-Capillaire gebaseerde centrifugale microfluïdische apparaat voor Grootte-controleerbare Vorming van Monodisperse microdruppels
February 22nd, 2016
Hier demonstreren we een eenvoudige productiemethode voor grootte-controleerbare, monodisperse, water-in-olie (W/O) microdruppeltjes met behulp van een capillair-gebaseerd centrifugaal microfluïdisch apparaat. Deze methode vereist slechts een klein monstervolume en maakt hoogwaardige productie mogelijk. We verwachten dat deze methode nuttig zal zijn voor snelle biochemische en cellulaire analyses.
Het algemene doel van deze procedure is om monodisperze water- en oliedruppeltjes te genereren voor biologische studies met behulp van een capillair gebaseerd centrifugaal axi-symmetrische co-stromende microfluïdische apparaat. Deze methode kan helpen bij het produceren van monodisperze microdruppeltjes voor het biochemische veld om de studie van werk in synthese, single-molecule PCR, encapsultatie van één enkel en de eenvoudige modellering van levende cellen te bevorderen. De belangrijkste voordelen van deze techniek zijn dat het eenvoudig en aanpasbaar is.
Het vereist minder dan een microliter monsteroplossing en kan monodisperze microdruppeltjes van de vereiste grootte produceren. Het demonstreren van de procedure zal worden gedaan door Morita, een postdoc uit mijn laboratorium. De capillaire gebaseerde microfluïdische assemblage begint met het voorbereiden van de capillaire houder.
Begin met het frezen van vier schijven uit polyacetyl kunststof platen van twee millimeter dik met behulp van een freesmachine. De schijven worden gebruikt om een kolom te vormen die wordt ondersteund door staven en schroeven. Gebruik M.2 schroeven om de platen te monteren.
Monteer eerst van schijven een en twee de bodem van de houder. Vervolgens worden de schroeven ingekort door ze in de draadsneden te snijden. Verbind drie van de vier gaten om de twee schijven te bevestigen en maak een stapel van 0,9 centimeter.
Monteer op dezelfde manier het bovenste deel van de houder uit schijven drie en vier. Gebruik twee van de gaten in elke plaat om de platen te verbinden. Maak de stapel 0,7 centimeter hoog.
Gebruik nu een lange schroef om de twee lege gaten in het bovenste deel van de houder te verbinden met de twee lege gaten in het onderste deel van de houder. De lange schroef moet een opening tussen de houders maken die ongeveer twee tot drie millimeter is en de kop van de schroef moet ongeveer 2,2 centimeter uitsteken boven de voltooide houder. Elke experiment gebruikt een nieuwe set capillairen die zijn vervaardigd uit twee capillairen.
Maak uit een 90 millimeter capillair twee binnenste capillairen met behulp van een glassnijder. Maak twee gelijkgrote secties. Maak uit een 150 millimeter capillair drie binnenste capillaire secties.
Gebruik vervolgens een glassnijder om elke capillaire sectie te verfijnen. Stel het snijgewicht op zijn maximum en stel het hitteniveau in op 60-70 graden voor de buitenste capillair of 70-80 voor de binnenste capillair. Vervolgens moet het glas zorgvuldig worden geslepen.
Houd de lengte van de vernauwde delen van de capillairen binnen de aanbevolen grenzen. Als de lengte van de uiteinden te lang of te kort is, pas dan het verwarmingselement aan tot de juiste lengte is bereikt. Bereid nu de punten voor om te snijden.
Gebruik eerst wat doorzichtig plakband om een capillair aan een microscooptafel vast te zetten. Plaats het puntje onder het objectief. Gebruik vervolgens een met glaskralen bedekte platinadraad om het puntje in drie stappen af te snijden.
Eerst brengt u het capillair waar de breuk moet plaatsvinden in contact met een koude kraal. Vervolgens verwarmt u de draad gedurende één tot twee seconden. Ten derde snijdt u het puntje af door de platinadraad af te koelen.
Deze handeling moet worden uitgevoerd met behulp van een voetpedaal om de draad te verwarmen. Gebruik vervolgens een microsmeed om de diameters van de capillaire openingen aan te passen. Maak voor de twee buitenste glazen capillairen de openingen 60 micron.
Voor de drie binnenste capillairen maakt u openingen met diameters van vijf, 10 en 20 micron. Om de microdruppeltjes te genereren, vult u eerst een buitenste glazen capillair met een oliehoudend oppervlakte-actieve stof zoals hexadecaand met 2% sorbitanmonooleaat per gewicht. Laad 10 microliters van de oplossing in de capillair.
Bevestig vervolgens de geladen copillair aan het onderste deel van de houder. Gebruik vervolgens capillaire werking om ongeveer 0,1 microliter waterige oplossing in een binnenste glazen capillair te laden. Plaats de geladen binnenste capillair in het bovenste deel van de houder.
Breng nu de binnenste capillair door de houder en in de buitenste capillair. Terwijl u het puntje door een microscoop observeert, draait u de lange schroef van de houder om de binnenste capillair langzaam en voorzichtig in de buitenste capillair te brengen. Breng de binnenste capillair naar waar de diameter van de buitenste capillair tussen 100 en 150 micron is.
Introduceer nu 100 microliter van dezelfde olie met oppervlakte-actieve stof in de bodem van een microbuisje van 1,5 milliliter. Dit zal dienen als microdopelverzamelbuisje. Plaats de houder en capillairen voorzichtig in het geladen microbuisje.
Zorg ervoor dat de buitenste capillair niet in contact komt met de oplossing in het microbuisje. Laad vervolgens het buisje in een tafelcentrifuge van het schommeluit-type. Om de microdruppeltjes te genereren, draait u de centrifuge 1.600 keer de zwaartekracht gedurende één of twee seconden.
Verwijder vervolgens de capillairen en de houder uit het buisje en neem een aliquot van de water-oliedruppeltjes die in het buisje zijn verzameld. Stuur de microdruppeltjes op een glasplaat en beeld ze af voor analyse. Met behulp van dit protocol werden verschillende water-oliedruppeltjes gemaakt van hexadecaand met 2% sorbitanmonooleaat.
Druppeltjes gemaakt met behulp van een binnenpijp met een openingdiameter van vijf micron werden gemiddeld 8,3 micron in diameter gemeten. Druppeltjes gemaakt met behulp van een binnenpijp met een openingdiameter van 10 micron werden gemiddeld 12,7 micron in diameter gemeten. Druppeltjes gemaakt met behulp van een binnenpijp met een opening van 20 micron waren ongeveer 17,9 micron in diameter.
Deze methode produceert dus monodisperze microdruppeltjes met een diameter die dicht bij de grootte van de opening van de binnenste capillair ligt. Na het bekijken van deze video, zou u een goed begrip moeten hebben van hoe u de grootte van monodisperze water- en oliedruppeltjes voor kwant
View the full transcript and gain access to thousands of scientific videos
Overzicht
Dit artikel demonstreert een methode voor het produceren van grootte-controleerbare, monodisperse water-in-olie microdruppeltjes met behulp van een capillair-gebaseerde centrifugaal microfluïdisch apparaat. De techniek is efficiënt, vereist een minimaal monstervolume en maakt een hoge opbrengstproductie mogelijk voor biochemische analyses.
Belangrijke studiecomponenten
Wetenschapsgebied
- Microfluïdica
- Biochemie
- Cellulaire analyse
Achtergrond
- Microdruppeltjes zijn essentieel voor verschillende biologische studies.
- Monodispersiteit is cruciaal voor reproduceerbaarheid in experimenten.
- Traditionele methoden kunnen grotere monstervolumes vereisen.
- Capillair-gebaseerde apparaten bieden voordelen in groottebeheersing en efficiëntie.
Doel van het onderzoek
- Om een eenvoudige methode te ontwikkelen voor het genereren van monodisperse microdruppeltjes.
- Om biochemische en cellulaire analyses te vergemakkelijken.
- Om de eenvoud en aanpasbaarheid van de techniek te demonstreren.
Gebruikte methoden
- Capillair-gebaseerde centrifugaal microfluïdisch apparaat opzet.
- Voorbereiding van de capillaire houder.
- Co-stromende microfluïdische assemblage.
- Productie van microdruppeltjes met gecontroleerde groottes.
Belangrijkste resultaten
- Succesvolle generatie van monodisperse microdruppeltjes.
- Gedeemstreerde hoge opbrengst met minimaal monstervolume.
- Geproduceerde microdruppeltjes zijn geschikt voor verschillende biochemische toepassingen.
- Procedure is eenvoudig te implementeren en aanpasbaar.
Conclusies
- De methode biedt een betrouwbare aanpak voor microdruppelgeneratie.
- Het verbetert de mogelijkheden voor snelle biochemische analyses.
- Deze techniek kan onderzoek op het gebied van single-molecule PCR en celmodellering bevorderen.
Veelgestelde vragen
Executive Industry Relevance
Rapid, size-controllable generation of monodisperse microdroplets enables scalable miniaturization of biochemical assays and single-cell analyses in early discovery workflows. This capillary-based centrifugal microfluidic device conserves precious biological samples while supporting high-throughput, quantitative experimentation. The approach strengthens predictive confidence and reproducibility at critical inflection points in biopharma R&D pipelines.
Strategic Applications in Biopharma R&D
Early Discovery & Target Validation
- Enables precise encapsulation for single-molecule PCR and single-cell studies.
- Supports functional interrogation of biological pathways with minimal sample input.
- Facilitates mechanistic de-risking by producing uniform assay conditions.
- Improves predictive confidence in target validation experiments.
Screening & Assay Development
- Prepares highly reproducible microdroplet systems for downstream biochemical screening.
- Standardizes droplet size to ensure quantitative comparability across assays.
- Enables rapid, scalable production of assay-ready microdroplets.
- Supports reliable evaluation of compound effects in miniaturized formats.
Translational & Preclinical Research
- Aligns with translational biomarker studies requiring single-cell or low-volume analysis.
- Maintains continuity from discovery through preclinical validation by conserving rare samples.
- Reduces risk in advancing candidates by supporting robust, quantitative data generation.
Pipeline & Workflow Integration
This device integrates into the discovery-to-preclinical continuum by enabling miniaturized, quantitative assays for target validation, screening, and translational research.
- Discovery Biology: Supports hypothesis testing and pathway analysis with controlled microenvironments.
- Screening: Delivers reproducible, quantitative droplet-based assays for compound evaluation.
- Analytics: Provides precise measurement of droplet size and encapsulated content for statistical comparison.
- Translational Research: Facilitates biomarker and single-cell studies with minimal sample requirements.
- Enterprise Reuse: Offers a scalable, adaptable platform for diverse R&D applications.
Operational & Enterprise Impact
- Scientific Value: Increases predictive confidence and reduces mechanistic ambiguity in early-stage studies.
- Operational Value: Enhances standardization, reproducibility, and throughput in assay development.
- Strategic Value: Improves go/no-go decision quality and capital efficiency by enabling robust data generation with limited samples.
- Portfolio Impact: Supports risk-adjusted prioritization and advancement of discovery programs.
Implementation Considerations
- Requires expertise in microfluidic assembly and capillary manipulation.
- Needs access to precision instrumentation for capillary fabrication and imaging.
- Demands cross-team standardization of droplet size and assay protocols.
- Adaptable to various biological and chemical model systems with minor adjustments.
- Limited by the need for careful handling of small sample volumes and device components.
Biopharma FAQs
Chapters in this video
0:05
Title
0:58
Fabrication of a Capillary-based Microfluidic Device: The Capillary Holders
2:30
Fabrication of a Capillary-based Microfluidic Device: The Glass Capillaries
4:40
Generating Water/Oil Microdroplets
6:50
Results: Typical W/O Microdroplets
7:44
Conclusion
