$$\rightleftharpoonup{xx}$$
$$\longleftharp{xx}$$,
$$\longrightharp{xx}$$,
Projektowanie urządzeń mikroprzepływowych za pomocą oprogramowania CorelDraw lub AutoCAD
Zasada działania urządzeń opartych na mikrozaworach PDMS: Urządzenia składają się z trzech warstw: warstwy płynowej zawierającej mikrokomory o różnych rozmiarach, "warstwy kontrolnej" zawierającej mikrokanały niezbędne do uruchomienia ścieżki przepływu za pomocą mikrozaworów, oraz środkowej cienkiej membrany PDMS, która jest powiązana z warstwą kontrolną. W stanie spoczynku, ze względu na podatność i hydrofobowość PDMS, membrana uszczelnia się (odwracalnie) względem swojego gniazda, dlatego komory pozostają odizolowane od siebie bez dopływu energii. Zawory można otwierać poprzez zastosowanie podciśnienia (np. próżni domowej), dzięki czemu membrana PDMS odchyla się w dół i oddziela się od powierzchni, która podtrzymuje ścianę między dwiema komorami fluidycznymi, łącząc w ten sposób ścieżkę fluidyczną. Zamknięcie zaworu można osiągnąć poprzez zmianę ustawienia ciśnienia z próżni na ciśnienie atmosferyczne.
Wzorce warstw płynów i warstw kontrolnych zostały zaprojektowane przy użyciu oprogramowania CorelDraw lub AutoCAD. Maski zawierające te wzory były drukowane w wysokiej rozdzielczości (od 8 000 do 20 000 dpi) na foliach przezroczystych za pośrednictwem usług komercyjnych (usługi CAD/Art, Bandon, OR) (maski nie pokazano).
Produkcja wzorców krzemowych przy użyciu standardowej fotolitografii SU-8
- Standardowe metody fotolitografii SU-8 zostały wykorzystane do stworzenia "wzorców" SU-8 (SU-8 2050, MicroChem, Newton, MA) dla warstwy mikroprzepływowej i warstwy sterującej zaworem w pomieszczeniu czystym (nie pokazane w tym filmie).
- Aby ułatwić uwalnianie, przed replikacją PDMS SU-8, mastery zostały silanizowane przez wystawienie na działanie pary fluorozylanu ((tridekafluoro-1,1,2,2,-tetrahydrooktylo)-1-trichlorosilanu (TFOCS)) w słoiku eksykatora (bez granulek suszących) podłączonym do źródła próżni. Komora eksykatora musi być umieszczona wewnątrz dygestorium chemicznego ze względu na korozyjny charakter oparów TFOCS.
- Umieść niewielką porcję chłonnego ręcznika papierowego w komorze eksykatora. Dodaj kroplę TFOCS do ręcznika papierowego i usuń powietrze z komory. Zastosuj próżnię na 1 minutę i wyłącz. Zamknij odkurzacz i odczekaj 30 minut na osadzenie. Przechowuj mastery w zamkniętych pojemnikach do wykorzystania w przyszłości.
Formowanie replik PDMS od mistrzów
- Warstwa płynowa i warstwa kontrolna są wytwarzane przez formowanie repliki PDMS z SU-8 masters.
- Dokładnie mieszając prepolimer PDMS i środek sieciujący (stosunek wag. 10:1), usuń pęcherzyki w eksykatorze przez 10-15 minut, aż pęcherzyki się wyklarują.
- Pokrój silikonowe rurki na kawałki o długości 1-2 cm. Wybierz odpowiedni rozmiar rurki w zależności od zastosowania. Używamy tutaj węży o średnicy wewnętrznej 1,14 mm, aby później łatwo podłączyć je do węży o średnicy zewnętrznej 1/16 cala.
- Użyj Duco® Cement do przyklejenia rurek do obszarów wlotowych wzorca SU-8 warstwy kontrolnej. Uważaj, aby nie użyć zbyt dużo kleju, ponieważ rurka silikonowa jest wykonana z tych samych komponentów co PDMS, a rurka zostanie osadzona w urządzeniu mikroprzepływowym PDMS, tworząc szczelne wloty / wyloty powietrza i płynu.
- W naszym urządzeniu obszary wlotowe są zaprojektowane na maskach zarówno warstwy fluidalnej, jak i kontrolnej, ale silikonowe wloty rurek są formowane tylko w jednej warstwie (na przykład warstwie kontrolnej) urządzenia. Aby utworzyć wloty do warstwy płynowej, ręcznie usuwamy lub nakłuwamy kilka odcinków membrany, które pokrywają obszary wlotowe. Dlatego po wyrównaniu i zmontowaniu wszystkie mikrokanaliki (te, które przenoszą przepływ, a także te, które sterują zaworami) są dostępne od góry urządzenia, tak że dolna powierzchnia jest płaska, co umożliwia obrazowanie urządzenia na konwencjonalnym stoliku mikroskopowym.
- Ostrożnie wlej odbąbelkowany PDMS na oba wzorce, wokół rurki w masterze warstwy kontrolnej. Ponownie usunąć pęcherzyki w eksykatorze. Po zakończeniu usuwania pęcherzyków wstaw do piekarnika o temperaturze 65°C na > 1 godzinę w celu utwardzenia.
- Wyjmij z piekarnika utwardzone mastery pokryte PDMS.
- Odetnij poszczególne urządzenia od wzorców (każdy wzorzec zawiera trzy identyczne urządzenia) i odklej.
- Usuń klej z obszarów wlotowych za pomocą igły lub kleszczy.
- Przenieś warstwę kontrolną PDMS do pomieszczenia czystego.
Produkcja cienkich membran PDMS
- Jak pokazano w zasadzie urządzenia, środkowa warstwa składa się z membrany PDMS o grubości ~12 μm.
- Zmieszać mieszaninę prepolimeru PDMS / utwardzacza w stosunku 10:1 wag. z heksanem (stosunek wag. 3:1) przez wirowanie.
- Przenieś się do czystego pomieszczenia. (Środowisko wolne od kurzu ma kluczowe znaczenie dla zapewnienia, że membrany PDMS są wolne od wad; cząsteczki kurzu mogą spowodować, że membrany będą zawierały i/lub będą wadliwie związane z formą repliki).
- Umieść silanizowany wafel o średnicy 3 cali na uchwycie próżniowym przędzarki Solitec. Wafel musi zostać silanizowany (derywatyzowany fluorozylanem) przed wirowaniem PDMS, aby ułatwić uwalnianie PDMS z powierzchni krzemu. Miska teflonowa na zewnątrz uchwytu została owinięta folią z tworzywa sztucznego w celu łatwego czyszczenia.
- Dozuj 2-3 ml mieszaniny PDMS/heksanu na wafel za pomocą igły strzykawkowej o rozmiarze 18 (w celu zminimalizowania pęcherzyków).
- Ustaw parametry wirowania. Wiruj z prędkością 7000 obr./min przez 30 sekund, uzyskując film PDMS o grubości ~ 12 μm.
- Podgrzej wafel w temperaturze 85°C przez 4 minuty na gorącej płycie, aby utwardzić film PDMS.
Wielowarstwowe łączenie i montaż urządzeń PDMS
- Umieść warstwę kontrolną i membranę PDMS w komorze plazmy tlenowej. Włącz plazmę na 30 sekund (ciśnienie tlenu 30 psi, natężenie przepływu 3-5 SCFH, 550W). Doprowadzenie warstwy kontrolnej do kontaktu z membraną PDMS natychmiast (w ciągu 5 minut) po aktywacji tlenem. Parametry systemu, takie jak ciśnienie tlenu, natężenie przepływu, moc plazmy i czas obróbki, są empirycznie konfigurowane zgodnie z różnymi aplikacjami.
- Odczekaj 5 minut i usuń warstwę kontrolną z płytki wraz z membraną.
- Usuń membrany w obszarach wlotów, tak aby zarówno warstwa kontrolna, jak i płynna były dostępne od góry przez rurki.
- Dopasuj warstwę kontrolną (z rurkami jako wlotami) do warstwy płynowej (płaskiej) pod stereoskopem. Ponieważ PDMS uszczelnia się na PDMS, nie jest wymagane trwałe łączenie.
Sterowane komputerowo otwieranie i zamykanie mikrozaworów PDMS za pomocą podciśnienia lub ciśnienia
- Po wyrównaniu i zmontowaniu urządzenia włóż średnicę zewnętrzną 1/16 cala (średnicę wewnętrzna 1/32 cala) Rurka Tygon do silikonowych wlotów o średnicy wewnętrznej 1,14 mm i podłączyć wloty do źródeł ciśnienia lub zbiorników płynów.
- W przypadku otwierania i zamykania zaworów ciśnienie jest kontrolowane przez przewód podciśnieniowy i przewód ciśnieniowy powietrza połączone za pomocą dwóch regulatorów ciśnienia z szeregiem miniaturowych trójdrogowych zaworów elektromagnetycznych.
- Zawory elektromagnetyczne są podłączone do sprzętu do akwizycji danych National Instruments sterowanego za pomocą oprogramowania Labview.
- Praca urządzenia i ugięcie membrany są wizualizowane za pomocą kolorowej kamery CCD (SPOT RT, Diagnostic Instruments, Sterling Heights, MI).
Równoległe mieszanie dwóch różnych barwników kolorowych w różnych zdefiniowanych objętościach nanolitrów
Demonstrujemy działanie mieszalnika równoległego, który pozwala na przechowywanie i mieszanie precyzyjnych sub-nanolitrowych objętości roztworów wodnych w różnych proporcjach mieszania:
- Warstwa fluidyczna zawiera dwa układy mikrokomór: Wzdłuż układu A wielkość mikrokomór zmniejsza się, zaczynając od lewej, z 200 μm x 400 μm do 200 μm x 40 μm; A10 to komora o wymiarach 500 μm x 40 μm, która służy tylko do połączenia fluidycznego w tablicy A; na prawo od komory A10 znajduje się zestaw komór symetrycznie zwiększających swoje rozmiary. Komory w układzie B są zaprojektowane w taki sposób, że dodana objętość dowolnych dwóch sąsiednich komór w różnych rzędach jest zawsze równa. A0, A0r i B10, B10r są zaprojektowane jako odpowiednie kontrole dla roztworów A i B bez mieszania.
- W warstwie regulacyjnej znajdują się dwa niezależnie sterowane zestawy zaworów. Zestaw zaworów {V1} służy do łączenia dwóch układów komór z odpowiednimi wlotami, podczas gdy drugi zestaw zaworów {V2} służy do łączenia każdej pary komór w dwóch tablicach.
- Napełnij mikrokomory, otwierając zestaw zaworów {V1}, aby umożliwić przepływ dwóch roztworów barwnika odpowiednio do tablic A i B. Przepływ roztworów można osiągnąć ręcznie lub poprzez ciągnięcie próżniowe sterowane zaworami elektromagnetycznymi. Jeśli w mikrokomorach utworzą się pęcherzyki powietrza, można wcisnąć więcej roztworu, aby usunąć pęcherzyki, lub urządzenie można pozostawić na kilka minut, a pęcherzyki znikną ze względu na przepuszczalność powietrza PDMS.
- Zamknij zestaw zaworów {V1}, aby odizolować każdą komorę w obu układach.
- Otwórz zestaw zaworów {V2}, aby umożliwić mieszanie płynów między sąsiednimi komorami w różnych układach. Mieszanie zajmuje tylko ~1-2 minuty dla tych objętości.
- Zamknij {V2}, aby wepchnąć płyn z powrotem do każdej komory fluidycznej, a komory odkształcają się z powrotem do swojego pierwotnego kształtu. Ponieważ dwie matryce fluidyczne są zaprojektowane z komorami o 11 różnych rozmiarach, w jednym kroku mieszania wytwarzanych jest 11 różnych proporcji mieszania.
Zintegrowany system mikroprzepływowy do sterowanej komputerowo perfuzji mikroprzepływowych kultur komórkowych
Pokazujemy system mikroprzepływowy, który jest zdolny do automatycznego przesyłania wielu roztworów do jednej komory hodowli komórkowej. Wloty są sterowane za pomocą mikrozaworów, które mogą być aktywowane w dowolnej sekwencji pojedynczych wlotów, różnych kombinacjach lub wszystkich jednocześnie. Urządzenie jest zdolne do wytwarzania gradientów lub mieszanin różnych roztworów.
To urządzenie również składa się z trzech warstw: warstwy fluidalnej, warstwy kontrolnej i środkowej cienkiej membrany PDMS.
Alternatywne kroki produkcji tego urządzenia:
- Porty wlotowe dla kanałów fluidycznych i kanałów sterujących są "dziurkowane" za pomocą Harris Micro-Punch o średnicy 1,2 mm (Ted Pella, Inc.). Rurki są połączone z wlotami za pomocą igieł o rozmiarze 18, które są wprowadzane do PDMS przez warstwę kontrolną. Pozwala to na gęstsze upakowanie wlotów niż rurki silikonowe. Zgodność PDMS zapewnia szczelne uszczelnienie wokół igieł, aby skutecznie dostarczać płyn lub ciśnienie pneumatyczne.
- Jak opisano wcześniej, wiązanie cienkiej membrany PDMS z warstwą kontrolną odbywa się przy użyciu ekspozycji na plazmę tlenową.
- Warstwę płynną przygotowuje się przez formowanie repliki z prepolimerem PDMS i środkiem sieciującym w stosunku 5:1 i częściowe utwardzanie przez 25 minut w temperaturze 60°C w piecu konwekcyjnym. W tym momencie częściowo utwardzona warstwa płynna jest nadal lepka, ale można ją usunąć z wzorca.
- Warstwa fluidyczna jest ręcznie wyrównywana do wstępnie zmontowanych warstw kontrolnych i membranowych za pomocą stereoskopu. Zmontowane urządzenie umieszcza się następnie na płycie grzejnej na 5 minut w temperaturze 80ºC. Następnie przewody sterujące zaworami są podłączane do automatycznego sterownika, a zawory są uruchamiane do momentu, gdy membrana oderwie się od warstwy płynu na wszystkich gniazdach zaworów poprzez zastosowanie podciśnienia. Po "odłączeniu" zaworów, sterownik komputerowy jest ustawiony na włączanie i wyłączanie zaworów, podczas gdy urządzenie jest dalej utwardzane na płycie grzejnej w temperaturze 80ºC przez co najmniej 1 godzinę.
Cechy naszego zintegrowanego systemu mikroprzepływowego: Urządzenie jest zdolne do automatycznego przesyłania 16 różnych roztworów do komory hodowli komórkowej za pomocą multipleksowanego schematu zaworów. Konstrukcja kanału zapewnia równowagę rezystancji wszystkich wlotów. Nasza konstrukcja mikrozaworu izoluje roztwory i steruje płukaniem przez zintegrowane kanały w celu szybkiego usuwania płynu, co ogranicza zanieczyszczenie krzyżowe. Zintegrowany mieszalnik w jodełkę może być aktywowany w celu wytworzenia mieszanin o różnych wlotach. Dodatkowo istnieją cztery kanały o różnym oporze, które można aktywować w celu zmiany natężenia przepływu.