Microparticle manipulatie door permanent oppervlakte akoestische golven met Dual-frequentie excitaties
21 augustus 2018
Een protocol voor het manipuleren van de deeltjes in een microfluidic-kanaal met de excitatie van een dual-frequentie wordt gepresenteerd.
Deze methode kan helpen bij het aanpakken van belangrijke kwesties in het biomedische veld, zoals het manipuleren van microdeeltjes en het assisteren bij het sorteren in een microfluïdische kanaal voor labs-on-a-chip. Het belangrijkste voordeel van deze techniek is dat het de afstembaarheid van de commissie van staande oppervlakteakoestische golven kan verbeteren. De procedure wordt gedemonstreerd door Yannapol, een afgestudeerde student uit mijn groep.
Begin met een mal voor het microfluïdische kanaal. Dit is een negatief toon fotoresist patroon op een siliciumwafer. Meer details worden gegeven door het fotolithografie patroon dat wordt gebruikt om het te maken.
Meng 10 delen PDMS met één deel elastiek basis volume verhouding. Ontgast het mengsel in een vacuümoven gedurende ongeveer 15 minuten. Na ontgassing, neem het mengsel naar de mal.
Giet het daar over het fotoresist op de siliciumwafer. Ontgast nu de bedekt siliciumwafer gedurende nog eens 15 minuten. Verwarm daarna de wafer in een incubator om de PDSM te laten stollen.
Wanneer de PDMS is afgekoeld, verwijder het van de wafer. Het microfluïdische kanaal is klaar voor de volgende stappen in het protocol. Bereid een substraat voor voor het fabriceren van de transducers.
Gebruik in dit geval een lithiumniobaat wafer van vier inch in diameter. Op een spin coater, draai de wafer met positief fotoresist. Gebruik vervolgens fotolithografie om het fotoresist te patternen met 20 150 nanometer strips in een opening van twee centimeter.
Na fotolithografie, is dit de schematische weergave van de verandering in doorsnede van het substraat. Zodra het fotoresist is ontwikkeld, sputter 20 nanometer chroom op het substraat gevolgd door 400 nanometer aluminium. Gebruik aceton om de chroom en aluminium laag op de niet-blootgestelde gebieden te verwijderen.
Neem het substraat voor oppervlaktebehandeling in zuurstofplasma. Gebruik een stikstof tot zuurstof verhouding van twee op één met 30 watt vermogen gedurende 60 seconden. Wanneer je klaar bent, werk met zowel het substraat als het microkanaal.
Lign de PDMS microkanaal en verbind het met het lithiumniobaat substraat. Druk ze een paar seconden samen om ze te verbinden. Plaats het geïntegreerde apparaat in de verwarmingskamer op 60 graden gedurende drie uur.
Nadat de kamer is verwarmd, is het apparaat klaar voor studies met behulp van dubbelfrequente excitaties van staande oppervlakte akoestische golven. Gebruik voor observaties een omgekeerde microscoop met het apparaat op de stage. Laat de wafer met de interdigitale transducers in contact met de stage komen en laat het microkanaal er bovenop.
Verbind de transducers met het versterkte signaal van een functiegenerator. Zorg ervoor dat vloeistoffen van een spuitpomp over een magnetische roerder gaan. Bereid de oplossing voor de experimenten voor.
Meng vier micrometer polystyreenkralen in gedeïoniseerd water. Draai het mengsel twee tot drie minuten in een vortex. Plaats vervolgens het mengsel gedurende 10 minuten in een ultrasoon sonicator.
Breng het mengsel over in een drie milliliter spuit. Voeg ook een roerder aan de spuit toe. Plaats de spuit vervolgens op de spuitpomp.
Zorg ervoor dat de spuit boven de magnetische roerder hangt en is aangesloten op de inlaat van het apparaat. Stel de stromingssnelheid van de spuitpomp in op een paar microliters per minuut. Gebruik nu het fundamenteel en het derde harmonisch van de interdigitale transducers om het apparaat aan te drijven.
Observeer de gestabiliseerde microdeeltjes onder de microscoop en neem foto's op met de digitale camera. Begin zonder excitatie en varieer het faseverschil tussen de twee frequenties. Gebruik de opgenomen foto's om de concentratie van de microdeeltjes bij elke druknode te bepalen.
Dit is een plot van de drukgolfvormen van een staande oppervlakte akoestische golf bij de excitatiefrequenties van 6,2 en 18,6 megahertz. De verticale as is de positie langs een 300 micrometer brede microkanaal. De lijnen vertegenwoordigen verschillende vermogensverhoudingen, het percentage vermogen in de fundamentele modus versus het totale vermogen van 146 milliwatt.
Hier is de akoestische stralingskracht die wordt toegepast op vier micrometer microsferen in hetzelfde kanaal onder dezelfde vermogenscondities. Bij een vermogensverhouding boven de 90%is de kracht altijd in fase en produceert een enkele druknode op de 150 micrometer positie in het kanaal. Extra knooppunten verschijnen voor een vermogensverhouding onder de 90%. Wanneer vier micrometer polystyreen microsferen aanvankelijk op een wand van het kanaal worden geplaatst, wordt hun beweging bepaald door de vermogensverhouding.
Opmerking:Bij vermogensverhoudingen boven de 90%gaan de deeltjes naar de centrale node. Bij vermogensverhoudingen van 90%en lager, gaan ze naar de zijnodes. Vergelijking van de experimentele gegevens, geplot met symbolen, met simulaties geplot met stippellijnen, voor de positie van deeltjes als functie van de vermogensverhouding, levert goede overeenstemming op.
Opmerking:Deze plot toont zowel de bovenste als de onderste zijnodes. Vergelijkbare overeenstemming is duidelijk in een plot van de deeltjesconcentratie als functie van de vermogensverhouding. Tijdens het uitvoeren van deze procedure is het belangrijk om te onthouden dat de staande akoestische golf in het microfluïdische kanaal moet worden afgesteld door de vermogensverhouding van de dubbelfrequente excitatie aan te passen.
Na de ontwikkeling van deze techniek heeft dit de weg geëffend voor onderzoekers op het gebied van biomedische techniek om snelle, effectieve en flexibele manipulatie van microdeeltjes te onderzoeken, assisterend bij labs-on-a-chip. Vergeet niet dat het werken met elektrische instrumenten uiterst gevaarlijk kan zijn en dat voorzorgsmaatregelen om elektrische schokken te voorkomen altijd moeten worden genomen bij het uitvoeren van deze procedure.
Bekijk het volledige transcript en krijg toegang tot duizenden wetenschappelijke video's
Overzicht
Dit artikel presenteert een protocol voor het manipuleren van microdeeltjes in een microfluïdisch kanaal met behulp van tweefrequentie-excitatie. Deze techniek pakt cruciale problemen in het biomedische veld aan, in het bijzonder bij lab-on-a-chip-toepassingen.
Belangrijkste studiecomponenten
Wetenschapsgebied
- Microfluïdica
- Biomedische Techniek
- Partikelmanipulatie
Achtergrond
- Microfluïdische kanalen zijn essentieel voor diverse biomedische toepassingen.
- Het manipuleren van microdeeltjes kan het sorteren en verwerken in deze kanalen verbeteren.
- Staande oppervlakte-akoestische golven kunnen de instelbaarheid van de manipulatie van microdeeltjes verbeteren.
- Deze studie maakt gebruik van een patroon van negatief-toning fotoresist op een siliciumwafer voor de fabricage van de kanalen.
Doel van de studie
- Om een methode aan te tonen voor de manipulatie van microdeeltjes in microfluïdische kanalen.
- Om de sorteercapaciteiten in labs-on-a-chip te verbeteren.
- Om de instelbaarheid van technieken voor manipulatie met akoestische golven te verbeteren.
Gebruikte methoden
- Fabricage van microfluïdische kanalen met behulp van fotolithografie.
- Toepassing van duale-frequentie excitatie voor partikelmanipulatie.
- Demonstratie van de procedure door een promovendus.
- Evaluatie van de effectiviteit van de techniek bij het sorteren van micropartikels.
Belangrijkste resultaten
- De methode manipuleert microdeeltjes met succes op een gecontroleerde manier.
- Er werden verbeterde sorteermogelijkheden waargenomen in het microfluïdische kanaal.
- De dubbelfrequente excitatie verbeterde de instelbaarheid van de akoestische golven.
- De demonstratie bevestigde de haalbaarheid van de techniek voor labs-on-a-chip.
Conclusies
- Dit protocol biedt een betrouwbare methode voor de manipulatie van microdeeltjes.
- Het heeft belangrijke implicaties voor biomedische toepassingen en onderzoek.
- Toekomstige studies kunnen voortbouwen op de toepassingen van deze techniek.
Veelgestelde vragen
Relevantie voor de Industrie
Deze methode verbetert de instelbaarheid van staande oppervlakte-akoestische golven voor de manipulatie van microdeeltjes in lab-on-a-chip-systemen, waarmee een belangrijke uitdaging in de biomedische techniek wordt aangepakt: de precieze, niet-invasieve controle van biologische deeltjes voor diagnostische en therapeutische toepassingen. Door reconfigureerbare akoestische krachtvelden mogelijk te maken via dubbelfrequente excitatie, wordt de voorspellende betrouwbaarheid van workflows voor het sorteren en concentreren van deeltjes verbeterd, wat de validatie van targets en de ontwikkeling van assays in een vroeg stadium ondersteunt. De aanpak vermindert mechanische ambiguïteit bij de microfluïdische behandeling van deeltjes, wat risico-gecorrigeerde beslissingen in discovery biology en translationele onderzoekspijplijnen faciliteert.
Strategische Toepassingen in Biofarmaceutisch R&D
Vroege Ontdekking & Targetvalidatie
- Wetenschappelijke waarde: Maakt het toetsen van therapeutische hypothesen mogelijk door de concentratie van microdeeltjes op specifieke drukknopen te beheersen om target-engagement of padmodulatie te bestuderen.
- Operationele waarde: Ondersteunt biologische risicoreductie door middel van reproduceerbare, instelbare partikelmanipulatie die het functionele gedrag van targets in gecontroleerde micro-omgevingen verduidelijkt.
- Voorspellende waarde: Verhoogt het vertrouwen in de identificatie van lead-verbindingen door nauwkeurige positionering van partikels voor downstream-analyse mogelijk te maken, waardoor het aantal fout-positieven in screeningscampagnes wordt verminderd.
Screening & Assay-ontwikkeling
- Wetenschappelijke waarde: Bereidt gevalideerde biologische systemen voor op downstream-workflows door consistente microdeeltjespatronering mogelijk te maken bij gedefinieerde akoestische knopen.
- Operationele waarde: Pakt assay-standaardisatie en reproduceerbaarheid aan via vermogensverhoudingsafhankelijke controle van het aantal en de locatie van drukknopen, wat een betrouwbare evaluatie van verbindingen waarborgt.
- Platformwaarde: Benadrukt de screeninggereedheid en schaalbaarheid via niet-invasieve integratie in lab-on-a-chip-systemen met minimale aanpassingen aan de opstelling, ter ondersteuning van high-throughput-toepassingen.
Translationeel & Preklinisch Onderzoek
- Wetenschappelijke waarde: Bespreekt de relevantie voor ziekten door manipulatie van biomimetische microdeeltjes in microfluïdische kanalen mogelijk te maken die fysiologische stromingscondities nabootsen.
- Operationele waarde: Beschrijft de continuïteit van ontdekking tot preklinische validatie door fase-geoptimaliseerde controle van de deeltjesverdeling over meerdere knooppunten mogelijk te maken voor longitudinale studies.
- Risico-gecorrigeerde vooruitgang: Ondersteunt beslissingen op basis van kwantitatieve outputs van de deeltjesconcentratie bij variërende vermogensverhoudingen, in overeenstemming met de doelstellingen voor mechanistische risicoreductie.
Integratie van pipeline en workflow
De methode past binnen het ontdekkingscontinuüm, van hypothesetoetsing in de vroege biologie tot assay-gereedheid bij lead-identificatie, in het bijzonder wanneer partikelmanipulatie functionele read-outs of biomarker-gestuurde sortering in microfluïdische platforms mogelijk maakt.
- Discovery Biology: Legt uit hoe de methode hypothese-testen ondersteunt door vermogensverhoudingen te variëren om de aggregatie van deeltjes bij enkelvoudige of meervoudige knooppunten te beheersen, waardoor doelwitafhankelijke responsen worden verduidelijkt.
- Screening: Beschrijft de gereedheid van de assay door middel van reproduceerbare concentratiepatronen van microdeeltjes, die een betrouwbare detectie mogelijk maken van door verbindingen geïnduceerde veranderingen in het gedrag van deeltjes.
- Analytics: Benadrukt kwantitatieve output, zoals de positie en concentratie van deeltjes als functies van de vermogensverhouding en het faseverschil, wat statistische vergelijking tussen experimentele condities mogelijk maakt.
- Translationeel Onderzoek: Verbindt de methode met preklinische continuïteit door fase-gestuurde controle van drie drukknooppunten mogelijk te maken om dynamisch deeltjestransport in ziekte-relevante systemen te modelleren.
- Enterprise Hergebruik: Presenteert de methode als een herbruikbare capaciteit voor microfluïdische deeltjesmanipulatie over meerdere projecten, waardoor de noodzaak voor op maat gemaakte assayontwikkeling per doelwit wordt verminderd.
Operationele & Bedrijfsimpact
- Wetenschappelijke waarde: Voorspellend vertrouwen in de resultaten van partikelmanipulatie, vermindering van mechanische ambiguïteit in microfluïdische systemen en verbeterde doelvalidatie door gecontroleerde positionering van partikels.
- Operationele waarde: Standaardisatie via vermogensverhoudingsdrempels (bijv. >90% fundamentele frequentie voor controle van een enkele knoop), reproduceerbaarheid over verschillende runs en schaalbaarheid van dubbelfrequente excitatie in lab-on-a-chip-formaten.
- Strategische waarde: Betere go/no-go-beslissingen bij de identificatie van leads door nauwkeurige partikelsortering die biologische ruis vermindert, kapitaalefficiëntie via reconfigureerbare golfvormen en verminderd risico in een laat stadium door verbeterde preklinische voorspelbaarheid.
- Impact op portfolio: Risicogecorrigeerde prioritering van targets op basis van kwantitatieve gegevens over de partikelconcentratie, ter ondersteuning van voortgangsbeslissingen die gebaseerd zijn op mechanische risicovermindering.
Overwegingen voor de implementatie
- Vereiste wetenschappelijke expertise in de fabricage van microfluïdische apparaten, akoestische golftheorie en signaalverwerking voor dual-frequency excitatie.
- Benodigde instrumentatie omvat functiegeneratoren, versterkers, interdigitale transducers op piëzo-elektrische substraten (bijv. lithiumniobaat) en microscopie voor partikeltracking.
- Standaardisatie tussen teams vereist afstemming over drempelwaarden voor de vermogensverhouding, fasekalibratieprotocollen en meetmethoden voor partikelconcentratie.
- Overwegingen voor adaptatie over verschillende modelsystemen omvatten het aanpassen van kanaaldimensies, partikelgrootte en vloeistofeigenschappen om de akoestische resonantie en manipulatie-efficiëntie te behouden.
- Praktische beperkingen omvatten de noodzaak van nauwkeurige fasecontrole om onbedoelde knoopverschuivingen te voorkomen en de afhankelijkheid van het akoestisch contrast van partikels voor effectieve manipulatie, zoals opgemerkt in de experimentele waarnemingen met polystyreen microsferen.
Veelgestelde vragen over biopharma
Chapters in this video
0:04
Title
0:34
Preparation of the Microfluidic Channel
1:29
Fabrication of the Interdigital Transducers
3:00
Experimental Observation
4:30
Results: Effect of Dual-frequency Standing Surface Acoustic Waves on the Motion of Polystyrene Microparticles in a Microchannel
6:01
Conclusion
