Chip mikrofluidyczny sterowany macierzami elastomerowych mikrozaworów

Mikrofluidyka oferuje biologom komórkowym technologię umożliwiającą prowadzenie eksperymentów wysokoprzepustowych, w których wymagane jest precyzyjne dozowanie cieczy. Witam, jestem Nin Chen Lee z Folk Lab w Departamencie Bioinżynierii na Uniwersytecie Waszyngtońskim. Dzisiaj pokażę Państwu, jak wykonać mikrofluidyczne końcówki sterowane przez matrycę mikrozaworów PDMS.

Urządzenie składa się z trzech warstw. Pierwsza warstwa to warstwa fluidyczna zawierająca mikrokomory o różnych rozmiarach, a druga warstwa to warstwa sterująca zawierająca kanały pomiędzy dwiema warstwami. Zastosowano cienką membranę z PMS ze względu na hydrofobowość i podatność PMS.

Membrana uszczelnia styk z podłożem, izolując od siebie komory z cieczą. Po zastosowaniu podciśnienia w kanałach sterujących membrana z PDMS może się odkształcić i połączyć wcześniej odizolowane komory. Dzisiaj zaprezentuję równoległy mikser, który umożliwia mieszanie subnanolitrowych objętości roztworów wodnych w różnych proporcjach.

Kolejny krok w naszym laboratorium zaprezentuje zintegrowany system mikroprzepływowy, który umożliwia perfuzję wielu roztworów do kultur komórkowych. Zacznijmy. Tutaj pokazuję matrycę z elementami PDMS na płytce krzemowej.

Matryca została wykonana przy użyciu standardowych procedur fotograficznych z tych wzorców. Możemy wielokrotnie tworzyć repliki z PDMS. Aby ułatwić oddzielanie PDMS od matryc, musimy najpierw poddać matrycę procesowi silanizacji.

Zazwyczaj przygotowujemy matrycę, używając materiałów F, ponieważ pracujemy z Florence Island. Najpierw umieszczam wafelek w aparacie i nakładam krople substancji forest, a następnie zamykam komorę desiccation, włączam pompę próżniową, pozostawiam pod próżnią na 1, 2 lub 3 minuty, a następnie wyłączam próżnię. Pozostawiam do odparowania na pół godziny, a następnie wyjmuję wafelek. Przed wykonaniem repliki z PDMS, musimy najpierw wymieszać prepolimer PDMS z utwardzaczem w stosunku 10:1.

Odważam 31 g prepolimeru, a następnie odważam 3,1 g środków utwardzających i dokładnie mieszam je przez pięć minut. Gotowy produkt wyglądał w ten sposób. Po tym czasie umieszczam go w komorze próżniowej, aby odgazować PS przez 5 do 10 minut, aż stanie się on przejrzysty.

Podczas odgazowywania PDMS mogę przykleić rurki silikonowe do obszaru warstwy sterującej. Wybieramy rurki silikonowe, ponieważ są one wykonane z tego samego materiału co PDMS, dzięki czemu mogą zostać później wtopione w urządzenie, tworząc szczelne i odporne na wycieki połączenie. Teraz nakładam niewielką ilość kleju D cement na końcówkę małego odcinka rurki silikonowej i dociskam ją do obszaru wlotowego matrycy.

Aby rurki nie zginały się nad wzmacniaczami, rurki silikonowe muszą być przecięte bardzo prosto, a na ich wierzch nie należy nakładać zbyt dużej ilości kleju. Wyjaśnij, w jaki sposób dociskasz klej. Zobaczmy zatem. Regiony zostają utworzone zarówno na otworze wentylacyjnym, jak i po zdjęciu pokrywy.

PS został już przygotowany. Wyleję PS na matrycę. Należy uważać, aby odsunąć PGA otaczające rurki.

Teraz wlewam materiał na drugą matrycę, która posiada cechy warstwy płynnej. Po wylaniu PS na matryce, muszą one zostać ponownie odpowietrzone w wibratorze (dust kicker) przez 5 do 10 minut. Po odpowietrzeniu utwardzamy PMS w piecu w temperaturze od 65 do 70 °C przez czas od 1 godziny do 24 godzin.

Dobrze. Po dwóch godzinach polimer silikonowy (PMS) uległ utwardzeniu. Teraz wycinamy urządzenie z PMS z matrycy SU i usuwamy warstwę kontrolną.

Po zamontowaniu rurek usuwamy klej z obszarów wlotowych. W naszych urządzeniach obszary wlotowe są tworzone zarówno w trzech warstwach, jak i warstwach sterujących, ale silikonowe rurki montujemy tylko w jednej warstwie.

Na przykład, tutaj tylko na warstwie kontrolnej. Aby uzyskać dostęp do warstwy z cieczą, możemy przebić membranę pod rurkami silikonowymi. Dzięki temu możemy uzyskać dostęp do wszystkich tych urządzeń od góry, co ułatwia prowadzenie mikroskopii przy użyciu stereoskopu oraz tradycyjnego mikroskopu odwróconego.

Przechodzimy teraz do pomieszczenia C. W celu przygotowania membran CTM S, zaprezentuję sposób wirowania membran PDF przy użyciu wirówki headway. Przed umieszczeniem wafla na górze uchwytu, przykryłem podstawę folią plastikową i położyłem pod nią ręcznik papierowy, aby ułatwić późniejsze sprzątanie ewentualnych zabrudzeń.

Jeśli proces został sfinalizowany, analogicznie do tego, co robiliśmy wcześniej z matrycami, po oczyszczeniu w próżni, nanoszę około 2 ml PDMS na wafel krzemowy. Ponieważ chcemy uzyskać membranę o grubości od 11 do 12 µm, wafel jest wirowany z prędkością 7 000 rpm przez 20 sekund. W tym momencie można powiedzieć: tutaj widać wafel podczas wirowania. Wirowanie trwa przez wyznaczony czas. Po wirowaniu umieszczamy wafel na płycie grzewczej w temperaturze 85 °C na cztery minuty. W ten sposób membrana PDMS została utwardzona.

Następnie utleniamy membranę P DM S oraz warstwę kontrolną w piecu plazmowym. Moc platyny ustawiamy na 75%, stosując ciśnienie tlenu 30 PSI oraz przepływ wynoszący pięć. Parametry te można zawsze dostosować w zależności od konkretnego zastosowania.

Włącz urządzenie, a następnie uruchom plazmę na 30 sekund. Teraz umieść warstwę kontrolną na membranie. Doprowadź do ich kontaktu; w ciągu kilku minut warstwa kontrolna zostanie trwale połączona z membraną.

Po kilku minutach należy usunąć warstwę kontrolną wraz z membraną. Dobrze, teraz możemy dopasować warstwę kontrolną do warstwy całkowicie przezroczystej. Ponieważ nie znajdujemy się już w pomieszczeniu czystym, używamy końcówki z taśmą klejącą, aby usunąć kurz z warstwy całkowicie przezroczystej.

Należy również usunąć membranę z obszaru wlotowego warstw sterujących. Ma to na celu umożliwienie dostępu do znajdującej się poniżej warstwy płynnej. W tym celu należy umieścić warstwę sterującą z membraną na wierzchu warstwy płynnej.

Sprawdź wszystkie komory z cieczą oraz zawory. Upewnij się, że wszystkie są wyrównane od lewej do prawej strony. Jeśli nie są wyrównane, można usunąć warstwę sterującą i powtórzyć czynność.

Tutaj widać, że warstwa płynna i warstwa sterująca są wyrównane. Teraz wprowadzę cieńsze rurki do tych wlotów, aby połączyć je ze źródłami płynów oraz źródłami ciśnienia. Następnie podłączę zawory do źródła ciśnienia, a wloty płynów do źródła płynów.

Mamy tutaj dwa różne barwniki, niebieski i żółty, służące do otwierania i zamykania mikrozaworów PDMS. Wykorzystujemy zawory elektromagnetyczne podłączone do źródła próżni oraz sprężonego powietrza, a sterowanie zaworami odbywa się za pomocą oprogramowania LightView. W tej chwili otwieram zestaw zaworów numer jeden.

Możemy zauważyć ugięcie membran z PDMS, co oznacza, że zawory są otwarte. Teraz zamykam pierwszy zestaw zaworów, a następnie otwieram i zamykam drugi zestaw. Obecnie wszystkie mikrozawory działają prawidłowo.

Napełnię komory mikrofluidyczne dwoma różnymi barwnikami. Otworę pierwszy zestaw zaworów, a następnie użyję podciśnienia, aby wciągnąć oba barwniki do komór. Po napełnieniu komór barwnikami zamknę pierwszy zestaw zaworów, aby odizolować każdą z komór, a następnie uruchomię zestaw zaworów.

Po drugie, należy wymieszać pary w obu tablicach. Otwarcie zaworu i mieszanie trwają zazwyczaj od jednej do dwóch minut. Zaprojektowaliśmy komory w 10 różnych rozmiarach.

Mamy zatem stosunek mieszania dla 11 różnych proporcji. Po zakończeniu mieszania zamykam zawór, dzięki czemu można zobaczyć poszczególne komory, w których znajdują się różne stosunki mieszania.

Kolor zmienił się z niebieskiego na zielony, a następnie na bardziej żółty. Po wykonaniu urządzenia te mogą potencjalnie zostać wykorzystane w testach biomedycznych, takich jak przesiewanie leków, lub w badaniach z zakresu biologii komórki, na przykład w analizie chemotaksji lub odpowiedzi komórek na różne stężenia substancji chemicznych, czynników wzrostu lub leków. Nazywam się Chris Sip i zaprezentuję urządzenie będące zintegrowanym mikrofluidycznym systemem perfuzyjnym, który jest bardzo podobny do urządzenia pokazanego wcześniej podczas procesu wytwarzania.

Jedyną i główną różnicą jest to, że zamiast oddzielnych komór rozdzielonych zaworem, w których mieszanie zachodzi drogą dyfuzji, mamy wiele wlotów, które zbiegają się i są kontrolowane przez zawory w ramach schematu zaworowania multipleksowego. Zaprezentuję selektywne sterowanie zaworami, co pozwoli na włączanie lub wyłączanie różnych wlotów. Dodatkowo pokażę działanie zintegrowanego kanału mieszającego oraz sterowanie gradientami.

Na górze ekranu widocznych jest 16 wlotów, które zbiegają się, a przepływ odbywa się z góry w dół przez ten pionowy kanał do sieci rozgałęzień, którą jest komora do hodowli komórkowej. Obecnie widzimy, że we wlotach pojawia się niebieski barwnik, który przepływa, a profil przepływu laminarnego jest widoczny podczas przechodzenia przez komorę. Teraz stosujemy kombinację koloru niebieskiego i żółtego, a następnie możemy to zmienić, aby stworzyć przeciwstawną kombinację.

Możemy skierować nasz gradient na prawą stronę. Możemy również tworzyć inne rodzaje gradientów. Obecnie prezentowane jest szybkie przełączanie zaworów, co pozwala na sprawne przechodzenie między różnymi roztworami.

Obecnie wprowadzamy barwnik niebieski i żółty przez ten homogenizator, w wyniku czego w komorze otrzymujemy roztwór zielony; możemy również przełączać dowolną liczbę różnych wlotów. W tym przypadku uruchamiamy wlot czerwony, który zastępuje cały zielony roztwór. W dzisiejszym materiale pokazałem Państwu, jak tworzyć urządzenia oparte na mikrozaworach nożnych oraz zademonstrowałem mieszanie dwóch kolorowych barwników w różnych proporcjach w objętościach poniżej jednego litra.

Chris z naszego laboratorium zaprezentował również zintegrowane systemy mikroprzepływowe do perfuzji różnych roztworów. Dziękujemy za oglądanie i życzymy powodzenia w przeprowadzaniu własnych eksperymentów.