Tanie urządzenia mikrofluidyczne drukowane w 3D do szybkiego prototypowania i zastosowań biologicznych

Podsumowanie

Opracowaliśmy niskokosztowe, drukowane w 3D urządzenie mikrofluidyczne oraz otwartoźródłowe oprogramowanie oparte na Pythonie, które potrafi generować programowalne gradienty koncentracji. Zweryfikowaliśmy tę konfigurowalną platformę, wykorzystując osmometrię i analizę kolorymetryczną, umożliwiając powtarzalne badania ekspozycji osmotycznej oraz testy biomedyczne z materiałami kosztującymi poniżej 5 dolarów oraz drukiem 3D na poziomie konsumenckim.

Streszczenie

Urządzenia mikrofluidyczne zapewniają precyzyjną kontrolę nad mieszaniem roztworów i generowaniem gradientów, co jest niezbędne do testów komórkowych w kriobiologii i badaniach biomedycznych. Jednak tradycyjne metody wytwarzania są czasochłonne, kosztowne i wymagają specjalistycznej wiedzy, co ogranicza dostępność. Aby sprostać tym wyzwaniom, opracowaliśmy opłacalny, niezawodny i w pełni drukowany 3D workflow urządzeń mikrofluidycznych, który ułatwia szybkie i niedrogie prototypowanie przy użyciu drukarki konsumenckiej oraz biokompatybilnych żywic plastikowych. Tutaj demonstrujemy ten workflow za pomocą urządzenia do mieszania płynowego, które jest zdolne generować programowalne gradienty koncentracji i kombinacje roztworów. Komercyjne urządzenia miksujące kosztują ponad 300 dolarów za sztukę i nie można ich dostosowywać. Dzięki zastosowaniu przystępnych cenowo materiałów żywicznych oraz innowacyjnemu projektowi otwartego kanału uszczelnionego przezroczystą taśmą klejącą, pokonaliśmy typowe problemy produkcyjne, takie jak zatykanie kanałów, umożliwiając szybkie i powtarzalne wytwarzanie złożonych architektur mikrofluidycznych, wszystko to przy koszcie materialnym poniżej 5 dolarów. Tutaj demonstrujemy ten przepływ pracy, integrując pompy dwustrzykawkowe do tworzenia liniowych gradientów osmotycznych, od warunków izosmotycznych (~300 mOsm/kg) po hiperosmotyczne (~9 000 mOsm/kg), po których następuje powrót do izotoniczności w określonych przedziałach. Aby zapewnić automatyzację i powtarzalność, opracowaliśmy otwartoźródłowe narzędzie oparte na Pythonie, które precyzyjnie reguluje aktywację pompy strzykawkowej, przepływy oraz czas gradientu. Wydajność urządzenia została zweryfikowana za pomocą ciągłych pomiarów osmometrycznych, które potwierdziły zarówno liniowość, jak i dokładność generowania gradientów, oraz pomiarów kolorymetrycznych potwierdzających skuteczność mieszania. Ta dostępna i opłacalna platforma mikrofluidyczna znacząco poprawia powtarzalność badań ekspozycji osmotycznej i wykazuje potencjał dla różnych zastosowań biomedycznych, w tym badań przesiewowych leków oraz precyzyjnej modulacji chemicznej.

Wprowadzenie

Urządzenia mikrofluidyczne stały się niezbędne do kontroli stężeń i środowisk chemicznych w testach komórkowych, badaniach stresu osmotycznego oraz eksperymentach z zakresu badań biomedycznych, kriobiologii i innych zastosowań diagnostycznych ^1,2. Urządzenia te umożliwiają precyzyjną kontrolę przepływu i stężenia płynów na poziomie mikrometrowym. Na przykład urządzenia mikrofluidyczne były wykorzystywane do dodawania i usuwania środków krioprotekcyjnych podczas kriokonserwacji komórek, aby zapobiec uszkodzeniom osmotycznym³. Podobnie te urządzenia mikrofluidyczne służą także do ustalania seryjnego rozcieńczania antybiotyków w celu testowania podatności na antybakterium wobec organizmów opornych⁴. Pozwala to na identyfikację optymalnych kombinacji leków do leczenia zakażeń antybakteryjnych (AMR). Ponadto umożliwia obrazowanie i monitorowanie żywych komórek, zmniejsza zużycie odczynników oraz ułatwia precyzyjne oddzielanie gradientów stężeń, w przeciwieństwie do makroskopowych technik, takich jak komora Boydena, które zapewniają grubsze i statyczne gradienty bez monitorowania komórek^w czasie rzeczywistym ^1,5. Te możliwości umożliwiają naśladowanie w środowiskach chemicznych podobnych do vivo in vitro do badań wysokorozdzielczych zachowań komórek, migracji komórek, testów inwazji komórkowej, reakcji na leki oraz testów toksyczności.

Pomimo zalet urządzeń mikrofluidycznych, tradycyjne techniki mikrofabrykacji tych urządzeń (np. fotolitografia i formowanie polidimetylosiloksanem (PDMS)) są często czasochłonne, kosztowne i wymagają specjalistycznego sprzętu oraz wiedzy⁶. Dlatego stworzenie nowego urządzenia za pomocą litografii miękkiej może zająć kilka dni pracy, a iteracyjne zmiany projektowe są również pracochłonne⁶. Ostatnio druk 3D stał się szybką alternatywą dla prototypowania, aby przezwyciężyć te ograniczenia. Jednak wczesne wdrożenie mikrofluidyki drukowanej 3D było ograniczone przez koszt drukarek o wysokiej rozdzielczości (często ≥ 10 000 dolarów), a tanie urządzenia nie zapewniają wystarczającej rozdzielczości⁷. Postęp w taniej stereolitografii opartej na LCD znacząco posunął tę dziedzinę naprzód, ponieważ drukarki konsumenckie (często ~$150-$500) oferują obecnie rozdzielczość mikroskalową (~20-50 μm), wystarczającą do wielu zastosowań mikrofluidycznych⁵. Biorąc pod uwagę te postępy, głównym celem naszej pracy było ustanowienie opłacalnego i wydajnego workflow dla w pełni drukowanych 3D urządzeń mikrofluidycznych, które mogą generować kontrolowane gradienty koncentracji bez typowych barier złożoności produkcji⁸. Naszym celem było opracowanie szybkiej i niezawodnej metody tworzenia niestandardowych systemów modeli mikrofluidycznych poprzez wykorzystanie konsumenckiej drukarki 3D LCD oraz biokompatybilnej żywicy, co uczyni ją dostępną dla szerokiego grona laboratoriów.

Przedstawiamy tutaj urządzenie mikrofluidyczne drukowane w 3D, zdolne do mieszania roztworów, generowania ciągłych i programowalnych gradientów koncentracji oraz tworzenia kombinacji roztworów i programowalnych gradientów koncentracji. Urządzenie jest wytwarzane za pomocą stereolitografii na biurku i całkowicie złożone, wykorzystując konstrukcję otwartego kanału, całkowicie uszczelnioną przezroczystą folią klejącą indukowaną przez żywicę, co jest szeroko opisywanym wyzwaniem w stereolitografii mikrofluidycznej ^9,10; Jednak takie podejście pozwala na rozwój wytrzymałego, nieszczelnego urządzenia mikrofluidycznego bez konieczności specjalistycznego sprzętu do obróbki powierzchni lub łączenia oraz rozwiązuje powszechny problem nieutwardzonej żywicy blokującej małe kanały podczas drukowania¹¹. Ponadto, dzięki niedrogim, utwardzalnym do utwardzania promieniowaniem UV, każde urządzenie można szybko wyprodukować za zaledwie kilka dolarów materiałów. Kolejną zaletą jest to, że jego konstrukcja nie jest stała; można go łatwo modyfikować i wznawiać, w przeciwieństwie do urządzeń komercyjnych, które kosztują setki dolarów za sztukę i nie można ich personalizować 12,13,14.

Aby kontrolować stężenie roztworu, urządzenie drukowane w 3D było zintegrowane z podwójnymi pompami strzykawkowymi (po jednej dla każdego roztworu wejściowego) sterowanymi za pomocą otwartoźródłowego skryptu Python, jak wcześniej opisano dla zastosowań mikrofluidycznych¹⁵. Pozwala to na precyzyjną regulację przepływów, kroków gradientu i pomiaru czasu w sposób zautomatyzowany. ^{Przepływy 15} w naszym systemie zazwyczaj wahają się od kilku mikrolitrów do 30 μl/min na wlot, w których utrzymywano równomierne mieszanie, przy minimalnym naprężeniu ścinającym. Korzystając z tego systemu, wygenerowaliśmy liniowe profile stężeń obejmujące mniej więcej warunki izosmotyczne (~300 mOsm/kg) przez ekstremalne hiperosmotyczne (~9 000 mOsm/kg) i z powrotem do izotonicznych, w określonych przedziałach czasowych. Ciągłe odczyty osmometru potwierdziły, że generowane gradienty były liniowe i dokładne, a prosty kolorymetryczny test potwierdził efektywne mieszanie roztworów wejściowych. Wyniki te potwierdzają, że złożone, zmienne w czasie gradienty stężenia można powtarzalnie osiągnąć dzięki naszej w pełni drukowanej platformie 3D, podkreślając jej potencjał do poprawy przepustowości i standaryzacji badań ekspozycji osmotycznej przy ułamku zwykłych kosztów.

Ta platforma mikrofluidyczna drukowana w 3D demonstruje najnowsze postępy w kierunku rozwiązań "laboratorium na chipie", które zapewniają rozdzielczość wystarczającą dla wielu zastosowań mikrofluidycznych opartych na komórkach ^16,17. Co więcej, eksperci przewidują, że produkcja addytywna stanie się wiodącą metodą wytwarzania mikrourządzeń, ponieważ postępy w technologii drukarek i materiałach będą się utrzymywać⁶. Kluczową zaletą naszego podejścia jest to, że dostępność nie odbywa się kosztem wydajności. Zgodnie z wcześniejszymi badaniami pokazującymi tanie strategie mikrofluidycznej produkcji^18,19, te przystępne cenowo drukarki oferują funkcje urządzeń porównywalne z wieloma komercyjnymi systemami przemysłowymi pod względem niezawodności i dokładności⁷. Naukowcy mogą więc z pewnością przyjąć tę metodę, że spełni ona wymagania precyzyjne większości zastosowań. Platformę tę można dostosować do różnych potrzeb, od automatyzacji wieloetapowego dodawania/usuwania krioprotektantów, przez przesiewowe reakcje na leki w różnych zakresach stężeń, aż po precyzyjną modulację chemiczną w modelach organ-on-chip¹⁶. W szczególności drukowane rozmiary rozdzielczości (około 100 μm kanału) są wystarczające dla wielu biologicznych testów¹⁶, zapewniając dobry zakres dla typowych skal długości komórek lub cząstek. Podsumowując, dzięki znacznemu skróceniu czasu produkcji, kosztów i wymagań ekspertyzowych, ta w pełni drukowana 3D platforma mikrofluidyczna pozwala badaczom efektywnie prototypować i wdrażać niestandardowe rozwiązania mikrofluidyczne. Chociaż nadal wymagane są ręczne etapy obróbki postprodukcji, takie jak polerowanie powierzchni i uszczelnianie taśmą klejącą, cały proces pracy pozostaje dostępny i oszczędza czas w porównaniu z tradycyjnymi metodami mikrofabrykacji.

Protokół

1. Projektowanie mikrofluidycznej zsuwa mieszającego

1. Korzystając z odpowiedniego oprogramowania CAD (np. AutoCAD 3D lub TinkerCAD, AutoDesk, Inc), zaprojektuj mikrokanał serpentynowy z dwukanałowymi wlotami i złączem mieszającym w kształcie litery Y, a następnie ścieżką ułatwiającą efektywne mieszanie i zapewniającą odpowiednią długość kanału do dyfuzji. Połącz elementy kanału w jeden region.
2. Stwórz prostokątny szkiełko (85 mm x 28 mm x 3 mm), które będzie służyć jako podłoże bazowe. Następnie odjąć wcześniej zaprojektowany mikrokanał serpentynowy od górnej powierzchni szkiełka, tworząc otwartą strukturę kanałową o odpowiedniej głębokości i szerokości.
3. Stwórz każdy gwintowany port złącza (1/4"-28 UNF) dla rurki OD 1/16" jako osobną funkcję i połącz ją z korpusem suwaka, zapewniając, że wewnętrzne gwinty UNF dokładnie pasują do złączek.

2. Przygotowanie projektu do druku

1. Aby przygotować się do procesu druku 3D, zaimportuj zaprojektowane pliki STL zespołu szkiełka mikrofluidycznego do otwartoźródłowego oprogramowania do krojenia, takiego jak CHITUBOX Basic v2.3.1 (Shenzhen CBD Technology Co. Ltd, Chiny).
2. Załadowanie ustawień konfiguracji i profili żywicy specyficznych dla drukarek (Phrozen_Sonic_Mini_8K_Power_Resin_SG_00.cfgx) do oprogramowania do cięcia. Zaimportuj cały plik ustawień drukarki i żywicy z towarzyszącego repozytorium GitHub przez: Slice Settings > Import Settings.
   UWAGA: Pełny przewodnik po druku żywicznym 3D wykracza poza zakres tej pracy; jednak większość producentów drukarek 3D oferuje poradniki, jak dostosować ustawienia żywicy i pozycjonować wydruki, aby osiągnąć sukces, czyli https://phrozen3d.com/blogs/tutorials/resin-print-failures.
3. Ustawij orientację modelu pod kątem około 45-50° względem płyty roboczej (tutaj używa się 46,67°), aby uzyskać najlepsze efekty drukarskie. Ta pozycja zapobiega problemom ssania podczas druku i utrzymuje małe kanały oraz otwory wolne.
   UWAGA: Po zaimportowaniu slajdów mieszających STL, preparat jest umieszczany płasko na powierzchni drukarskiej. Następnie należy obrócić orientację zamka, aby umożliwić odpływ żywicy i zminimalizować ryzyko różnic ciśnieni, które mogą powstać przez tworzenie pustych elementów na płaskiej powierzchni.
4. Dodaj podparcie konstrukcyjne dla zsuwania, korzystając z funkcji automatycznego podparcia w oprogramowaniu do cięcia. Upewnij się, że kanał jest skierowany od głowicy drukującej widocznej w głównym oknie Chitubox. Następnie zwiększ odległość między suwakiem a płytą drukującą do 5 mm, używając przycisku translacji i menu znajdującego się po lewej stronie głównego ekranu Chitubox. Ta szczelina umożliwi budowę konstrukcji nośnych oraz tratwy nośnej dla części podtrzymującej.
5. Następnie dodaj dodatkowe podpory ręcznie, zwiększając gęstość elementów podporowych w miejscu najbliższym głowicy drukującej i dodając podpory po obu stronach suwaka, aby część pozostawała w pozycji statycznej podczas unoszenia przez lepką żywicę.
6. Dokładnie przeglądaj automatycznie generowane podpory i dodawaj dodatkowe ręcznie w razie potrzeby, aby zwiększyć stabilność, szczególnie w przypadku złożonych elementów, takich jak krawędzie i kanały.
7. Pokroj model i dokładnie obejrzyj każdą warstwę, upewniając się, że nie ma widocznych szczelin między nimi.
8. Kliknij przycisk wykrywania wyspy przez: Slice > Island Detection , aby znaleźć nieobsługiwane regiony, które mogą powodować błędy drukarskie. Jeśli wykryto izolowane obszary, powtórz proces cięcia.
9. Gdy model przejdzie inspekcję wyspy bez wykrycia poszczególnych obszarów, zapisz przygotowany plik modelu jako plik ".ctb" na pendrive, przygotowując go do druku 3D.
   UWAGA: Ustawienia żywicy zostały zaimportowane na podstawie zaleceń producenta i przetestowane przy użyciu modelu XP Finder dostarczonego przez producenta, można je znaleźć na https://phrozen3d.com/pages/phrozens-xp-finder-and-rp-tester-test-model-download-and-tutorials. Ponieważ ustawienia mogą się różnić w zależności od warunków laboratoryjnych i między drukarkami, ważne jest testowanie tych ustawień, a w niektórych przypadkach także wprowadzanie korekt dostosowanych do warunków wewnątrzlaboratoryjnych. Kompletny plik ustawień drukarki i żywicy można znaleźć w repozytorium GitHub, które towarzyszy temu tekstowi, wraz z całym kodem i wspomnianym plikiem .stl. Należy zauważyć, że kurczenie i odkształcenie mogą również wystąpić podczas drukowania. Można to częściowo zrekompensować poprzez dostosowanie ustawień żywicy, kąta druku oraz rozmieszczenia słupów nośnych do warunków laboratoryjnych. Należy zauważyć, że przezroczystość slajdu jest w dużym stopniu zależna od kąta, pod jakim tworzą się warstwy; jednakże, ponieważ ten slajd służy wyłącznie do miksowania, a nie do obrazowania, było to jedynie kwestia zapewnienia wystarczającej klarowności dla kolorimetrii miksowania. Osiągnięto to poprzez uregulowanie, że dół slajdu znajdował się pod kątem od 20 do 60 stopni względem płytki głowicy drukującej. W tym przypadku zastosowano kąt 46,67 stopnia, ponieważ ten kąt zapewniał wysoką przejrzystość optyczną opartą na wyrównaniu warstw, a jednocześnie nie był na tyle stromy, by powodować brak podpartych elementów podczas procesu drukowania, co można zweryfikować za pomocą przycisku Chitubox check for islands , który można znaleźć na ekranie cięcia po kliknięciu przycisku Slice .

3. Druk i obróbka końcowa

1. Wybierz plik .ctb odpowiadający zespołowi zamka i złącza mikrofluidycznego i rozpocznij zadanie drukowania.
   UWAGA: Chociaż konsumenckie drukarki 3D na bazie żywicy są przeznaczone do użytku domowego, materiały żywiczne mogą emitulować potencjalnie niebezpieczne lotne związki organiczne (VOC). Dlatego zaleca się pracę drukarki 3D wewnątrz okapu chemicznego lub w miejscu o odpowiedniej wentylacji.
2. Okresowo monitoruj proces drukowania. Typowy wydruk tego projektu zajmuje około 3-4 godzin, w zależności od właściwości żywicy i prędkości drukarki.
3. Po wydruku ostrożnie usuń urządzenie drukowane z płyty roboczej za pomocą skrobki do plastiku i natychmiast spryskuj wydrukowany model etanolem 90%, aby usunąć nieutwardzoną żywicę.
   UWAGA: Nieutwardzona żywica może powodować poważne oparzenia chemiczne. Upewnij się, że podczas obsługi urządzeń do całkowitego utwardzenia i czyszczenia są odpowiednie środki ochrony osobistej (PPE), w tym rękawiczki, fartuch laboratoryjny i gogle ochronne. Etanol używany do mycia wydrukowanych próbek powinien być obsługiwany w dobrze wentylowanym miejscu. Upewnij się, że nosisz środki ochrony osobistej, w tym rękawiczki i ochronę oczu.
4. Gdy wydruk jest jeszcze miękki, sprawdź, czy wszystkie małe otwory, kanały i gwintowane obszary są przezroczyste i dostępne. W razie potrzeby delikatnie użyj małych narzędzi, takich jak końcówka pipety lub igła o cienkim przerobie, aby usunąć częściowo zablokowane lub zablokowane miejsca. Użyj sprężonego powietrza lub strzykawki wypełnionej etanolem, aby przepłukać kanały i potwierdzić przejrzystość.
5. Całkowicie zanurz wydrukowany model w 99% etanolu na 2-3 minuty, rozpuszczając resztki nieutwardzonej żywicy i zapewniając dokładne czyszczenie wszystkich mikrokanałów i szczelin.
6. Włóż wyczyszczony wydruk do komory do utwardzania UV. Każdą stronę wydrukowanego slajdu równomiernie naświetlaj na światło UV przez około 30 sekund na każdą stronę. Jednolite naświetlanie zapobiega odkształceniom i zapewnia stabilność wymiarową.
   UWAGA: Zawsze noś okulary ochronne przed UV podczas procedur utwardzania UV, aby zapobiec uszkodzeniom oczu.
   UWAGA: Skrzynka do utwardzania zawiera lampę o wysokiej intensywności 405 nm. Ponieważ część jest w większości przezroczysta, a lampa jest trzymana 10 cm nad elementem, utwardzanie następuje szybko. Eksperymenty z różnymi czasami ekspozycji lampy wykazały, że 6 sekund czasu lampy, a następnie 3 sekundy z obracaną częścią, jest skuteczne. Producent zaleca utwardzanie za pomocą stacji Medicure ustawionej odpowiednio na 30 minut i na puste minuty.
7. Po utwardzeniu krótko zanurz lub opłucz wydruk w etanolu, a następnie umieść go w szczelnie zamkniętym woreczku strunowym zawierającym etanol, aby zapobiec wysychaniu i późniejszemu utwardzaniu żywicy w niepożądanych miejscach.
8. Umieść szczelny woreczek z etanolem, a utwardzony model w czyściarce ultradźwiękowym. Sonikantuj przez 180 sekund, aby skutecznie usunąć wszelkie pozostałości nieutwardzonej żywicy lub zanieczyszczeń.
   UWAGA: Alternatywnie, dostępne komercyjnie stacje do mycia i utwardzania mogą być używane do standaryzacji postprodukcji w różnych laboratoriach.
9. Po sonikacji dokładnie opłucz wydrukowane urządzenie wodą destylowaną.
10. Wykonaj ostatni krok czyszczenia, spryskując i ponownie zanurzając urządzenie w 90% etanolu. W razie potrzeby powtórz czyszczenie ultradźwiękowe o kolejne 180 s, aby zapewnić pełną czystość.
11. Po utwardzaniu starannie wypoleruj powierzchnię części papierem ściernym o ziarnistości 440. Złącza gwintowane, które zostaną włożone do szkiełka mieszania, utwardzają się po utwardzeniu tym samym procesem, z zastrzeżeniem, że 3 złącza są jednocześnie drukowane, myte i utwardzane przez umieszczenie ich obok siebie na drukarce, w pudełku do utwardzania oraz w zamkach strunowych zawierających etanol. Ponownie opłucz wodą destylowaną i pozwól wyschnąć na powietrzu lub delikatnie suszyć suszarką sprężonym powietrzem, aby usunąć resztki wody.
    UWAGA: Obrazy krok po kroku procesu druku przedstawiono na Rysunku Uzupełniającym 1.

4. Polerowanie powierzchni i uszczelnianie kanału mikrofluidycznego

1. Aby uzyskać gładkość i zapewnić wyraźną wizualizację oraz dobre uszczelnienie, użyj szklanego kamienia do polerowania powierzchni szkiełka mikrofluidycznego.
2. Najpierw użyj szklanego kamienia o grubości 2,45 mikrona (6 000 siatek) (zakres ziarnistości ~1,5-2,3 μm), aby wypolerować górną powierzchnię do równomiernej gładkości. Następnie dodatkowo wykończenie powierzchni wykończenia polerując drobniejszym kamieniem o grubości 0,92 mikrona (16 000 mesh) (zakres ziarnistości ~0,76-1,5 μm). Zapewni to jeszcze gładsze wykończenie (Rysunek uzupełniający 2).
3. Uszczelnij mikrokanał przezroczystą wodoodporną łatką i taśmą uszczelniającą. Upewnij się, że taśma całkowicie pokrywa cały obszar kanału, jednocześnie zachowując otwory i porty złącza (patrz Rysunek 1).
4. Najpierw naklej taśmę z jednej strony zamka, a następnie delikatnie, ale stanowczo dociskaj kciukiem, aby zapewnić równomierne przyleganie i wyeliminować pęcherzyki powietrza.
5. Użyj ostrych nożyczek lub noża, aby przyciąć nadmiar taśmy z krawędzi suwaka, zapewniając, że złącze jest czysto przycięte i sprawne.
6. Piecz zaklejony szkiełek w temperaturze 60 °C przez 30 minut, aby wzmocnić wiązanie.
7. Po ostygnięciu nałóż żel superklejowy, aby mocować łączniki do krawędzi suwaka. Delikatnie naciskaj na każde złącze podczas utrwalania kleju, aby zapewnić prawidłowe ustawienie, co ułatwia niezawodne połączenia rur do obsługi płynów.
   UWAGA: Reprezentatywny obraz urządzenia drukowanego wykazującego wystarczającą przezroczystość optyczną przedstawiono na Rysunku Uzupełniającym 3.

5. Ustawianie i testowanie przepływu płynów

1. Załaduj pożądane roztwory testowe do dwóch oddzielnych strzykawek (oznaczonych jako Strzykawka A i Strzykawka B; Rysunek 1). Do generowania gradientów stosuj dwa roztwory: (i) roztwór izosmotyczny składający się z soli fosforanowej (PBS) oraz (ii) roztwór hiperosmotyczny składający się z 40% (v/v) dimetylosulfoksydu (DMSO) z 1,2 M chlorku sodu (NaCl) przygotowanego w PBS.
   UWAGA: Urządzenie generowało liniowe gradienty stężeń w zakresie od mniej więcej izosmotycznych (~300 mOsm/kg) przez ekstremalne hiperosmotyczne (~9 000 mOsm/kg) i z powrotem do izotonicznych, w określonych przedziałach czasowych.
2. Do precyzyjnej kontroli przepływu płynów i regulacji ciśnienia używaj precyzyjnych, gazoszczelnych szklanych strzykawek. Przymocuj strzykawki do zamka za pomocą złączek 1/4"-28, tulejek i rurek OD PEEK o średnicy 1/16".
3. Po solidnym przymocowaniu strzykawek i rurek do urządzenia mikrofluidycznego, zamontuj je na programowalnych, precyzyjnych pompach strzykawkowych.
4. Połącz obie pompy strzykawkowe (pompę A i Pompę B) za pomocą dostarczonego kabla sieciowego, zapewniając zsynchronizowane działanie.
5. Podłącz Pompę A do komputera za pomocą kabla RS232 podłączonego do portu szeregowego komputera.
6. Ustaw pompę C poniżej urządzenia mikrofluidycznego w trybie wyciągania, aby utrzymać stały przepływ i zapobiec narastaniu ciśnienia.
7. Uruchom skrypt oparty na Pythonie, aby precyzyjnie kontrolować przepływ płynów z pomp strzykawkowych. Będzie zarządzał Pompą A i Pompą B, tworząc liniowy gradient osmotyczny od warunków izosmotycznych do warunków hiperosmotycznych, a następnie powrót do warunków izosmotycznych w określonych przez użytkownika interwałach czasowych.
8. Dostosuj parametry eksperymentalne, takie jak przepływ, odstępy gradientów i całkowity czas pracy w oprogramowaniu Python, aby dostosować warunki eksperymentalne do konkretnych wymagań testowych.

Wyniki

Rysunek 1 ilustruje ogólną konfigurację naszego urządzenia

Rysunek 1: Konfiguracja systemu.Od lewej do prawej, oprogramowanie sterujące oparte na Pythonie pozwala na tworzenie precyzyjnych krzywych czasu względem stężenia poprzez zmianę szybkości pompowania pomp strzykawkowych A i B. Płyn przepływa ze szklanych strzykawek przez ru...

Dyskusja

Komory mieszania mikrofluidycznego to zazwyczaj drogie komponenty produkowane w konfiguracjach wstępnie ustawionych. Ten manuskrypt pokazuje, jak szybkie prototypowanie i kod niestandardowy umożliwiają laboratoriom szybkie rozwijanie komór mieszania, ułatwiając szeroki wachlarz konfiguracji eksperymentalnych.

Walidujemy całkowite mieszanie za pomocą analizy kolorymetrycznej i osmometrii. Pomiary osmotyczne zostały następnie porównane z obliczonymi wartościami teoretycznymi opartymi na stężeniu...

Materiały

Lista materiałów użytych w tym artykule

Nazwa	Firma	Numer katalogowy	Komentarze
1/16" OD PEEK Rurka Kapilarna – 65 & mikro; Średnica wewnętrzna m	IDEX Health and Science, USA	SKU: ID-1560	1,5 m, pocięta na mniejsze sekcje. Zakupione od Darwin Microfluidics
Światło do utwardzania żywicy UV do drukarki 3D & ndash; 230 V 405 nm	Skouphy, Chiny		Używany jako stacja post-utwardzania, umieszczając ją w białym styrapianowym pudełku z żywicznym elementem na ~6 S
3x gazoszczelne strzykawki 1/4-28 UNF szklane i ndash; 5 mL	Hamilton, USA	SKU: HM-10103664	Złączka 1/4-28 pozwala na podłączenie do 1/16" PEEK Tubing. Zakupione od Darwin Microfluidics
Dimetylsulfotlenek (DMSO), certyfikowany ACS	Fisher Scientific, USA	Cat.No: D128-1	Zakupiony od Fisher Scientific
STANDARD KALIBRACJI GRUPY ELITechGroup, 850 MOSM/K	ELITechGroup, USA	VCAT: SS-277, katastr. Nie: NC1876875	Zakupiony od Fisher Scientific
STANDARD KALIBRACJI ELITechGroup, 300 MOSM/K	ELITechGroup, USA	VCAT: SS-276, katalizator. Nie: NC1876872	Zakupiony od Fisher Scientific
Złączki PFA bez kołnierza i Tulejki ETFE 1/4"-28 do 1/16"	IDEX Health and Science, USA	SKU: ID-XP-245X	10 paków, zakupione w Darwin Microfluidics
Barwniki spożywcze	Club House, Kanada
FreezePoint 6000P Osmometr Punktu Zamarzania	ELITechGroup, USA	Model: 6000P
Naczynia pomiarowe FreezePoint	ELITechGroup, USA	VCAT: SS-279, katastr. Nie: NC1876881	Zakupiony od Fisher Scientific
Gorilla Super Glue Gel & nbsp;	The Gorilla Glue Company, USA	https://gorillatough.com/product/gorilla-super-glue-gel/
Mieszacz do jodełki – Szklany Chip	Fabryka Małych Rzeczy	SKU: LTF-012.00-4264	Zakupione od Darwin Microfluidics
Ośrodki hiperosmotyczne - 40% DMSO (v/v) z 1,2 M NaCl			Made in Lab
Ibidi &mikro;-Slajd VI 0.4 – ibiTreat	Ibidi, Niemcy	Cat.No: 80606
Ośrodek izosmotyczny – buforowana sól fizjologiczna Cytiva HyClone Phosphate (PBS)	Cytiva, USA	Cat.No: SH3025601	Zakupiony od Fisher Scientific
Stereoskop motyczny	Motic, Hongkong	Model:  SMZ-168 TLED
Pompy strzykawkowe NE1000 ONE	New Era Pump Systems Inc., USA	Model: 1010-US	Zakupione od New Era Pump Systems Inc.
Phrozen Sonic Mini 8k Resin 3D Printer	Phrozen Tech Co., LTD. Tajwan (R.O.C.)		Phrozen Sonic Mini 8k
Główny kabel sieciowy RS-232 Pump-to-PC	New Era Pump Systems Inc., USA	Model: CBL-PC-PUMP-7 (kabel 7 stóp)	9-pinowy przetwornik szeregowy na RS232, zakupiony od New Era Pump Systems Inc.
Kabel sieciowy wtórny od pompy do pompy	New Era Pump Systems Inc., USA	Model: CBL-NET-7 (kabel 7 stóp)	Kabel RS232, zakupiony od New Era Pump Systems Inc.
Żywica – PowerResins Sugical Guide Resin 1000 GR	PowerResins, 3BFab Inc, Tü rkiye	REF: PSG-03-C
Kabel konwertera RS-232 na USB	Prolific Technology, Tajwan (R.O.C.)	Model: CBL-USB232	Zakupione od New Era Pump Systems Inc.
Taśma uszczelniająca zamki – Crystal Clear Gorilla Tape 1.88" x 9 jardów	The Gorilla Glue Company, USA
Chlorek sodu (NaCl)	EMD Millipore, MilliporeSigma, Niemcy	Cat. Nie: M1064041000	Zakupiony od Fisher Scientific