Pneumatycznie napędzana platforma mikroprzepływowa do zagęszczania mikrocząstek
February 1st, 2022
Obecny protokół opisuje pneumatyczną platformę mikroprzepływową, która może być używana do efektywnego koncentracji mikrocząstek.
Protokół ten opisuje naszą metodę wytwarzania i działania na pneumatycznie sterowanej platformie mikroprzepływowej do stężeń wielocząsteczkowych, która przezwycięża niedociągnięcia, takie jak zatykanie cząstek i złożone struktury. Metoda ta umożliwia przetwarzanie nieograniczonej liczby cząstek, skoncentrowanie się na dużej liczbie małych cząstek i zapobieganie niepożądanym uszkodzeniom komórek, a także zwiększa wydajność entropii. Ze względu na znaczenie analizy biologicznej, technologie mikroprzepływowych i biomedycznych systemów mikroelektromechanicznych są wykorzystywane do opracowywania i badania urządzeń do oczyszczania i zbierania mikromateriałów.
Na początek użyj wstępnie przygotowanej pneumatycznej formy kanału zaworowego SU8, aby odtworzyć warstwę PDMS do pneumatycznego sterowania zaworem. Wlej 10 mililitrów płynnego PDMS i jeden mililitr utwardzacza do przygotowanej pneumatycznej formy kanału zaworowego i aktywuj ciepło w temperaturze 90 stopni Celsjusza przez 30 minut. Po utwardzeniu struktur PDMS należy oddzielić formę SU8.
Przebij trzy 1.5-milimetrowe porty pneumatyczne w kanale zaworu pneumatycznego za pomocą 1.5-milimetrowego nakłucia. Wlej 10 mililitrów płynnego PDMS i jeden mililitr utwardzacza do czystej formy SU8. Wiruj przez 15 sekund z prędkością 1500 obrotów na minutę za pomocą powlekarki wirowej, a następnie aktywuj ciepło w temperaturze 90 stopni Celsjusza przez 30 minut.
Oddziel formę SU8 po utwardzeniu struktur PDMS. Traktuj strukturę PDMS plazmą atmosferyczną przez 20 sekund. Za pomocą mikroskopu wyrównaj struktury PDMS poddane obróbce plazmowej zgodnie ze strukturą kanału.
Połącz wyrównane struktury PDMS, podgrzewając je w temperaturze 90 stopni Celsjusza przez 30 minut. Za pomocą nakłucia o średnicy 1,5 milimetra wykonaj otwór o średnicy 1,5 milimetra we wlocie i wylocie kanału płynu w części kanału pneumatycznego połączonej z cienką warstwą membrany. Powielaj obie strony warstwy PDMS za pomocą dwóch form SU8, aby utworzyć kanał mikroprzepływowy.
Użyj zakrzywionej i prostokątnej formy kanału mikroprzepływowego z przodu oraz formy kanału mikroprzepływowego z tyłu. Wlej 10 mililitrów płynnego PDMS i jeden mililitr utwardzacza do zakrzywionej i prostokątnej formy kanału mikroprzepływowego i obracaj ją z prędkością 1200 obrotów na minutę przez 15 sekund, a następnie utwórz formy do zakrzywionej komory płynów i kanałów płynu przez aktywację cieplną w temperaturze 90 stopni Celsjusza przez 30 minut. Oddziel warstwę PDMS, na której tworzy się kanał mikroprzepływowy.
Następnie potraktuj go plazmą atmosferyczną przez 20 sekund, aby utworzyć aktywowaną termicznie formę pokrywającą uszczelnioną ścianę wentylacyjną poprzez połączenie ze szklaną płytką. Wlej trzy mililitry płynnego PDMS do kanału połączeniowego formy SU8. Ułóż strukturę, wykonaną za pomocą formy kanału połączeniowego, w płynnym PDMS na formie kanału mikroprzepływowego.
Następnie susz nałożoną strukturę w temperaturze 130 stopni Celsjusza przez 30 minut. Po utwardzeniu usuń przednią formę SU8 z warstwy sieci kanałów mikroprzepływowych i ostrożnie odklej tylną formę PDMS. Wlej 10 mililitrów płynnego PDMS i jeden mililitr utwardzacza do czystej formy SU8 i podgrzej, aktywuj ją w temperaturze 90 stopni Celsjusza przez 30 minut.
Oddziel formę SU8 po utwardzeniu struktur PDMS. Traktuj formy kanałów połączeń mikroprzepływowych PDMS plazmą atmosferyczną przez 20 sekund. Za pomocą mikroskopu wyrównaj struktury PDMS poddane obróbce plazmowej zgodnie ze strukturą kanału.
Połącz wyrównane struktury PDMS, podgrzewając w temperaturze 90 stopni Celsjusza przez 30 minut. Wyrównaj struktury PDMS przygotowane podczas tego procesu zgodnie ze strukturą kanału i połącz je poprzez traktowanie plazmą atmosferyczną przez 20 sekund. Za pomocą 10-mililitrowej strzykawki napełnij kanał mikroprzepływowy pozbawioną pęcherzyków, zdemineralizowaną wodą.
Aby kontrolować ciśnienie płynu roboczego i trzech zaworów pneumatycznych, które sterują przepływem mikrogranulek, należy włożyć precyzyjny regulator ciśnienia z czterema lub więcej kanałami wylotowymi płynu roboczego do platformy mikroprzepływowej. Przygotować cząstki testowe polistyrenu karboksylowego o różnych rozmiarach w wodzie destylowanej. Aby kontrolować natężenie przepływu płynu roboczego, napełnij wodą połowę szklanej butelki i podłącz szklaną nakrętkę butelki do kanału wyjściowego sterownika i mikrozaworu.
Za pomocą odwróconego mikroskopu obserwuj wszystkie operacje platformy i zmierz robocze natężenie przepływu w czasie na wylocie za pomocą przepływomierza cieczy. Wstrzyknąć mieszaninę cząstek lub płynów pod ciśnieniem na wlocie za pomocą zaworu cząstek. Zastosuj ciśnienie do zaworu CIV na poziomie 15 kilopaskali i zaworu cząstek stałych na 18 kilopaskalach, aby uruchomić zawór.
Gdy cząstki są skoncentrowane, należy wywierać ciśnienie tylko na zawór płynu. Natężenie przepływu płynów zostało podzielone na czterostopniową pracę na platformie. Pierwszym etapem był stan obciążenia.
Płyn roboczy i cząstki były prawie identyczne, ponieważ sieć kanałów mikroprzepływowych wykazywała symetrię strukturalną. Drugim etapem był stan blokujący. Ścieżka przepływu zwęziła się, a natężenie przepływu mierzone na króćcu wylotowym zostało zmniejszone przez opór hydrauliczny.
Trzecim etapem był stan koncentracji. Zmierzony QP był bliski zeru, a QF był około 1,42 razy większy niż w stanie blokującym. Ostatnim etapem był stan wydania.
Uzyskane w ten sposób natężenia przepływu i stężenia dowiodły, że sekwencyjne uruchamianie zaprogramowane za pomocą zaworu pneumatycznego działa dobrze ze względu na zmiany przepływu. Cząstki były skoncentrowane i gromadzone w obszarze zbierania, gdy zawór CIV i zawór cząstek były zamknięte, a wszystkie zebrane, skoncentrowane cząstki były uwalniane w ciągu czterech sekund, gdy zamknięty był tylko zawór płynu. Istotną częścią tej procedury jest utwardzenie tylnej struktury, w której warstwa PDMS jest wszczepiana przez nieco większy nacisk warstwy powietrza.
A zdeformowana warstwa folii zostaje nagle aktywowana. Platforma ta może być używana do automatycznej obróbki wstępnej bardzo skoncentrowanych, prostych i zawieszonych biocząstek, ponieważ właściwości cząstek fizycznych nie mają wpływu na operację.
View the full transcript and gain access to thousands of scientific videos
Przegląd
Ten protokół opisuje pneumatyczną platformę mikrofluidyczną zaprojektowaną do efektywnego koncentrowania mikrocząstek. Rozwiązuje problemy takie jak zatykanie cząstek i skomplikowane struktury, umożliwiając przetwarzanie dużej liczby małych cząstek przy minimalizacji uszkodzeń komórek.
Kluczowe elementy badania
Dziedzina nauki
- Mikrofluidyka
- Inżynieria biomedyczna
- Techniki koncentracji cząstek
Tło
- Pneumatyczne systemy mikrofluidyczne poprawiają manipulację cząstkami.
- Tradycyjne metody często stoją się z problemami zatory.
- Mikroelektromechaniczne systemy (MEMS) są kluczowe w rozwoju urządzeń.
- Efektywne koncentrowanie cząstek jest kluczowe dla analiz biologicznych.
Cel badania
- Wytworzenie pneumatycznej platformy mikrofluidycznej.
- Poprawa efektywności koncentracji mikrocząstek.
- Zapobieganie niechcianym uszkodzeniom komórek podczas przetwarzania.
Zastosowanie metod
- Wytwarzanie struktur PDMS za pomocą form SU8.
- Pneumatyczne sterowanie zaworami do manipulacji cząstkami.
- Ogrzewanie PDMS z użyciem czynnika utwardzającego dla stabilności struktury.
- Testowanie platformy pod kątem efektywności koncentracji.
Główne wyniki
- Udane skoncentrowanie wielu małych cząstek.
- Przezwyciężenie problemów zatory występujących w tradycyjnych metodach.
- Zachowanie żywotności komórek podczas procesu koncentracji.
- Zwiększenie efektywności entropii w przetwarzaniu cząstek.
Wnioski
- Pneumatyczna platforma mikrofluidyczna jest skuteczna w koncentrowaniu mikrocząstek.
- Ta metoda może być zastosowana do różnych analiz biologicznych.
- Przyszłe zastosowania mogą zwiększyć efektywność urządzeń biomedycznych.
Często zadawane pytania
Executive Industry Relevance
This pneumatically driven microfluidic platform addresses key challenges in early-stage biopharma R&D by enabling efficient concentration of micro-particles without clogging or cellular damage. It supports target validation and assay development workflows by providing a reproducible method for isolating and enriching analytes from complex biological matrices. The technology enhances predictive confidence in lead identification by ensuring consistent sample preparation, reducing variability that can confound downstream screening and mechanistic studies.
Strategic Applications in Biopharma R&D
Early Discovery & Target Validation
- Scientific Value: Enables interrogation of therapeutic hypotheses through precise concentration of biomarkers or therapeutic targets from heterogeneous samples.
- Operational Value: Reduces sample loss and improves detection sensitivity for low-abundance analytes critical in target validation.
- Predictive Value: Supports mechanistic de-risking by delivering consistent particle enrichment for functional assays and pathway analysis.
Screening & Assay Development
- Scientific Value: Prepares validated biological systems for downstream screening by removing interferents and concentrating analytes of interest.
- Operational Value: Enhances assay standardization and reproducibility through controlled, valve-driven sample processing.
- Scalability: Enables processing of unlimited particle numbers, supporting high-throughput screening campaigns.
Translational & Preclinical Research
- Translational Continuity: Maintains sample integrity from discovery through preclinical validation by preventing unwanted cell damage during concentration.
- Risk-Adjusted Advancement: Supports reliable biomarker alignment and disease-relevant system modeling through consistent sample preparation.
- Mechanistic De-risking: Increases confidence in preclinical data by minimizing pre-analytical variability introduced during sample handling.
Pipeline & Workflow Integration
The platform integrates into the discovery continuum from early target validation through lead identification and preclinical development, enabling reliable sample preparation at each stage.
- Discovery Biology: Supports hypothesis testing and pathway clarification by concentrating signaling molecules, vesicles, or cellular debris for analysis.
- Screening: Delivers assay-ready samples with reduced matrix effects, improving hit detection and structure-activity relationship confidence.
- Analytics: Provides quantitative concentration outputs that enable comparison across experimental conditions and time points.
- Translational Research: Connects discovery-phase sample processing to preclinical continuity by preserving analyte structure and function.
- Enterprise Reuse: Functions as a reusable sample preparation module across multiple projects and therapeutic areas.
Operational & Enterprise Impact
- Scientific Value: Increases predictive confidence in target validation by reducing false negatives from analyte loss during processing.
- Operational Value: Ensures reproducibility and standardization across laboratories through pneumatic control and defined operational stages.
- Strategic Value: Improves go/no-go decisions by delivering higher-quality input data for screening and mechanistic studies.
- Portfolio Impact: Enables risk-adjusted prioritization by improving the reliability of early-stage biological data.
Implementation Considerations
- Requires expertise in microfluidic device fabrication, PDMS handling, and pneumatic control systems.
- Depends on precision pressure controllers, syringe pumps, and flow rate monitoring equipment for reproducible operation.
- Necessitates cross-team standardization of valve actuation timing and pressure thresholds for consistent results.
- Requires adaptation of channel dimensions and valve timing based on target particle size and concentration goals.
- Practical limitations include the need for cleanroom-compatible fabrication and careful alignment of plasma-bonded layers to prevent leaks.
