É necessária uma assinatura do JoVE para visualizar este conteúdo. Faça login ou inicie seu teste gratuito.

Artigo de método

Plataforma microfluídica pneumática para concentração de micropartículas

2.2K visualizações

⸱

DOI:

10.3791/63301

⸱

1 de fevereiro de 2022

 ,  , 
1Department of Digital Anti-Aging Health Care, Inje University, 2Micro device Lab Co., Ltd, 3Department of Biomedical Engineering, Inje University

Neste artigo

Resumo

O presente protocolo descreve uma plataforma microfluidica pneumática que pode ser usada para uma concentração eficiente de micropartículas.

Resumo

O presente artigo introduz um método para fabricar e operar uma válvula pneumática para controlar a concentração de partículas usando uma plataforma microfluidica. Esta plataforma possui uma rede tridimensional (3D) com canais de fluido curvo e três válvulas pneumáticas, que criam redes, canais e espaços através da replicação duplex com polidimetilsiloxano (PDMS). O dispositivo opera com base na resposta transitória de uma taxa de fluxo de fluido controlada por uma válvula pneumática na seguinte ordem: (1) carregamento amostral, (2) bloqueio amostral, (3) concentração amostral e (4) liberação da amostra. As partículas são bloqueadas pela fina deformação da camada de diafragma da placa da válvula de peneira (Vs) e se acumulam no canal microfluido curvo. O fluido de trabalho é descarregado pela atuação de duas válvulas de entrada/desliga. Como resultado da operação, todas as partículas de várias ampliações foram interceptadas e desengajadas com sucesso. Quando esta tecnologia é aplicada, a pressão operacional, o tempo necessário para concentração e a taxa de concentração podem variar dependendo das dimensões do dispositivo e da ampliação do tamanho das partículas.

Introdução

Devido à importância da análise biológica, as tecnologias microetroecânicas microfluidicas e biomédicas (BioMEMS) 1,2 são utilizadas para desenvolver e estudar dispositivos para a purificação e coleta de micromateriais 2,3,4. A captura de partículas é categorizada como ativa ou passiva. Armadilhas ativas têm sido usadas para forças dieletéricas externas5, magnetoforéticas6,auditivas 7, visuais8 outérmicas 9 que atuam em partículas independentes, permitindo o controle preciso de seus movimentos. No entanto, é necessária uma interação entre a partícula e a força externa; assim, o rendimento é baixo. Nos sistemas microfluidos, controlar a vazão é muito importante porque as forças externas são transmitidas para as partículas alvo.

Em geral, os dispositivos microfluidos passivos possuem micropillars em microcanais 10,11. As partículas são filtradas através da interação com um fluido fluindo, e esses dispositivos são fáceis de projetar e baratos de fabricar. No entanto, eles causam entupimento de partículas em micro-pilares, por isso dispositivos mais complexos foram desenvolvidos para evitar o entupimento de partículas12. Dispositivos microfluidos com estruturas complexas são geralmente adequados para o gerenciamento de um número limitado de partículas 13,14,15,16,17,18.

Este artigo descreve um método para fabricar e operar uma plataforma microfluidica pneumática para grandes concentrações de partículas que superam as deficiências18 como mencionado acima. Esta plataforma pode bloquear e concentrar partículas por deformação e atuação da fina camada de diafragma da placa da válvula de peneira (Vs) que se acumula em canais microfluidos curvos. As partículas se acumulam em canais microfluidos curvos, e as partículas concentradas podem se separar descarregando o fluido de trabalho através da atuação de duas vedações PDMS sobre/desliga18 válvulas. Este método torna possível processar um número limitado de partículas ou concentrar um grande número de pequenas partículas. Condições operacionais como a magnitude da taxa de fluxo e a pressão de ar comprimido podem evitar danos celulares indesejados e aumentar a eficiência da captura celular.

Acesso restrito. Inicie sessão ou comece um teste para visualizar este conteúdo.

Protocolo

1. Projetando a plataforma microfluidica para concentração de partículas

  1. Projete a plataforma microfluida pneumática constituída por uma válvula pneumática para fluxo de fluidos na rede de fluxo 3D e três válvulas pneumáticas para a operação da válvula peneira (Vs), fluido (Vf) e partícula (Vp) (Figura 1).
    NOTA: Os blocos vs concentram partículas do líquido, e Vf e Vp permitem a liberação de fluidos e partículas após a concentração. Três portas pneumáticas fornecem ar comprimido da camada de alimentação fluida/pneumática (normalmente aberta) e da saída de luz da válvula pneumática para acionar a válvula. A rede de canais microfluidos é projetada com um programa CAD18,19.
  2. Projete o canal para ser uma camada de alimentação pneumática e uma camada de rede de canais 3D (Figura 2).
    NOTA: A rede de fluidos é interligada com os canais curvos na parte anterior e a câmara retangular na região posterior. Vs bloqueiam a entrada, e as partículas se acumulam na área de coleta do canal de fluidos curvos. Os fluidos livres de partículas (líquidos livres de partículas) são saídas através da saída Qf e das partículas concentradas através da saída Qp (Figura 3).
  3. De acordo com as condições acima, prepare quatro tipos de moldes SU-8.
    NOTA: Os quatro moldes incluem um molde que permite que a válvula seja controlada via pneumática, dois moldes que criam canais fluidos e um molde limpo sem forma (Figura 4 e Tabela 1). Os quatro tipos de moldes mencionados são fabricados utilizando processos de fotolitografia padrão. Esta fabricação de molde consiste em um molde SU-8 em um wafer de silício, conforme relatórios publicados anteriormente18,19. A figura 5 mostra o chip do dispositivo.

2. Fabricação da plataforma microfluidica para concentração de partículas

NOTA: A Figura 6 ilustra a fabricação de uma plataforma microfluidica que concentra partículas.

  1. Replicou a camada PDMS usando um molde SU-8 do canal pneumático preparado (etapa 1.3) para controlar pneumaticamente a válvula.
    1. Despeje 10 mL de PDMS líquido e 1 mL de agente de cura (ver Tabela de Materiais) em um molde de canal de válvula pneumática preparado (passo 1.3) e aque o calor a 90 °C por 30 min.
    2. Após a cura das estruturas PDMS, separe o molde SU-8 da etapa 2.1.1.
    3. Bata três portas pneumáticas de 1,5 mm (Vs, Vf e Vp) no canal da válvula pneumática fabricado de acordo com a etapa 2.1.2 usando uma punção de 1,5 mm (ver Tabela de Materiais).
    4. Despeje 10 mL de PDMS líquido e 1 mL de agente de cura em um molde SU-8 limpo preparado preparado preparado na etapa 1.3 e spin-coat a 1.500 rpm por 15 s usando um revestimento de spin (ver Tabela de Materiais). Em seguida, aque o calor é de 90 °C por 30 min.
    5. Após a cura das estruturas PDMS, separe o molde SU-8 da etapa 2.1.4.
      NOTA: A camada de diafragma da válvula controla o fluxo de fluidos de acordo com a pressão pneumática.
    6. Trate o plasma atmosférico (ver Tabela de Materiais) para as estruturas PDMS preparadas nas etapas 2.1.3 e 2.1.5 para 20 s.
    7. Alinhe diretamente estruturas PDMS tratadas com plasma a partir da etapa 2.1.6 de acordo com a estrutura do canal, verificando com um microscópio.
    8. Unifique as estruturas PDMS alinhadas preparadas na etapa 2.1.7 por aquecimento a 90 °C por 30 min.
    9. Perfurar um orifício de 1,5 mm de diâmetro na entrada do canal fluido (Qfp) e saídas de canal de fluido (Qf e Qp) dentro da parte pneumática do canal à qual a fina camada de diafragma é ligada, usando uma punção de 1,5 mm.
  2. Replique ambos os lados da camada PDMS usando dois moldes SU-8 para fazer um canal microfluido. Use um molde de canal microfluido curvo e retangular na frente e um molde de canal de interconexão microfluidic na parte traseira.
    1. Despeje 10 mL de PDMS líquido e 1 mL de agente de cura no molde de canal microfluido curvo e retangular e spin-coat a 1.200 rpm por 15 s. Em seguida, crie moldes para a câmara de fluido curvo e canais fluidos por ativação térmica a 90 °C por 30 min (Figura 6A).
    2. Separe a camada PDMS na qual o canal microfluido é formado, em seguida, faça um molde ativado pelo calor cobrindo a parede de ventilação selada, ligando-se ao wafer de vidro, tratando o plasma atmosférico por 20 s (Figura 6B).
    3. Despeje 3 mL de PDMS líquido no canal de interconexão do molde SU-8 (Figura 6C).
    4. Disponha a estrutura fabricada na etapa 2.2.2 com o molde do canal de interconexão em PDMS líquido no molde do canal de interconexão microfluida e seque a estrutura sobreposta a 130 °C por 30 min (Figura 6D).
      NOTA: Ao curar a estrutura traseira, o molde PDMS fabricado na etapa 2.2.2 é inflado pela pressão térmica da camada de ar, e a camada PDMS deformada é ativada termicamente (Figura 6E)16.
    5. Após a cura, remova o molde SU-8 dianteiro da camada de rede de canais microfluidos e retire cuidadosamente o molde PDMS traseiro (Figura 6F).
      NOTA: A camada de rede fluidic 3D permite a criação de uma câmara de fluidos curvos anteriores e canais microfluidos.
    6. Despeje 10 mL de PDMS líquido e 1 mL de agente de cura em um molde SU-8 limpo. Em seguida, aque o calor é de 90 °C por 30 min.
    7. Depois que as estruturas PDMS forem curadas, separe o molde SU-8.
      NOTA: Esta etapa cria a camada de vedação adicional.
    8. Trate o plasma atmosférico às estruturas PDMS preparadas nas etapas 2.2.3 e 2.2.7 para 20 s.
    9. Alinhe diretamente as estruturas PDMS tratadas com plasma de acordo com a estrutura do canal, verificando com um microscópio.
    10. Unindo as estruturas PDMS alinhadas aquecendo a 90 °C por 30 min.
  3. Alinhe as estruturas PDMS preparadas nas etapas 2.1 e 2.2 de acordo com a estrutura do canal e uni-las tratando plasma atmosférico para 20 s.

3. Configuração do dispositivo

NOTA: A Figura 7 mostra a fabricação de uma plataforma microfluidica que concentra partículas.

  1. Encha manualmente o canal microfluido com água desmineralizada sem bolhas usando uma seringa de 10 mL.
  2. Para controlar a P_Qfp e as três válvulas pneumáticas (P_Vs, P_Vf e P_Vp) que controlam o fluxo de microesferas, insira um controlador de pressão de precisão com quatro ou mais canais de saída (ver Tabela de Materiais) para o fluido de trabalho (Qfp) na plataforma microfluida.
    NOTA: Um controlador de pressão de precisão com quatro canais de saída pode ser substituído por múltiplos controladores de pressão de precisão. Neste experimento, a pressão operacional de P_Qfp foi de 10 kPa, P_Vs foi de 15 kPa, e P_Vf e P_Vp foram ambos de 18 kPa (Figura 8 e Tabela 2). A Figura 8 mostra a taxa de fluxo de fluido de trabalho ao longo do tempo, pois as partículas estão concentradas pela plataforma microfluida com P_Vs de 15 kPa, e a Tabela 2 mostra os resultados de atuação de acordo com as válvulas pneumáticas.
  3. Prepare partículas de teste de poliestireno carboxíl de vários tamanhos em água destilada (ver Tabela de Materiais).
    NOTA: Os tamanhos de partículas utilizados neste experimento foram de 24,9, 8,49 e 4,16 μm; partículas de vários tamanhos podem ser usadas dependendo da pressão de P_Vs.
  4. Para controlar a vazão do fluido de trabalho, encha uma garrafa de vidro meio cheia com água (fluido de trabalho) e conecte a tampa da garrafa de vidro ao canal de saída do controlador e microvalve.
    NOTA: Conecte um tubo à microválvula para receber ar comprimido do controlador e do outro tubo para injetar água.
  5. Observe a operação da plataforma através de um microscópio invertido para todas as operações da plataforma e meça a taxa de fluxo operacional ao longo do tempo na tomada por um medidor de fluxo líquido (ver Tabela de Materiais).

4. Funcionamento do dispositivo

  1. Injete a mistura de partículas/fluidos sob pressão na entrada (Qfp) com Vp (Figura 9A).
    NOTA: O fluxo de partículas e o fluido limpo da tomada através dos canais interligados são controlados via Vp e Vf, respectivamente (Tabela 2).
  2. Aplique pressão em Vs a 15 kPa e Vp a 18 kPa para acionar a válvula.
    NOTA: Neste momento, o diafragma está deformado, as partículas do fluido Qfp são bloqueadas no espaço de contato entre o canal de fluido curvo e o cantilever fluido curvo, e o fluido Qfp indesejado é liberado através do Qf aberto (Figura 9B,C).
  3. Quando as partículas estiverem concentradas, aplique pressão apenas em Vf.
    NOTA: Neste momento, quando a pressão é aplicada apenas ao Vf, as partículas entupidas são liberadas através de Qp (Figura 9D).

Acesso restrito. Inicie sessão ou comece um teste para visualizar este conteúdo.

Resultados

A Figura 8 mostra a taxa de fluxo das taxas de fluido para uma operação de plataforma de quatro estágios, conforme mencionado na Tabela 2. A primeira etapa é o estado de carga (estado). A plataforma foi fornecida com fluido com todas as válvulas abertas, e o fluido de trabalho (Qf) e partículas (Qp) são quase idênticos, pois a rede de canais microfluidos exibe simetria estrutural. No segundo estágio (estado b), o ar comprimido foi transportado para Vs para bloquear as partíc...

Acesso restrito. Inicie sessão ou comece um teste para visualizar este conteúdo.

Discussão

Esta plataforma fornece uma maneira simples de purificar e concentrar partículas de vários tamanhos. As partículas são acumuladas e liberadas através do controle pneumático da válvula, e nenhum entupimento é observado porque não há estrutura passiva. Usando este dispositivo, a concentração de partículas de três tamanhos é apresentada. No entanto, a pressão operacional, o tempo necessário para concentração e a taxa podem variar dependendo das dimensões do dispositivo, ampliação do tamanho das partículas e da pressão em Vs...

Acesso restrito. Inicie sessão ou comece um teste para visualizar este conteúdo.

Divulgações

Os autores não têm conflitos de interesse para divulgar.

Agradecimentos

Este trabalho foi apoiado pela Bolsa da Fundação Nacional de Pesquisa da Coreia (NRF) financiada pelo governo da Coreia (Ministério da Ciência e TIC). (Não. NRF-2021R1A2C1011380).

Acesso restrito. Inicie sessão ou comece um teste para visualizar este conteúdo.

Materiais

Lista de materiais utilizados neste artigo
NomeEmpresaNúmero de catálogoComentários
Punção de 1,5 mmAuto-produçãoAuto-produçãoEsta punção foi feita solicitando um fabricante de moldes com base no Miltex® Produto de punção de biópsia com êmbolo (15110-15).
4 polegadas de silício wafer/su-8 molde4science29-03573-01polegadas (100) ptype wafer/su-8 molde
carboxil poliestireno partícula reticulada(24.9 μ m)SpherotechCPX-200-10Amostra de grânulo concentrado1
Medidor de vazãoSensirionSLI-1000Medição de vazão
Câmera de alta velocidadePhotronFASTCAM MiniObservação da concentração
Placa quenteComo umaHI-1000para cura de líquido PDMS
KOVAX-SERINGA 10 mL/SeringaKoreavaccine22G-10MLEncha o canal microfluídico com água desmineralizada sem bolhas.
Laboratório Conona treater/plasma atmosféricoElectro-TechnicBD-20ACChip bonding/plasma atmosférico
Polidimetilsiloxano líquido, PDMSDow Corning Inc.Sylgard 184Componentes do
chip MicroscópioOlympusIX-81Observação da concentração
Tubos PEEKSAINT-GOBAIN PPL CORP.AAD04103Injetar ou coletar partículas
de partículas de poliestireno (4.16 μ m)SpherotechPP-40-10Amostra de grânulo concentrado3
Partícula de poliestireno (8,49 μ m)SpherotechPP-100-10Amostra de grânulo concentrado2
Controlador de pressão/μ fluconAMEDμ fluconControle da pressão do ar
Revestidor de rotaçãoiNexusACE-200espalhou o líquido PDMS no molde SU-8
4 placa de aquecimento

Referências

  1. Whitesides, G. M. The origins and the future of microfluidics. Nature. 442 (7107), 368-373 (2006).
  2. Desitter, I., et al. A new device for rapid isolation by size and characterization of rare circulating tumor cells. Anticancer Research. 31 (2), 427-441 (2011).
  3. Hayes, D. F., et al. Circulating tumor cells at each follow-up time point during therapy of metastatic breast cancer patients predict progression-free and overall survival. Clinical Cancer Research. 12 (14), 4218-4224 (2016).
  4. Choi, S., Park, J. K. Microfluidic system for dielectrophoretic separation based on a trapezoidal electrode array. Lab on a Chip. 5 (10), 1161-1167 (2005).
  5. Jung, Y., et al. Six-stage cascade paramagnetic mode magnetophoretic separation system for human blood samples. Biomedical Microdevices. 12 (4), 637-645 (2010).
  6. Li, P., et al. Acoustic separation of circulating tumor cells. Proceedings of the National Academy of Sciences. 112 (16), 4970-4975 (2015).
  7. Lin, Y. H., Lee, G. B. Optically induced flow cytometry for continuous microparticle counting and sorting. Biosensors and Bioelectronics. 24 (4), 572-578 (2008).
  8. Gramotnev, D. K., et al. Thermal tweezers for surface manipulation with nanoscale resolution. Applied Physics Letters. 90 (5), 054108(2007).
  9. Huang, L. R., et al. Continuous particle separation through deterministic lateral displacement. Science. 304 (5673), 987-990 (2004).
  10. Yin, D., et al. Multi-stage particle separation based on microstructure filtration and dielectrophoresis. Micromachines. 10 (2), 103(2019).
  11. Yoon, Y., et al. Clogging-free microfluidics for continuous size-based separation of microparticles. Scientific Reports. 6 (1), 1-8 (2016).
  12. Alvankarian, J., Majlis, B. Y. Tunable microfluidic devices for hydrodynamic fractionation of cells and beads: a review. Sensors. 15 (11), 29685-29701 (2015).
  13. Irimia, D., Toner, M. Cell handling using microstructured membranes. Lab on a Chip. 6 (3), 345-352 (2006).
  14. Huang, S. B., et al. A tunable micro filter modulated by pneumatic pressure for cell separation. Sensors and Actuators B: Chemical. 142 (1), 389-399 (2009).
  15. Chang, Y. H., et al. A tunable microfluidic-based filter modulated by pneumatic pressure for separation of blood cells. Microfluidics and Nanofluidics. 12 (1-4), 85-94 (2012).
  16. Oh, C. K., et al. Fabrication of pneumatic valves with spherical dome-shape fluid chambers. Microfluidics and Nanofluidics. 19 (5), 1091-1099 (2015).
  17. Liu, W., et al. Dynamic trapping and high-throughput patterning of cells using pneumatic microstructures in an integrated microfluidic device. Lab on a Chip. 12 (9), 1702-1709 (2012).
  18. Jang, J. H., Jeong, O. C. Fabrication of a pneumatic microparticle concentrator. Micromachines. 11 (1), 40(2020).
  19. McDonald, J. C., et al. Poly(dimethylsiloxane) as a material for fabricating microfluidic device. Accounts of Chemical Research. 35 (7), 491-499 (2002).
  20. Brivio, M., et al. A MALDI-chip integrated system with a monitoring window. Lab on a Chip. 5 (4), 378-381 (2005).
  21. Jeong, O. C., Konishi, S. The self-generated peristaltic motion of cascaded pneumatic actuators for micro pumps. Journal of Micromechanics and Microengineering. 18 (8), 085017(2008).
  22. Taff, B. M., Voldman, J. A scalable addressable positive dielectrophoretic cell-sorting array. Analytical Chemistry. 77 (24), 7976-7983 (2005).
  23. Pamme, N., et al. On-chip free-flow magnetophoresis: Separation and detection of mixtures of magnetic particles in continuous flow. Journal of Magnetism and Magnetic Materials. 307 (2), 237-244 (2006).
  24. Harris, N. R., et al. Performance of a micro-engineered ultrasonic particle manipulator. Sensors and Actuators B: Chemical. 111, 481-486 (2005).
  25. Yoon, Y., et al. Clogging-free microfluidics for continuous size-based separation of microparticles. Scientific Reports. 6 (1), 1-18 (2016).
  26. Beattie, W., et al. Clog-free cell filtration using resettable cell traps. Lab on a Chip. 14 (15), 2657-2665 (2014).
  27. Cheng, Y., et al. A bubble- and clogging-free microfluidic particle separation platform with multi-filtration. Lab on a Chip. 16 (23), 4517-4526 (2016).

Acesso restrito. Inicie sessão ou comece um teste para visualizar este conteúdo.

Reimpressões e permissões

Etiquetas

Válvula PneumáticaMicrocanais de PDMSMicrofluídica PneumáticaControle de Fluxo de MicroesferasCarregamento de AmostraVálvula de DiafragmaMedição da Taxa de FluxoFabricação de Dispositivo Microfluídico
Plataforma microfluídica pneumática para concentração de micropartículas
Fale conosco
Recomendar à biblioteca

Privacidade

Termos de Uso

Políticas

Copyright © 2026 MyJoVE Corporation. Todos os direitos reservados.