A Armadilha hidrodinâmica microfluídicos baseados em partículas individuais

O objetivo geral deste método é confinar e manipular partículas únicas em micro e nanoescala usando fluxo laminar em um dispositivo microfluídico. A armadilha hidrodinâmica consiste em um dispositivo microfluídico com uma geometria de canal de fenda cruzada, que dá origem a um fluxo de ponto de estagnação na junção do microcanal. Uma válvula no chip localizada em um dos canais de saída é usada para controlar ativamente o fluxo de fluido e reter partículas.

As partículas são confinadas em um ponto de ajuste definido pelo usuário pelo controle ativo da posição do ponto de estagnação. Um controlador de feedback é usado para rastrear a posição das partículas e regular a válvula no chip para manter a posição das partículas no ponto de ajuste. Usando a armadilha hidrodinâmica, partículas únicas são presas, diluídas ou concentradas em soluções de partículas e podem ser visualizadas usando fluorescência ou microscopia de campo claro.

Uma única partícula pode estar confinada a um mícron do centro da armadilha, conforme mostrado na trajetória da partícula e no histograma do deslocamento da partícula do centro da armadilha. Olá, sou Eric Johnson Rio, do Laboratório do Professor Charles Schroer no Departamento de Engenharia Química e Biomolecular e do Centro de Biofísica e Biologia Computacional aqui na Universidade de Illinois. Olá, meu nome é Ari, pesquisador de pós-doutorado no Laboratório Schroeder.

Olá, sou Cheryl Schroeder e hoje vamos mostrar como fabricar e implementar um dispositivo microfluídico para aprisionamento hidrodinâmico de partículas únicas. A principal vantagem desta técnica sobre os métodos existentes, como armadilhas ópticas ou eletrocinéticas, é que o aprisionamento hidrodinâmico é obtido pela única ação do fluxo de fluido, eliminando assim quatro campos potencialmente proativos para aprisionamento de nanopartículas ou células. Essa técnica tem o potencial de transformar a ciência fundamental e aplicada, permitindo o aprisionamento de soluções livres de partículas em micro e nanoescala sem requisitos sobre as propriedades químicas ou físicas da partícula aprisionada.

Então vamos começar. Para facilitar o descascamento das réplicas dos moldes SU oito, ize a superfície dos moldes SU oito colocando os wafers em um dessecador sob vácuo por 10 minutos com um prato de vidro contendo algumas gotas de tricloro selina usando PDMS mistos e DGAs para as camadas fluídica e controle. Gire a camada da mistura de 15 para um PDMS no molde da camada fluídica por 30 segundos a 750 RPM e, em seguida, coloque o wafer em uma placa de Petri.

Da mesma forma, coloque o molde da camada de controle em uma placa de Petri e despeje uma mistura de cinco para um PDMS no molde com uma espessura de quatro milímetros. Para curar parcialmente as camadas de PDMS, asse os wafers cortando os PDMs por 30 minutos a 70 graus Celsius e deixe-os esfriar até a temperatura ambiente. Corte a réplica do PDMS com o bisturi e retire-a do molde SU oito.

Em seguida, com a agulha de calibre 21, faça um furo no PDMS como uma porta de acesso ao microcanal que atuará como a válvula de membrana no chip. Coloque a réplica do PDMS com uma camada de controle no wafer com a camada fluídica do PDMS revestida por spin. Alinhe e sele cuidadosamente a camada de controle com a camada fluídica usando um microscópio estéreo.

Certifique-se de remover todas as bolsas de ar entre as camadas e assar a 70 graus Celsius durante a noite para curar totalmente ambas as camadas em uma placa PDMS monolítica com duas camadas após o resfriamento à temperatura ambiente, use um bisturi para cortar e descascar a réplica PDMS do molde SU oito e use uma lâmina de barbear para remover o excesso de PDMS e separar cada unidade do dispositivo. Agora, portas de acesso de punção inteira aos microcanais na camada fluídica com uma agulha de calibre 21. Limpe uma lamínula com acetona IPA e seque com nitrogênio.

Trate as superfícies da lamínula e da réplica do PDMS com plasma de oxigênio abaixo de 500 militorr por 30 segundos. E então coloque imediatamente as duas superfícies em contato para formar uma vedação irreversível. Por fim, asse os dispositivos durante a noite para aumentar a ligação entre as camadas do PDMS e a lamínula.

Primeiro, coloque o dispositivo microfluídico no palco de um microscópio invertido e prenda-o com clipes de palco. Em seguida, para entregar as soluções ao dispositivo microfluídico, encha uma seringa estanque de um mililitro e 250 microlitros com tampão e soluções de amostra, respectivamente. Use uma válvula T entre a seringa de amostra e a porta de amostra no dispositivo microfluídico para controlar a entrega da amostra.

Agora estabeleça as conexões fluídicas entre as seringas e o dispositivo microfluídico, usando tubos de oxi fluor, adaptadores de trava de isca e tubos de metal de calibre 24. Em seguida, estabeleça as conexões fluídicas para os canais de saída no dispositivo microfluídico com tubulação PFA e tubulação de metal de calibre 24. Para manter uma queda de pressão constante entre as seringas e os canais de saída, a tubulação PFA para as saídas deve ter o mesmo comprimento e ambas submersas em um tubo de centrífuga de 1,5 mililitro preenchido com solução tampão.

Encha a válvula no chip com óleo de transporte fluorado usando uma seringa de plástico de trava de isca de três mililitros para evitar que o ar vaze para a camada fluídica durante a operação. Empurre o ar na câmara da válvula através da membrana PDMS para o microcanal. Na camada fluídica.

Para operação de válvula no chip. Conecte um suprimento de gás inerte pressurizado à porta na camada de controle. Enxágue as conexões fluídicas e o dispositivo microfluídico com 0,5 mililitros de solução tampão para garantir que todas as bolhas de ar sejam removidas do sistema, incluindo os canais de saída.

As taxas de fluxo típicas usadas para limpar bolhas variam entre 2000 a 5.000 microlitros por hora após as bolhas de ar serem enxaguadas dos canais microfluídicos, reduzindo a taxa de fluxo para 50 a 100 microlitros por hora, que é uma taxa de fluxo volumétrica típica para retenção de partículas. Agora troque a válvula T para permitir que a amostra flua para o dispositivo microfluídico. Execute o código de visualização de laboratório personalizado que automatiza o aprisionamento de partículas implementando um algoritmo de controle de feedback linear.

O código captura imagens de uma câmera CCD e transmite um potencial elétrico para um regulador de pressão que modula ativamente a posição de uma válvula pneumática no chip. Usando o estágio de translação XY do microscópio, posicione a região de aprisionamento no centro da câmera view. Traga a região de captura para o foco da lente objetiva e ajuste as configurações da câmera para otimizar as condições de imagem.

Escolha uma região retangular de interesse dentro do campo de visão da câmera, de modo que o centro da ROI seja a posição do centro de interceptação. Agora inicialize a pressão de deslocamento aplicada à válvula no chip. Uma constrição de 100 a 200 mícrons de largura localizada no canal de saída oposto.

Fornece uma pressão de deslocamento para a operação da válvula no chip. Inicie o controlador de feedback e ajuste o ganho proporcional para otimizar a resposta da armadilha. Dependendo da taxa de fluxo e da posição da válvula no chip, há um valor de ganho proporcional ideal, o que aumenta a estabilidade do purgador e elimina oscilações indesejadas de partículas.

O código de visualização do laboratório prenderá automaticamente uma das partículas que entram na região de captura. Neste vídeo, o movimento da partícula na direção do fluxo de entrada surge porque o fluxo de entrada da amostra é deixado aberto para maximizar a estanqueidade do confinamento na direção do fluxo. O usuário pode fechar o fluxo de amostra durante o aprisionamento, que equilibra o fluxo uniformemente na junção do canal cruzado, monitorar a partícula presa e manter o foco da partícula dentro do plano da imagem usando foco manual ou uma configuração de microscópio de foco automatizado.

O dispositivo microfluídico integrado consiste em um foco de amostra, uma junção de ranhura cruzada e um aprisionamento de válvula pneumática ocorre na junção de ranhura cruzada e a posição da partícula é controlada pelo ajuste ativo do campo de fluxo na junção do microcanal através da válvula pneumática. Aqui, uma imagem de uma única conta está confinada na armadilha hidrodinâmica. Além do centro da armadilha, várias contas não aprisionadas são mostradas na região de captura na junção do lote transversal.

A trajetória de um grânulo de poliestireno fluorescente de 2,2 mícrons preso é mapeada. A partícula fica inicialmente presa por três minutos. Em seguida, é liberado da armadilha e escapa por um dos canais de saída.

Um histograma de deslocamento de um cordão preso do centro da armadilha ao longo da direção dos canais de saída indica que a partícula está confinada a um mícron do centro da armadilha. Hoje, apresentamos a armadilha EM como um método para captura de solução livre de partículas em micro e nanoescala usando um fluxo de ponto de ação gerado dentro de um dispositivo microfluídico. O aprisionamento hidrodinâmico permite o confinamento de uma única partícula-alvo em suspensões de partículas concentradas, o que é difícil de usar métodos alternativos de aprisionamento baseados em campo de força.

Após um maior desenvolvimento, esta nova técnica permitirá a exploração científica nos campos da biofísica, mecânica celular, dinâmica de fluidos, enzimologia e biologia de sistemas. Obrigado por assistir e esperamos que esta técnica seja útil para seus experimentos.