead identification, providing a reproducible platform for mechanistic interrogation of CNS targets prior to compound screening.
- Discovery Biology: Supports hypothesis testing and pathway clarification by enabling precise spatiotemporal control of neurotransmitter exposure in brain slices.
- Screening: Enhances assay readiness through standardized, quantitative outputs from microfluidic channel-based stimulation.
- Analytics: Enables comparison of stimulation conditions via measurable fluorescent dye dispersion and electrophysiological responses.
- Translational Research: Connects to preclinical continuity by allowing concurrent imaging and electrophysiology under controlled neurotransmitter conditions.
- Enterprise Reuse: Functions as a reusable capability across neuroscience discovery programs due to modular design and minimal setup requirements.
Operational & Enterprise Impact
- Scientific Value: Predictive confidence in target validation through reduction of mechanistic ambiguity in neurotransmitter application.
- Operational Value: Standardization and scalability via passive pumping and compatibility with existing electrophysiology setups.
- Strategic Value: Better go/no-go decisions through reduced biological risk in CNS target modulation studies.
- Portfolio Impact: Risk-adjusted prioritization of targets based on reproducible, microenvironment-specific stimulation data.
Implementation Considerations
- Requires expertise in microfluidic fabrication and plasma bonding techniques.
- Depends on access to standard lithography tools and plasma treatment systems.
- Necessitates cross-team standardization for consistent device preparation and integration.
- Involves adaptation considerations for different brain slice models and neurotransmitter types.
- Practical limitations include manual alignment of inlet/outlet ports and dependence on passive flow dynamics.
Biopharma FAQs
Chapters in this video
10:54
Microfluidic Device Fabrication
0:36
Introduction
23:02
Loading a Brain Slice onto the Device
17:34
Integration of Microfluidic Device with Standard Perfusion Chamber
0:00
Title
25:18
The Utility of the Brain Slice Device for Precise Delivery of Neuro
4:15
Replica Molding
3:33
The SU8 Master
