Pneumatisch aangedreven microfluïdisch platform voor microdeeltjesconcentratie
1 februari 2022
Het huidige protocol beschrijft een pneumatisch microfluïdisch platform dat kan worden gebruikt voor een efficiënte microdeeltjesconcentratie.
Dit protocol beschrijft onze methode om pneumatisch aangedreven microfluïdische platformen te fabriceren en te bedienen voor concentraties van meerdere deeltjes die tekortkomingen zoals deeltjesverstopping en complexe structuren overwinnen. Deze methode maakt het mogelijk om een onbeperkt aantal deeltjes te verwerken, zich te concentreren op een groot aantal kleine deeltjes en ongewenste celschade te voorkomen en de entropie-efficiëntie te verhogen. Vanwege het belang van biologische analyse worden microfluïdische en biomedische micro-elektromechanische systeemtechnologieën gebruikt om apparaten te ontwikkelen en te bestuderen voor de zuivering en verzameling van micromaterialen.
Gebruik om te beginnen een vooraf voorbereide su8-mal voor pneumatisch klepkanaal om de PDMS-laag te repliceren voor het pneumatisch regelen van de klep. Giet 10 milliliter vloeibare PDMS en één milliliter uithardingsmiddel in een voorbereide pneumatische klepkanaalvorm en activeer gedurende 30 minuten bij 90 graden Celsius. Nadat de PDMS-structuren zijn uitgehard, scheidt u de SU8-mal.
Pons drie pneumatische poorten van 1,5 millimeter in het pneumatische klepkanaal met behulp van een punctie van 1,5 millimeter. Giet 10 milliliter vloeibaar PDMS en één milliliter uithardingsmiddel in een schone SU8-mal. Spin coat gedurende 15 seconden met 1500 omwentelingen per minuut met behulp van een spincoater en activeer vervolgens gedurende 30 minuten bij 90 graden Celsius.
Scheid de SU8-mal nadat de PDMS-structuren zijn uitgehard. Behandel de PDMS-structuur gedurende 20 seconden met atmosferisch plasma. Lijn met behulp van een microscoop de met plasma behandelde PDMS-structuren uit volgens de kanaalstructuur.
Verlijm de uitgelijnde PDMS-structuren door ze gedurende 30 minuten op 90 graden Celsius te verwarmen. Maak met behulp van een punctie van 1,5 millimeter een gat met een diameter van 1,5 millimeter in de inlaat van het vloeistofkanaal en de uitlaten in het pneumatische kanaaldeel dat aan de dunne membraanlaag is gebonden. Repliceer beide zijden van de PDMS-laag met behulp van twee SU8-mallen om een microfluïdisch kanaal te maken.
Gebruik een gebogen en rechthoekige microfluïdische kanaalmal aan de voorkant en een microfluïdische verbindingskanaalmal aan de achterkant. Giet 10 milliliter vloeibare PDMS en een milliliter uithardingsmiddel in de gebogen en rechthoekige microfluïdische kanaalvorm en spin het gedurende 15 seconden met 1200 omwentelingen per minuut en maak vervolgens mallen voor de gebogen vloeistofkamer en vloeistofkanalen door warmteactivering bij 90 graden Celsius gedurende 30 minuten. Scheid de PDMS-laag waarop het microfluïdische kanaal wordt gevormd.
Behandel het vervolgens gedurende 20 seconden met atmosferisch plasma om een warmtegeactiveerde mal te maken die de verzegelde ontluchtingswand bedekt door zich aan de glazen wafer te hechten. Giet drie milliliter vloeibare PDMS in het verbindingskanaal van de SU8-mal. Rangschik de structuur, vervaardigd met de interconnectiekanaalmal, in vloeibare PDMS op de microfluïdische verbindingskanaalmal.
Droog vervolgens de boven elkaar geplaatste structuur gedurende 30 minuten op 130 graden Celsius. Verwijder na het uitharden de voorste SU8-mal van de microfluïdische kanaalnetwerklaag en pel voorzichtig de achterste PDMS-mal af. Giet 10 milliliter vloeibaar PDMS en een milliliter uithardingsmiddel in een schone SU8-mal en activeer het gedurende 30 minuten op 90 graden Celsius.
Scheid de SU8-mal nadat de PDMS-structuren zijn uitgehard. Behandel de PDMS microfluïdische verbindingskanaalmallen gedurende 20 seconden met atmosferisch plasma. Lijn met behulp van een microscoop de met plasma behandelde PDMS-structuren uit volgens de kanaalstructuur.
Verlijm de uitgelijnde PDMS-structuren door gedurende 30 minuten op 90 graden Celsius te verwarmen. Lijn de PDMS-structuren die tijdens dit proces zijn voorbereid uit volgens de kanaalstructuur en bind ze door gedurende 20 seconden met atmosferisch plasma te behandelen. Vul met een spuit van 10 milliliter het microfluïdische kanaal met bellenvrij, gedemineraliseerd water.
Om de druk van de werkvloeistof en de drie pneumatische kleppen die de microbead-stroom regelen te regelen, plaatst u een precisiedrukregelaar met vier of meer uitlaatkanalen voor de werkvloeistof in het microfluïdische platform. Bereid carboxylpolystyreentestdeeltjes van verschillende groottes in gedestilleerd water. Om het debiet van de werkvloeistof te regelen, vult u de helft van een glazen fles met het water en sluit u de dop van de glazen fles aan op het uitgangskanaal en de microklep van de controller.
Observeer met behulp van een omgekeerde microscoop alle platformbewerkingen en meet het operationele debiet in de loop van de tijd aan de uitlaat met een vloeistofstroommeter. Injecteer het deeltje of vloeistofmengsel onder druk bij de inlaat met de deeltjesklep. Oefen druk uit op de CIV-klep op 15 kilopascal en de deeltjesklep op 18 kilopascal om de klep te bedienen.
Wanneer de deeltjes geconcentreerd zijn, oefent u alleen druk uit op de vloeistofklep. Het debiet van de vloeistoffen werd verdeeld in een viertraps platformbewerking. De eerste fase was de laadtoestand.
De werkvloeistof en deeltjes waren bijna identiek als het microfluïdische kanaalnetwerk structurele symmetrie vertoonde. De tweede fase was de blokkerende toestand. Het debiet versmalde en het debiet gemeten aan de uitlaatpoort werd verminderd door hydraulische weerstand.
De derde fase was de concentratietoestand. De gemeten QP was bijna nul en de QF was ongeveer 1,42 keer die van de blokkerende toestand. De laatste fase was de releasestatus.
De resulterende stroom- en concentratiesnelheden bewezen dat de sequentiële bediening geprogrammeerd met de pneumatische klep goed werkt als gevolg van stroomveranderingen. Deeltjes werden geconcentreerd en opgehoopt in het verzamelgebied wanneer de CIV-klep en deeltjesklep gesloten waren, en alle verzamelde, geconcentreerde deeltjes kwamen binnen vier seconden vrij wanneer alleen de vloeistofklep gesloten was. Een essentieel onderdeel van deze procedure is het uitharden van de achterste structuur waar de PDMS-laag wordt geïmplanteerd door de wat meer druk van de luchtlaag.
En de vervormde filmlaag wordt plotseling geactiveerd. Dit platform kan worden gebruikt voor automatische voorbehandeling van zeer geconcentreerde en rechte en gesuspendeerde biodeeltjes, omdat de werking niet wordt beïnvloed door de eigenschappen van de fysieke deeltjes.
Bekijk het volledige transcript en krijg toegang tot duizenden wetenschappelijke video's
Overzicht
Dit protocol beschrijft een pneumatisch microfluïdisch platform dat is ontworpen voor efficiënte microdeeltjeconcentratie. Het behandelt uitdagingen zoals deeltjesverstopping en complexe structuren, waardoor de verwerking van een groot aantal kleine deeltjes mogelijk is met minimale celschade.
Belangrijke studiecomponenten
Wetenschapsgebied
- Microfluïdica
- Biomedische techniek
- Deeltjesconcentratietechnieken
Achtergrond
- Pneumatische microfluïdische systemen verbeteren de manipulatie van deeltjes.
- Traditionele methoden kampen vaak met problemen met verstopping.
- Micro-elektromechanische systemen (MEMS) zijn cruciaal in de ontwikkeling van apparaten.
- Efficiënte deeltjesconcentratie is essentieel voor biologische analyses.
Doel van het onderzoek
- Om een pneumatisch microfluïdisch platform te fabriceren.
- Om de efficiëntie van microdeeltjesconcentratie te verbeteren.
- Om ongewenste celschade tijdens de verwerking te voorkomen.
Gebruikte methoden
- Fabricage van PDMS-structuren met behulp van SU8-malen.
- Pneumatische besturing van kleppen voor deeltjesmanipulatie.
- Verwarming van PDMS met een uithardingsmiddel voor structuurstabiliteit.
- Testen van het platform op concentratie-efficiëntie.
Belangrijkste resultaten
- Succesvolle concentratie van meerdere kleine deeltjes.
- Overkomen van verstoppingsproblemen die bij traditionele methoden vaak voorkomen.
- Behoud van cellevensvatbaarheid tijdens het concentratieproces.
- Verhoogde entropie-efficiëntie bij deeltjesverwerking.
Conclusies
- Het pneumatische microfluïdische platform is effectief voor microdeeltjesconcentratie.
- Deze methode kan worden toegepast op verschillende biologische analyses.
- Toekomstige toepassingen kunnen de efficiëntie van biomedische apparaten verbeteren.
Veelgestelde vragen
Executive Industry Relevance
This pneumatically driven microfluidic platform addresses key challenges in early-stage biopharma R&D by enabling efficient concentration of micro-particles without clogging or cellular damage. It supports target validation and assay development workflows by providing a reproducible method for isolating and enriching analytes from complex biological matrices. The technology enhances predictive confidence in lead identification by ensuring consistent sample preparation, reducing variability that can confound downstream screening and mechanistic studies.
Strategic Applications in Biopharma R&D
Early Discovery & Target Validation
- Scientific Value: Enables interrogation of therapeutic hypotheses through precise concentration of biomarkers or therapeutic targets from heterogeneous samples.
- Operational Value: Reduces sample loss and improves detection sensitivity for low-abundance analytes critical in target validation.
- Predictive Value: Supports mechanistic de-risking by delivering consistent particle enrichment for functional assays and pathway analysis.
Screening & Assay Development
- Scientific Value: Prepares validated biological systems for downstream screening by removing interferents and concentrating analytes of interest.
- Operational Value: Enhances assay standardization and reproducibility through controlled, valve-driven sample processing.
- Scalability: Enables processing of unlimited particle numbers, supporting high-throughput screening campaigns.
Translational & Preclinical Research
- Translational Continuity: Maintains sample integrity from discovery through preclinical validation by preventing unwanted cell damage during concentration.
- Risk-Adjusted Advancement: Supports reliable biomarker alignment and disease-relevant system modeling through consistent sample preparation.
- Mechanistic De-risking: Increases confidence in preclinical data by minimizing pre-analytical variability introduced during sample handling.
Pipeline & Workflow Integration
The platform integrates into the discovery continuum from early target validation through lead identification and preclinical development, enabling reliable sample preparation at each stage.
- Discovery Biology: Supports hypothesis testing and pathway clarification by concentrating signaling molecules, vesicles, or cellular debris for analysis.
- Screening: Delivers assay-ready samples with reduced matrix effects, improving hit detection and structure-activity relationship confidence.
- Analytics: Provides quantitative concentration outputs that enable comparison across experimental conditions and time points.
- Translational Research: Connects discovery-phase sample processing to preclinical continuity by preserving analyte structure and function.
- Enterprise Reuse: Functions as a reusable sample preparation module across multiple projects and therapeutic areas.
Operational & Enterprise Impact
- Scientific Value: Increases predictive confidence in target validation by reducing false negatives from analyte loss during processing.
- Operational Value: Ensures reproducibility and standardization across laboratories through pneumatic control and defined operational stages.
- Strategic Value: Improves go/no-go decisions by delivering higher-quality input data for screening and mechanistic studies.
- Portfolio Impact: Enables risk-adjusted prioritization by improving the reliability of early-stage biological data.
Implementation Considerations
- Requires expertise in microfluidic device fabrication, PDMS handling, and pneumatic control systems.
- Depends on precision pressure controllers, syringe pumps, and flow rate monitoring equipment for reproducible operation.
- Necessitates cross-team standardization of valve actuation timing and pressure thresholds for consistent results.
- Requires adaptation of channel dimensions and valve timing based on target particle size and concentration goals.
- Practical limitations include the need for cleanroom-compatible fabrication and careful alignment of plasma-bonded layers to prevent leaks.
