Szybki system dostarczania kropelkowy do pasywnego pompowania w urządzeniach mikroprzepływowych

Podsumowanie

Nowatorski system mikroprzepływowy został opracowany przy użyciu zjawiska pasywnego pompowania i kontrolowanego przez użytkownika systemu dostarczania płynów. Ten system mikroprzepływowy ma potencjał do wykorzystania w wielu różnych zastosowaniach biologicznych ze względu na jego niski koszt, łatwość obsługi, precyzję wolumetryczną, dużą prędkość, powtarzalność i automatyzację.

Streszczenie

Opracowano nowatorski system mikroprzepływowy, który wykorzystuje zjawisko pasywnego pompowania wraz z kontrolowanym przez użytkownika systemem dostarczania płynów opartym na kropelkach. Pompowanie pasywne to zjawisko, w którym różnice ciśnień wywołane napięciem powierzchniowym napędzają ruch płynu w kanałach zamkniętych. Zautomatyzowany system dostarczania płynów składa się z zestawu zaworów sterowanych napięciem z mikrodyszami podłączonymi do zbiornika płynu i układu sterowania. Te zawory sterowane napięciem oferują objętościowo precyzyjny sposób dostarczania kropelek płynu do wlotu urządzenia mikroprzepływowego w sposób o wysokiej częstotliwości. W oparciu o wymiary pokazane w bieżącym przykładzie badania, system jest w stanie przepływać 4 mililitry na minutę (przez kanał o przekroju poprzecznym 2,2 mm na 260um). Opierając się na tych samych wymiarach kanału, płynną wymianę punktu wewnątrz kanału można osiągnąć w ciągu zaledwie ośmiu milisekund. Zaobserwowano, że istnieje zależność między pędem układu (nadanym przez kombinację kropel utworzonych przez zawory i prędkości płynu w kanale) a napięciem powierzchniowym cieczy. Tam, gdzie pęd zapewnia prędkość przepływowi płynu (lub odwrotnie), równowaga napięcia powierzchniowego na wlocie zapewnia nagłe zatrzymanie dowolnego przepływu. To nagłe zatrzymanie pozwala użytkownikowi kontrolować charakterystykę przepływu w kanale i otwiera drzwi do różnych zastosowań biologicznych, od dostarczania odczynników po badania nad komórkami lekowymi. Zaobserwowano również, że gdy dysze są skierowane na wlot pod płytkimi kątami, pęd kropli może powodować dodatkowe interesujące zjawiska płynu, takie jak mieszanie się wielu kropel na wlocie.

Protokół

W tym raporcie demonstrujemy metodę dostarczania płynu, która wykorzystuje napięcie powierzchniowe małych kropel do pompowania pożądanej objętości przez kanał mikroprzepływowy w celu osiągnięcia wielu różnych zjawisk płynu. Na przykład użytkownik może chcieć przepływać pojedynczym płynem tak szybko, jak to możliwe, lub dostarczać wiele płynów w krótkich odstępach czasu, aby stworzyć określone wzorce płynów. Aby to zrobić, użytkownik musi najpierw posiadać aplikację zbudowaną wokół urządzenia mikroprzepływowego. Urządzenie mikrofolioidalne nie musi być klejone, ale powinno być wykonane z materiału hydrofilowego. W związku z tym metoda ta może być stosowana z prawie każdym urządzeniem mikroprzepływowym, przy czym wydajność jest w dużej mierze podyktowana ograniczeniami geometrycznymi kanału mikroprzepływowego. Aby ułatwić poruszanie się po ograniczeniach geometrycznych tej metody, najpierw przedstawiono wprowadzenie do odpowiedniej analizy numerycznej.

1. Metody analityczne: Zgodnie z prawem Laplace'a i prawem Washburna [1], można powiązać natężenie przepływu w kanale mikroprzepływowym z jego wymiarami i właściwościami przepływającej cieczy, jak widać w równaniu (1),
   (1)
   gdzie ΔP to różnica ciśnień między wlotem a wylotem, γ to napięcie powierzchniowe cieczy, R to promień spadku na wlocie, Q to natężenie przepływu, a K to opór płynu opisany równaniem (2),
   (2)
   gdzie η to lepkość cieczy, L₀ to długość kanału, h to wysokość kanału, w to szerokość kanału, λ=W/h i G (λ) =1.5 jeśli λ >4.45 lub
   
   jeśli λ < 4.45. Podstawiając równanie (2) do równania (1), zawsze zakładając, że h (3)
   Tę samą analizę można przeprowadzić dla prędkości płynu wewnątrz kanału, wiedząc, że Q = VA, gdzie V jest średnią prędkością płynu, a A jest polem przekroju poprzecznego lub hw. Podłączając je do równania (3), otrzymujemy równanie (4),
   (4)
   Ważnym pojęciem mechanicznym, które jest często stosowane w biologii mikroprzepływowej, jest naprężenie ścinające, które odnosi się do natężenia i prędkości przepływu za pomocą równania (5),
   (5)
   Znajomość zależności między natężeniem przepływu, prędkością i ich fizycznymi implikacjami w funkcji wymiarów kanału i właściwości płynów jest kluczowa w projektowaniu urządzenia mikroprzepływowego do danego celu. Po utworzeniu urządzenia użytkownik musi skalibrować system dostarczania płynów, aby osiągnąć pożądaną charakterystykę przepływu w urządzeniu.
2. Kroki w konfiguracji i kalibracji systemu dostarczania:
   1. Stworzenie urządzenia mikroprzepływowego za pomocą techniki miękkiej litografii przy użyciu polidimetylosiloksanu (PDMS, Sylgard 184, Dow Corning) [2]. Istnieje wiele artykułów JoVE, które ilustrują metody wytwarzania urządzeń mikroprzepływowych PDMS [5]. Do tej demonstracji wybraliśmy prosty kanał prosty o wymiarach następujących: szerokość 2,2 mm, długość 10 mm i wysokość 260um. Średnice wlotu i wylotu wynoszą odpowiednio 1,8 mm i 5,1 mm (rysunek 1). Odwracalnie przymocuj urządzenie PDMS do szkiełka podstawowego, dociskając je do szkiełka podstawowego (lub innego odpowiedniego podłoża) i wyciskając wszelkie pęcherzyki powietrza [5]. Odwracalna nasadka pozwala na wielokrotne użycie urządzenia. Metoda może być również stosowana z urządzeniami połączonymi na stałe, ale nie jest to wymagane.
   2. Napełnij urządzenie płynem. Hydrofobowy charakter PDMS i hydrofilowy charakter szkła pomagają przenieść kroplę, która jest umieszczana na wlocie lub wylocie do kanału. Jeśli kropla cieczy nie chce sama dostać się do kanału lub jeśli pęcherzyki przedostaną się do kanału, użytkownik może umieścić kroplę cieczy na wlocie lub wylocie i użyć pipety na przeciwległym końcu, aby zassać ciecz przez kanał. Inną metodą wspomagania przedostania się cieczy do kanału jest oddzielenie urządzenia PDMS od szkiełka i delikatne oczyszczenie urządzenia PDMS i szkiełka etanolem. To przywraca PDMS i szkiełku ich odpowiednio hydrofobową i hydrofilową naturę, która mogła zostać osłabiona z upływem czasu i użytkowaniem.
   3. Po napełnieniu urządzenia płynem umieść małą kroplę na wlocie, a większą kroplę na wylocie. Upewnij się, że pompowanie pasywne ma miejsce, obserwując zapadanie się małego spadku na wlocie i obserwując przepływ płynu w kierunku wylotu. Ponownie upewnij się, że w kanale nie ma pęcherzyków.
   4. Korzystając z zestawu startowego do mikrodozowania VHS firmy The Lee Company [3], złóż jeden lub więcej zaworów (konfiguracja zaworów na rysunku 2) składających się z zaworu Lee VHS M/2 24 V, dysz 0,062 MINSTAC o rozmiarze otworu 0,0100", adaptera Lee 0,062 Minstac do miękkiej rury, sterownika Lee Spike and Hold (do kontroli użytkownika, nie pokazano) i zespół przewodu ołowianego (łączący zawór ze sterownikiem Spike and Hold, nie pokazano).
   5. Łatwym sposobem na przytrzymanie zaworów jest użycie miniaturowych uchwytów narzędzi Bioscience (rysunek 2) [4]. Umożliwiają one precyzyjne wycelowanie i utrzymanie zaworu w określonej pozycji podczas eksperymentowania poprzez przyklejenie zaworu do jednego końca uchwytu i użycie podstawy magnetycznej (nie pokazanej) po drugiej stronie.
   6. Wykonaj system zbiorników, który zostanie umieszczony kilka stóp nad urządzeniem mikroprzepływowym PDMS (w naszym przypadku użyliśmy strzykawek o pojemności 3/4 uncji otwartych na otoczenie, patrz rysunek 2). Zbiornik zapewnia głowicę ciśnieniową do napędzania dysz, przy czym ciśnienie jest proporcjonalne do wysokości zbiornika. Alternatywnie, zawory dysz mogą być pod ciśnieniem za pomocą dowolnej liczby różnych środków (np. sprężonego gazu). Podłączyć igłę strzykawki do strzykawki. Typowa igła strzykawkowa z łatwością przyczepi się do rurki o średnicy wewnętrznej 1,14 mm. Rurkę o średnicy 1,14 mm można następnie łatwo przymocować do rurki o średnicy wewnętrznej 1,58 mm (1/16"), która następnie sama łączy się z "adapterem miękkiej rurki" zaworu. Aby zapobiec wyciekom cieczy w połączeniu rurkowym 1,14 mm do 1,58 mm, można użyć PDMS jako uszczelniacza. Teraz, gdy między igłą strzykawki a zaworem Lee Co. znajduje się przewód, napełnij zbiorniki strzykawki płynem. Dodatkowa strzykawka i zawór mogą być użyte, aby pomóc w procesie oczyszczania (pokazane, ale nie oznaczone na rysunku 2). Umieść magnes z boku zaworu; W ten sposób zawory te są oczyszczane (są to zwykle zamknięte zawory elektromagnetyczne) i obserwują, jak ciecz zaczyna przepływać ze zbiornika przez zawór i wypływa z dyszy 0,0100 ''.
   7. Skalibruj system, wybierając czas otwarcia zaworu (czas otwarty to czas, w którym zawór przepuszcza płyn na impuls) i częstotliwość (liczbę impulsów na sekundę). Aktywuj jeden zawór na wybrany okres (około minuty, pamiętaj tylko o całkowitym czasie pracy). Zważ płyn, który został dostarczony z zaworu. Znając całkowity czas pracy, częstotliwość i czas otwarcia na impuls, oblicz gramy na milisekundę wystrzelone z zaworu. Ta wartość "gramów na milisekundę" pozwoli Ci wybrać czas otwarty dla dowolnej żądanej objętości, którą użytkownik może chcieć, aby została dostarczona z zaworu.

Przykład: System aktywowany na minutę (60 sekund). Częstotliwość wynosiła 15 Hz (15 impulsów w ciągu jednej sekundy). Czas otwarcia na impuls wynosił 20 milisekund (ms).

(20ms)(15Hz)(60s)=18000ms.

To oznacza, że z 60 000 ms w ciągu jednej minuty, zawór był faktycznie otwarty przez 18 000 ms.
Załóżmy, że objętość dostarczonego płynu ważyła 5 gramów. Wtedy

5 gramów / 18000 ms = 2,78e-4 gramy/ms.

W przypadku wody, której gęstość wynosi jeden gram na mililitr (ml),

2.78e-4 gramy/ms = 2.78e-4 mL/ms.

Po kalibracji, objętość kropli zależy od czasu otwarcia. Na przykład przy czasie otwarcia wynoszącym 20 ms, a wszystkie parametry pozostają takie same jak w poprzednim przykładzie,

(2.78e-4 mL/ms)(20 ms) = 5.56e-3 mL = 5.56 μL.

Aby znaleźć czas otwarty y potrzebny do wykonania kropli o objętości x mikrolitrów (μL),

(x μL) / [(2.78e-4 mL/ms)(1000 μL/mL)] = y ms

8) Skieruj jedną lub więcej dysz do wlotu urządzenia PDMS (rysunek 3). Po skalibrowaniu systemu oblicz objętość wychodzącą z każdego zaworu na podstawie wymiarów urządzenia mikroprzepływowego. W przypadku pompowania pasywnego o dużej prędkości (w celu uzyskania maksymalnego natężenia przepływu) należy obliczyć objętość kropli wlotowej niezbędną do wytworzenia kropli wlotowej, która ma kąt zwilżania 90 stopni z powierzchnią wlotową [2]. Aby utworzyć pakiet, oblicz częstotliwość zaworów i czasy otwarcia oraz czasy otwarcia zaworów niezbędne do aktywacji dwóch zaworów po kolei. Jak widać na rysunku 3, dwie dysze mogą być skierowane na wlot. Może to obejmować wiele dysz, z których wszystkie są skierowane na wlot kanału.

Reprezentatywne wyniki:

Po prawidłowej kalibracji, z prawidłowo obliczonymi czasami otwarcia zaworów i prawidłowo skierowanymi dyszami na wlot, użytkownik powinien być w stanie zobaczyć przepływ pompowany pasywnie (rysunek 4). Wyciek cieczy powinien wydostać się z zaworu i dotrzeć do wlotu. Gdy ciecz dociera do wlotu, następuje natychmiastowe zapadnięcie się kropli wlotowej do kanału, w kierunku wylotu. Ciecz w kanale porusza się tylko podczas zapadania się kropli wlotowej. Całkowity ruch płynu w kanale zatrzymuje się na końcu zapadnięcia się kropli, zapewniając natychmiastowe zatrzymanie płynu i dobrze zdefiniowane granice płynów (w przypadku, gdy użytkownik przepływa wiele cieczy). Czas zapadania się kropli zależy od promienia portu wlotowego i objętości spadku wlotowego [1]. W naszej eksperymentalnej konfiguracji i projekcie zapadanie się spadku wlotu następuje w ciągu kilku milisekund.

Rysunek 1. Urządzenie mikroprzepływowe PDMS z jednym wlotem po lewej stronie i jednym wylotem po prawej. Proszę kliknij tutaj aby zobaczyć większą wersję rysunku 1.

Rysunek 2. System zbiorników i konfiguracja zaworów. Proszę kliknij tutaj, aby zobaczyć większą wersję rysunku 2.

Rysunek 3. Dwa zawory, oba skierowane do pojedynczego wlotu urządzenia mikroprzepływowego. Proszę kliknij tutaj aby zobaczyć większą wersję rysunku 3.

Rysunek 4. Sekwencja kroków czasowych (33 milisekundy) zapadania się kropli wlotowej po wyrzuceniu płynu z zaworu. Proszę kliknij tutaj aby zobaczyć większą wersję rysunku 4.

Dyskusja

1. W przypadku pompowania pasywnego o dużej prędkości, jeśli wybrana zostanie właściwa kombinacja częstotliwości i objętości impulsu (ze względu na prawidłowy czas otwarcia), użytkownik powinien zobaczyć coś, co wydaje się być statycznym spadkiem lub powłoką na wlocie i bardzo szybkim natężeniem przepływu wewnątrz kanału. Jeśli dojdzie do przepełnienia, czas otwarcia i/lub częstotliwość są zbyt wysokie.
2. Aby wykryć interakcje pędu/napięcia powierzchniowego, użytkownik powinien pompować jeden impuls na raz i obserwować środowisko...

Materiały

Lista materiałów użytych w tym artykule

Nazwa	Firma	Numer katalogowy	Komentarze
Sylgard 184 Silikonowa podstawa elastometryczna	Dow Corning	Nr karty charakterystyki: 01064291
Sylgard 184 Utwardzacz z elastometru silikonowego	Nr karty charakterystyki	Dow Corning
Mikrodozowanie VHS Zestaw startowy	The Lee Company	IKTX0322000A
Miniaturowe uchwyty	Narzędzia biologiczne	MH-2
LabVIEW	National System sterowania przyrządami
Rurki o średnicy wewnętrznej 1,14 mm	Scientific Commodities Inc.	BB31695-PE/7
1,57 mm	Scientific Commodities Inc.	BB31695-PE/10
20 ml BD™ Strzykawka Luer-Lok Tip, niesterylna	BD Biosciences	301032
http://www.theleeco.com. http://www.biosciencetools.com/Catalog/mHolders.htm.