Szybki system dostarczania kropelkowy do pasywnego pompowania w urządzeniach mikroprzepływowych

Pompowanie pasywne wymaga dużego spadku umieszczonego na wylocie i małego umieszczonego na wlocie. Spowoduje to różnicę ciśnień potrzebną do napędzania przepływu. Naprzemienne krople różnych płynów spowodują, że pakiety będą latać w kanale i ostatecznie zostaną zebrane na wylocie.

Wysokie natężenia przepływu można osiągnąć, dostarczając kropelki o małej objętości z częstotliwością wystarczająco wysoką, aby uzyskać stabilną powłokę płynu na wlocie. Cześć, nazywam się Pedro Reto i pracuję w laboratorium Justina Williamsa na Wydziale Inżynierii Biomedycznej Uniwersytetu Medycznego Wisconsin. Nazywam się Brian Mogan i również pracuję w laboratorium Williamsa.

Nazywam się Aaron Burier i pracuję w Professor S Lab, również na wydziale inżynierii biomedycznej na Uniwersytecie Medycznym. Dzisiaj pokażemy Ci procedurę pasywnego pompowania w urządzeniach mikroprzepływowych. W naszym laboratorium wykorzystujemy tę procedurę do badania przepływu w mikrokanałach oraz do badania wymiany płynów w kanale do zastosowań biologicznych.

Więc zacznijmy. Najpierw, korzystając z techniki miękkiej litografii, stwórz urządzenie mikroprzepływowe z polifetylu suboxonu. Następnie wytnij urządzenie, a następnie odwracalnie.

Przymocuj urządzenie PDMS do szkiełka podstawowego, dociskając je do szkiełka i wyciskając wszelkie pęcherzyki powietrza. Odwracalna nasadka pozwala na wielokrotne użycie urządzenia. Teraz napełnij urządzenie płynem.

Używamy wody z barwnikami spożywczymi. Jeśli ciecz sama nie dostanie się do kanału, umieść kroplę płynu na wlocie i użyj pipety na przeciwległym końcu, aby zassać płyn przez kanał. Po napełnieniu urządzenia płynem umieść małą kroplę na wlocie, a większą kroplę na wylocie.

Upewnij się, że płyn się porusza, obserwując, jak mała kropla na wlocie zapada się, podczas gdy kropla wylotowa staje się większa. Zanim przejdziemy dalej, wyjaśnijmy podstawowe zależności pasywnego pompowania. Dynamika pompowanych kropli zależy od kilku rzeczy, wymiarów kanału wraz z wysokością i długością oraz od wielkości kropli, która jest umieszczona na wlocie.

Aby dać Ci lepsze wyobrażenie o tym, jak te czynniki wpływają na przepływ, podamy kilka przykładów. Zacznijmy od dwóch podobnych kanałów. Mają tę samą szerokość i wysokość, ale jedna jest dłuższa od drugiej.

Teraz umieszczamy krople tej samej wielkości na wlocie każdego kanału. Obserwuj, jak krótszy wlot kanałów zapada się szybciej niż dłuższy kanały. Dzieje się tak, ponieważ dłuższy kanał ma większy opór płynu, a przepływ w nim jest wolniejszy.

Następnie przyjrzyjmy się dwóm kolejnym kanałom o tej samej długości i wysokości, ale różnych szerokościach. Umieśćmy identyczne krople na wlocie każdego kanału i obserwujmy, jak się zapadają. Widzisz, jak cieńszy kanał potrzebuje więcej czasu, aby złożyć spadek wlotu?

Dzieje się tak, ponieważ cieńszy kanał ma większy opór płynowy niż szerszy kanał. Na koniec weźmy dwa identyczne kanały i umieśćmy krople o różnej wielkości na wlocie każdego z nich. Zwróć uwagę, że większy spadek wlotu zapada się dłużej niż mniejszy spadek wlotu.

Dzieje się tak, ponieważ mniejsza kropla ma mniejszą objętość i większe ciśnienie wewnętrzne niż większa. Wiedząc, że mniejsze krople są lepsze niż większe. Obserwując, jak szybko te małe krople mogą się zapadać, zadajemy sobie teraz pytanie, jak dostarczyć objętościowo precyzyjne krople do wlotu kanału w taki sposób, abyśmy mogli przeprowadzić eksperymenty biologiczne.

Korzystając z zestawu startowego do mikrodozowania firmy Lee Company, złóż jeden lub więcej zaworów, z których każdy składa się z zaworu vol, dyszy o rozmiarze otworu 0,0100 cala i adaptera z miękką rurką. Tak więc tutaj mamy zawór podłączony do skrzynki sterowniczej za pomocą złączy zaworów rurowych, co zrobiliśmy w poprzednim kroku. A potem mamy źródło napięcia skokowego, które jest tym korzeniem tutaj.

A potem mamy nasze źródło napięcia sterującego, a następnie źródło napięcia podtrzymującego. I wreszcie, w połączeniu z uziemieniem Aby utrzymać zawory na miejscu, kierując się do wlotu. Korzystaj z narzędzi biologicznych, miniaturowych uchwytów.

Umożliwiają one precyzyjne wycelowanie i utrzymanie zaworu w określonej pozycji. Podczas eksperymentów, używając strzykawek o wadze trzech czwartych uncji, wykonaj system zbiorników, który należy umieścić kilka stóp nad urządzeniem PDMS. Zbiornik zapewnia głowicę ciśnieniową do napędzania dysz.

Podłączyć igłę strzykawki do strzykawki. Teraz przymocuj igłę strzykawki do rurki wewnętrznej o średnicy 1,14 milimetra, a następnie przymocuj ją do rurki o średnicy wewnętrznej 1,58 milimetra. Stosowanie PDMS jako uszczelniacza.

Teraz podłącz rurkę o średnicy wewnętrznej 1,58 milimetra do adaptera miękkiej rurki zaworu. Teraz, gdy między igłą strzykawki a zaworem znajduje się przewód, napełnij zbiorniki strzykawki płynem, aby oczyścić zawory i umożliwić napełnienie rurki wodą. Umieść magnes z boku zaworu i obserwuj, jak ciecz zaczyna wypływać ze zbiornika przez zawór i wypływać z dyszy 0.01 cala.

Sterujemy tym systemem za pomocą komputera za pomocą widoku laboratoryjnego i skrzynki kontrolnej spike and hold firmy Lee Company. Aby skalibrować system, skieruj jeden zawór na szalkę Petriego lub łódkę serwatkową w celu zważenia. Teraz otwórz zawór na dowolny czas i zważ całkowitą objętość wody wypływającej z dyszy.

Podziel tę objętość przez całkowity czas otwarcia systemu. Ta kalibracja pozwala użytkownikowi znaleźć objętość wody, która wystrzeliwuje z dyszy w danym okresie czasu. Po skalibrowaniu systemu skieruj dyszę na wlot kanału w oparciu o poprzedni strzał kalibracyjny z dyszy, objętość tak, aby kropla została wystrzelona na wlocie kanału, nie będąc zbyt dużą, aby spowodować bałagan lub zbyt małą, aby nie została zauważona.

Pamiętaj, aby usunąć bąbelki między eksperymentami. Teraz, gdy podstawowe zasady pasywnego pompowania zostały zrozumiane, a kalibracja systemu została wyjaśniona, przyjrzyjmy się, co użytkownik powinien zobaczyć, jeśli wszystko idzie dobrze. Poniższy film przedstawia przepływ przez kanał mikroprzepływowy przechodzący od wyższych głośności przy niższych częstotliwościach do niskich głośności przy wysokich częstotliwościach.

Powinno to dać użytkownikowi zrozumienie możliwości wcześniejszego pompowania wraz ze zautomatyzowanym systemem dostarczania płynów. Wymiary urządzenia używane w poniższych filmach to 2,22 milimetra szerokości, 10 milimetrów długości i 260 mikrometrów. Średnice wlotu i wylotu wynoszą odpowiednio 1,78 milimetra i 5,11 milimetra.

Dwa lub więcej zaworów jest niezbędnych do wytworzenia naprzemiennych przepływów, jak pokazano. Dalej znajduje się film pokazujący maksymalne możliwe natężenie przepływu z aktualnie używanego urządzenia. W tym przypadku do dostarczania płynu służy pojedynczy zawór.

Aby utrzymać równowagę systemu, ważne jest, aby skierować zawór bezpośrednio z górnej części wlotu. Zwróć uwagę na skorupę, którą kropla tworzy się na wlocie. Reprezentuje to stałe ciśnienie utrzymywane przez dostarczanie wody do wlotu tak szybko, jak urządzenie może ją pasywnie przepompować.

Zauważ też, jak w pewnym momencie przelewa się kropla wlotowa. Jest to najprawdopodobniej spowodowane zakłóceniami, spadkiem wylotu. Usuwając przelew na wlocie, system odzyskuje równowagę, a przepływ jest kontynuowany.

Zwykle właśnie pokazaliśmy, jak skonfigurować, skalibrować i obsługiwać pasywny system pompowy za pomocą dostępnych na rynku mikrodysz. Podczas wykonywania tych eksperymentów zawsze ważne jest, aby pamiętać o stałym źródle ciśnienia, aby uniknąć przedostawania się pęcherzyków do kanału, znać kompromisy między geometrią kanału, wielkością kropli w celu osiągnięcia pożądanych przepływów i wymian. Aby na przykład nie dopuścić do zbyt dużego spadku wylotu, spowoduje to bałagan lub dotrze do wlotu, a urządzenia PDMS będą czyste i suche.

Więc to wszystko. Dziękujemy za oglądanie i życzymy powodzenia w eksperymentach.