High Speed Delivery System Droplet-based para Passive Bombeamento em dispositivos microfluídicos
2 de setembro de 2009
Um novo sistema microfluídicos foi desenvolvido usando o fenômeno do bombeamento passivo e um usuário do sistema de entrega controlada de fluido. Este sistema microfluídicos tem potencial para ser usado em uma ampla variedade de aplicações biológicas dado o seu baixo custo, facilidade de uso, precisão volumétrica, alta velocidade, repetibilidade e automação.
A bombagem passiva requer uma grande gota colocada na saída e uma pequena gota colocada na entrada. Isso causará a diferença de pressão necessária para impulsionar o fluxo. Gotas alternadas de fluidos diferentes farão com que pacotes sejam conduzidos pelo canal e eventualmente sejam coletados na saída.
Altas taxas de fluxo podem ser obtidas ao entregar gotículas de baixo volume em uma frequência suficientemente alta para atingir uma camada estável de fluido na entrada. Olá, sou Pedro Reto do laboratório de Justin Williams do Departamento de Engenharia Biomédica da Universidade de Wisconsin em Medicina. E eu sou Brian Mogan, também do laboratório Williams.
E eu sou Aaron Burier do Laboratório do Professor S, também do departamento de engenharia biomédica da W Medicine. Hoje vamos mostrar a vocês um procedimento para realizar bombeamento passivo em dispositivos microfluídicos. Em nosso laboratório, utilizamos este procedimento para estudar o fluxo dentro de microcanais e para investigar a troca fluidica dentro do canal para aplicações biológicas.
Então vamos começar. Primeiro, utilizando a técnica de litografia macia, crie um dispositivo microfluídico usando polimetil suboxona. Em seguida, recorte o dispositivo e depois reversivelmente.
Fixe o dispositivo de PDMS a uma lâmina de vidro pressionando-o sobre a lâmina e removendo quaisquer bolhas de ar. Uma fixação reversível permite que o dispositivo seja reutilizado várias vezes. Agora, preencha o dispositivo com líquido.
Utilizamos água com corante alimentar. Se o líquido não entrar no canal por si só, coloque uma gota de líquido na entrada e use uma pipeta na extremidade oposta para puxar o líquido através do canal. Após preencher o dispositivo com líquido, coloque uma gota pequena na entrada e uma gota maior na saída.
Certifique-se de que o fluido está se movendo observando a pequena gota na entrada se contrair enquanto a gota na saída aumenta de tamanho. Antes de avançarmos mais, vamos explicar as relações básicas do bombeamento passivo. A dinâmica das gotas bombeadas depende de diversos fatores, como as dimensões do canal, altura e comprimento, e do tamanho da gota colocada na entrada.
Para dar uma ideia melhor de como esses fatores afetam o fluxo, vamos apresentar alguns exemplos. Vamos começar com dois canais semelhantes. Eles têm a mesma largura e altura, mas um é mais longo que o outro.
Agora colocamos gotas do mesmo tamanho na entrada de cada canal. Observe como a gota de entrada nos canais mais curtos colapsa mais rapidamente do que a gota nos canais mais longos. Isso ocorre porque um canal mais longo possui maior resistência fluidica e o fluxo no seu interior é mais lento.
A seguir, vamos explorar mais dois canais com o mesmo comprimento e altura, mas larguras diferentes. Vamos colocar gotas idênticas na entrada de cada canal e observar seu colapso. Perceba como o canal mais estreito leva mais tempo para colapsar a gota de entrada?
Isso ocorre porque o canal mais fino possui maior resistência fluidica do que o canal mais largo. Por fim, vamos considerar dois canais idênticos e colocar gotas de tamanhos diferentes na entrada de cada um. Observe como a gota maior na entrada demora mais para colapsar do que a gota menor na entrada.
Isso ocorre porque uma gota menor tem menos volume e maior pressão interna do que a maior. Sabendo que gotas menores são melhores do que as maiores. E tendo observado quão rapidamente essas gotas pequenas podem colapsar, agora nos perguntamos como entregar gotas com precisão volumétrica à entrada de um canal de forma que possamos realizar experimentos biológicos.
Usando o kit inicial de microdosagem da Lee Company, monte uma ou mais válvulas, cada uma composta pela válvula vol, um bico com orifício de 0,0100 polegadas e um adaptador de tubo flexível. Aqui temos a válvula conectada à caixa de controle por meio dos conectores de tubo para válvula, conforme feito na etapa anterior. Em seguida, temos uma fonte de tensão de pico, que é esta raiz aqui.
Em seguida, temos nossa fonte de tensão de controle, seguida pela fonte de tensão de retenção. E, finalmente, conectada à terra para manter as válvulas no lugar durante o alinhamento com a entrada. Utilize ferramentas de biociência, suportes miniatura.
Esses dispositivos permitem direcionar e manter com precisão a válvula em uma determinada posição. Durante o experimento, utilizando seringas de três quartos de onça, monte um sistema de reservatório para ser colocado a algumas centenas de centímetros acima do dispositivo de PDMS. O reservatório fornece uma pressão hidrostática para impulsionar os bicos.
Acople uma agulha de seringa à seringa. Em seguida, acople a agulha da seringa a um tubo com diâmetro interno de 1,14 milímetro e, depois, acople este a um tubo com diâmetro interno de 1,58 milímetro. Utilize PDMS como selante.
Agora conecte o tubo com diâmetro interno de 1,58 milímetro ao adaptador de tubo flexível da válvula. Agora que há uma conexão entre a agulha da seringa e a válvula, encha os reservatórios da seringa com líquido para purgar as válvulas e permitir que o tubo seja preenchido com água. Coloque um ímã ao lado da válvula e observe o líquido começar a fluir do reservatório através da válvula e sair pelo bico de 0,01 polegada.
Controlamos este sistema com um computador usando o LabVIEW e a caixa de controle spike and hold da Lee Company. Para calibrar o sistema, direcione uma válvula para uma placa de Petri ou um barquinho de alumínio para pesagem. Abra agora a válvula pelo tempo que desejar e pese o volume total de água que sai do bico.
Divida esse volume pelo tempo total de abertura do sistema. Essa calibração permite ao usuário determinar o volume de água que é expelido pelo bico para qualquer período de tempo determinado. Após calibrar o sistema, direcione o bico para a entrada de um canal com base na calibração anterior, expelindo um volume tal que uma gota seja lançada na entrada do canal sem ser grande demais para causar desordem ou pequena demais para passar despercebida.
Lembre-se de remover as bolhas entre os experimentos. Agora que os princípios básicos do bombeamento passivo são compreendidos e a calibração do sistema foi explicada, vamos analisar o que um usuário deve observar quando as coisas estão funcionando corretamente. O vídeo a seguir mostra um fluxo através de um canal microfluídico, passando de volumes maiores em frequências mais baixas para volumes menores em frequências mais altas.
Isso deve proporcionar ao usuário uma compreensão das capacidades da bombagem anterior juntamente com um sistema automatizado de entrega fluidica. As dimensões do dispositivo utilizadas nos vídeos a seguir são 2,22 milímetros de largura, 10 milímetros de comprimento e 260 micrômetros de altura. Os diâmetros da entrada e da saída são 1,78 milímetro e 5,11 milímetros, respectivamente.
São necessárias duas ou mais válvulas para criar fluxos alternados, conforme mostrado acima. A seguir, há um vídeo mostrando a vazão máxima possível no dispositivo atualmente em uso. Uma única válvula é utilizada para fornecer o fluido neste caso.
Para manter o equilíbrio do sistema, é importante direcionar a válvula diretamente a partir do topo da entrada. Observe a película que a gota forma na entrada. Isso representa a pressão constante mantida ao fornecer água à entrada na mesma velocidade com que o dispositivo pode bombeá-la passivamente.
Observe também como a gota de entrada transborda em determinado momento. Isso é provavelmente causado pela perturbação da gota de saída. Ao remover o transbordamento na entrada, o sistema retoma o equilíbrio e o fluxo continua.
Normalmente, acabamos de mostrar como configurar, calibrar e operar um sistema de bombeamento passivo utilizando microbicos comercialmente disponíveis. Ao realizar esses experimentos, é sempre importante lembrar-se de usar uma fonte de pressão estável para evitar que bolhas entrem no seu canal, de conhecer as compensações entre a geometria do canal e o tamanho da gota, a fim de obter os fluxos e trocas desejados, de não deixar a gota de saída ficar muito grande — por exemplo, isso causará bagunça ou poderá alcançar sua entrada — e de manter seus dispositivos de PDMS limpos e secos.
É isso aí. Obrigado por assistir e boa sorte em seus experimentos.
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Visão Geral
Um novo sistema microfluídico foi desenvolvido, que utiliza bombeamento passivo e um sistema de entrega de fluido controlado pelo usuário. Este sistema foi projetado para diversas aplicações biológicas devido ao seu baixo custo, facilidade de uso e alta precisão.
Componentes Principais do Estudo
Área da Ciência
- Microfluídica
- Engenharia Biomédica
- Dinâmica dos Fluidos
Contexto
- A bombagem passiva envolve a criação de uma diferença de pressão utilizando gotículas.
- Gotículas alternadas de fluido podem gerar pacotes de fluxo em microcanais.
- Altas taxas de fluxo podem ser alcançadas com gotículas de baixo volume.
- Essa tecnologia pode aprimorar experimentação e análise biológicas.
Objetivo do Estudo
- Desenvolver um sistema microfluídico economicamente viável.
- Aprimorar a precisão na entrega de fluidos em aplicações biológicas.
- Automatizar processos para obter melhor repetibilidade e velocidade.
Métodos Utilizados
- Projeto de um sistema microfluídico utilizando bombeamento passivo.
- Implementação de um mecanismo de entrega de fluido controlado pelo usuário.
- Teste de taxas de fluxo com diferentes tamanhos de gotas.
- Avaliação do desempenho do sistema em contextos biológicos.
Resultados Principais
- O sistema demonstrou alta precisão volumétrica.
- As taxas de fluxo foram significativamente melhoradas com o novo design.
- A automação levou a uma repetibilidade aprimorada nos experimentos.
- O sistema é adaptável para diversas aplicações biológicas.
Conclusões
- O sistema microfluídico desenvolvido oferece uma ferramenta promissora para pesquisadores.
- Seu baixo custo e facilidade de uso o tornam acessível para diversos laboratórios.
- Aplicações futuras poderiam expandir-se para múltiplas áreas de pesquisa biológica.
Perguntas Frequentes
Relevância Executiva para a Indústria
Este sistema microfluídico baseado em gotículas permite uma entrega precisa e de alta frequência de fluidos para aplicações biológicas, combinando bombeamento passivo com geração automatizada de gotículas. Ele possibilita a dosagem reprodutível de reagentes e a troca dinâmica de fluidos em microcanais, abordando desafios fundamentais nos fluxos de trabalho de desenvolvimento de ensaios e validação de alvos. A tecnologia aumenta a confiabilidade preditiva nas fases iniciais da descoberta, fornecendo dinâmica de fluidos controlável para estudos de interação fármaco-célula e triagem mecanicista.
Aplicações Estratégicas em P&D de Biotecnologia Farmacêutica
Descoberta Inicial e Validação de Alvo
- Valor Científico: Permite a investigação de hipóteses terapêuticas por meio da troca controlada de fluidos e da mistura mediada por gotículas nas entradas de dispositivos microfluídicos.
- Valor Operacional: Oferece entrega precisa de gotículas controlada por volume, por meio de válvulas acionadas por tensão, apoiando a dosagem reprodutível de compostos em ensaios microfluídicos.
- Valor Preditivo: Facilita a troca dinâmica de fluidos em canais com velocidade de até oito milissegundos, permitindo perturbações e leituras rápidas em estudos de interação com alvos.
Triagem e Desenvolvimento de Ensaios
- Valor Científico: Permite a preparação de camadas fluidas estáveis nas entradas dos canais por meio da entrega de gotículas em alta frequência, possibilitando condições de linha de base consistentes para triagem.
- Valor Operacional: Alcança vazões de até 4 mL/min em canais de 2,2 mm x 260 µm, permitindo troca de fluidos e reposição de reagentes em alta produtividade em formatos microfluídicos.
- Escalabilidade: Utiliza microbicos e sistemas de controle comercialmente disponíveis, permitindo a reutilização da plataforma em diversos designs de dispositivos microfluídicos.
Pesquisa Translacional e Pré-clínica
- Continuidade Translacional: Permite estudos de fármaco-célula mediante o controle das características de fluxo e da mistura impulsionada pelo momento nas entradas microfluídicas, relevante para modelagem farmacocinética e farmacodinâmica.
- Redução de Riscos Mecanísticos: Permite o estudo da interação entre o momento da gota e a tensão superficial, fornecendo insights sobre o comportamento fluídico que afeta a entrega de reagentes e a resposta celular.
- Confiabilidade Preditiva: Oferece um sistema relevante para doenças no estudo de processos biológicos mediados por fluidos sob condições hidrodinâmicas controladas.
Integração de Pipeline e Fluxo de Trabalho
O sistema se integra aos fluxos de trabalho de descoberta inicial ao permitir a manipulação precisa de fluidos para validação de alvos e preparação de ensaios, conectando a entrega baseada em gotículas com bombeamento passivo para operação microfluídica contínua.
- Biologia de Descoberta: Apoia a verificação de hipóteses por meio da entrega controlada de gotas e troca de fluidos, permitindo que pesquisadores investiguem a dinâmica de alvos sob condições de fluxo definidas.
- Triagem: Permite a preparação de ensaios por meio da formação estável de camada fluida nas entradas por entrega de gotas em alta frequência, melhorando a reprodutibilidade em triagens de compostos.
- Análise: Fornece medidas quantitativas de troca de fluidos (por exemplo, tempo de troca de 8 ms) que ajudam as equipes a comparar condições e avaliar respostas cinéticas em formatos microfluídicos.
- Pesquisa Translacional: Conecta-se à continuidade pré-clínica ao permitir estudos de interação fármaco-célula sob fluxo controlado, relevante para a modelagem de dinâmicas fluidas semelhantes às in vivo.
- Reutilização Corporativa: Aproveita um dispositivo microfluídico reutilizável com fixação reversível de PDMS-vídeo, permitindo uso repetido em múltiplos experimentos e equipes.
Impacto Operacional e Empresarial
- Valor Científico: Reduz a ambiguidade mecanicista nas respostas biológicas induzidas por fluidos, permitindo controle preciso sobre o momento das gotas e a equilibração da tensão superficial.
- Valor Operacional: Garante padronização e reprodutibilidade por meio da entrega calibrada de gotas controlada por tensão e fixação reversível do dispositivo.
- Valor Estratégico: Melhora as decisões de prosseguimento ou interrupção ao fornecer cinética confiável de troca de fluidos e capacidades de mistura para avaliação biológica em estágios iniciais.
- Impacto no Portfólio: Apoia a priorização ajustada ao risco por meio de saídas quantificáveis de dinâmica de fluidos que informam o design de ensaios e a confiança na validação de alvos.
Considerações sobre a Implementação
- Requer experiência na fabricação de dispositivos microfluídicos, nos princípios de bombeamento passivo e em sistemas de entrega de fluidos controlados por tensão.
- Exige instrumentação incluindo válvulas microdispensadoras, caixas de controle (spike/hold), reservatórios de pressão e microscopia para observação do fluxo.
- Exige padronização entre equipes quanto à calibração do volume de gotas, posicionamento de bicos e configuração de reservatórios para garantir desempenho consistente.
- Envolve considerações de adaptação para diferentes geometrias de canal, viscosidades de fluidos e ângulos de gota, a fim de evitar transbordamento na entrada ou camadas de fluxo instáveis.
- Inclui limitações práticas, como o risco de formação de bolhas se a pressão for instável, e a necessidade de controlar o tamanho da gota de saída para prevenir refluxo ou perturbação na entrada.
