Manipulação de micropartículas de ondas acústicas de superfície com dupla frequência excitações de pé
21 de agosto de 2018
É apresentado um protocolo para manipular as micropartículas em um canal de microfluidic com uma excitação de dupla frequência.
Este método pode ajudar a resolver questões-chave no campo biomédico, como manipulação de micropartículas e auxiliar na classificação em um canal microfluídico para laboratórios em um chip. A principal vantagem desta técnica é que ela pode aumentar a sintonia da comissão de ondas acústicas de superfície estacionária. Demonstrando o procedimento estará Yannapol, um estudante de pós-graduação do meu grupo.
Comece com um molde para o canal microfluídico. Este é um padrão fotorresistente de tom negativo em um wafer de silício. Mais detalhes são fornecidos pelo padrão de fotolitografia usado para criá-lo.
Misture 10 partes de PDMS com uma parte da proporção do volume base do elastômero. Desgaseifique a mistura em um forno a vácuo por cerca de 15 minutos. Após a desgaseificação, leve a mistura para o molde.
Lá, despeje-o sobre o fotorresistente no wafer de silício. Agora, desgaseifique o wafer de silício coberto por mais 15 minutos. Depois disso, aqueça o wafer em uma incubadora para solidificar o PDSM.
Quando o PDMS estiver resfriado, remova-o do wafer. O canal microfluídico está pronto para as próximas etapas do protocolo. Prepare um substrato para a fabricação dos transdutores.
Nesse caso, use um wafer de niobato de lítio de quatro polegadas de diâmetro. Em um revestidor de centrifugação, gire o wafer com fotorresistente positivo. Em seguida, use fotolitografia para padronizar o fotorresistente com 20 tiras de 150 nanômetros em uma abertura de dois centímetros.
Após a fotolitografia, esta é a representação esquemática da mudança na seção transversal do substrato. Uma vez que o fotorresistente é desenvolvido, espalhe 20 nanômetros de cromo no substrato seguido por 400 nanômetros de alumínio. Use acetona para remover a camada de cromo e alumínio nas áreas não expostas.
Pegue o substrato para tratamento de superfície em plasma de oxigênio. Use uma proporção de nitrogênio para oxigênio de dois para um com 30 watts de potência por 60 segundos. Quando terminar, trabalhe com o substrato e o microcanal.
Alinhe o microcanal PDMS e cole-o com o substrato de niobato de lítio. Pressione os dois juntos por alguns segundos para uni-los. Coloque o dispositivo integrado na câmara de aquecimento a 60 graus por três horas.
Após o aquecimento da câmara, o dispositivo está pronto para estudos usando excitações de dupla frequência de ondas acústicas de superfície estacionária. Para observações, use um microscópio invertido com o dispositivo em seu palco. Coloque o wafer com os transdutores interdigitais em contato com o stage e tenha o microcanal no topo.
Conecte os transdutores ao sinal amplificado de um gerador de funções. Providencie para que os fluidos de uma bomba de seringa passem por um agitador magnético. Prepare a solução para os experimentos.
Misture quatro esferas de poliestireno micrômetro em água deionizada. Gire a mistura em um vórtice por dois a três minutos. Em seguida, coloque a mistura em um sonicador de ultrassom por 10 minutos.
Transfira a mistura para uma seringa de três mililitros. Adicione também uma barra de agitação à seringa. Em seguida, coloque a seringa na bomba da seringa.
Certifique-se de que a seringa esteja sobre o agitador magnético e conectada à entrada do dispositivo. Defina a taxa de fluxo da bomba de seringa para alguns microlitros por minuto. Agora, conduza o dispositivo com o fundamental e o terceiro harmônico dos transdutores interdigitais.
Observe as micropartículas estabilizadas ao microscópio e registre as imagens com a câmera digital. Comece sem excitação e varie a diferença de fase entre as duas frequências. Use as imagens gravadas para determinar a concentração de micropartículas em cada nó de pressão.
Este é um gráfico das formas de onda de pressão de uma onda acústica de superfície estacionária nas frequências de excitação de 6,2 e 18,6 megahertz. O eixo vertical é a posição ao longo de um microcanal de 300 micrômetros de largura. As curvas representam diferentes relações de potência, a porcentagem de potência no modo fundamental versus a potência total de 146 miliwatts.
Aqui está a força de radiação acústica aplicada a microesferas de quatro micrômetros no mesmo canal sob as mesmas condições de energia. Em uma relação de potência acima de 90%, a força está sempre em fase e produz um único nó de pressão na posição de 150 micrômetros no canal. Nós adicionais aparecem para uma relação de potência abaixo de 90%Quando microesferas de poliestireno de quatro micrômetros são inicialmente colocadas em uma parede do canal, seu movimento é determinado pela relação de potência.
Nota: Para relações de potência acima de 90%, as partículas vão para o nó central. Para taxas de potência de 90% e abaixo, eles vão para os nós laterais. A comparação dos dados experimentais, plotados usando símbolos, com simulações plotadas com linhas tracejadas, para a posição das partículas em função da razão de potência, produz uma boa concordância.
Observe que este gráfico mostra os nós laterais superior e inferior. Concordância semelhante é evidente em um gráfico da concentração de partículas em função da razão de potência. Ao tentar este procedimento, é importante lembrar de sintonizar a onda acústica estacionária no canal microfluídico ajustando a relação de potência da excitação de dupla frequência.
Após seu desenvolvimento, essa técnica abriu caminho para pesquisadores no campo da engenharia biomédica explorarem a manipulação rápida, eficaz e flexível de micropartículas auxiliando em laboratórios em um chip. Não se esqueça de que trabalhar com instrumentos elétricos pode ser extremamente perigoso e que precauções para evitar choque elétrico devem sempre ser tomadas durante a execução deste procedimento.
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Visão Geral
Este artigo apresenta um protocolo para manipular micropartículas em um canal microfluídico utilizando excitação de dupla frequência. Esta técnica aborda questões fundamentais no campo biomédico, particularmente em aplicações de laboratórios-em-um-chip.
Componentes Principais do Estudo
Área da Ciência
- Microfluídica
- Engenharia Biomédica
- Manipulação de Partículas
Contexto
- Canais microfluídicos são essenciais para diversas aplicações biomédicas.
- A manipulação de micropartículas pode aprimorar a separação e o processamento nesses canais.
- Ondas acústicas superficiais estacionárias podem melhorar a sintonizabilidade da manipulação de micropartículas.
- Este estudo utiliza um padrão de fotolito de tonalidade negativa em um substrato de silício para a fabricação do canal.
Objetivo do Estudo
- Demonstrar um método para manipulação de micropartículas em canais microfluídicos.
- Aprimorar as capacidades de separação em laboratórios-em-um-chip.
- Melhorar a sintonização de técnicas de manipulação por ondas acústicas.
Métodos Utilizados
- Fabricação de canais microfluídicos utilizando fotolitografia.
- Aplicação de excitação com dupla frequência para manipulação de partículas.
- Demonstração do procedimento por um estudante de pós-graduação.
- Avaliação da eficácia da técnica na separação de micropartículas.
Resultados Principais
- O método manipula com sucesso micropartículas de maneira controlada.
- Capacidades aprimoradas de separação foram observadas no canal microfluídico.
- A excitação em dupla frequência melhorou a sintonizabilidade das ondas acústicas.
- A demonstração confirmou a viabilidade da técnica para laboratórios em um chip.
Conclusões
- Este protocolo oferece um método confiável para a manipulação de micropartículas.
- Ele tem implicações significativas para aplicações biomédicas e pesquisas.
- Estudos futuros podem expandir as aplicações desta técnica.
Perguntas Frequentes
Relevância Executiva para a Indústria
Este método aumenta a sintonizabilidade de ondas acústicas superficiais estacionárias para a manipulação de micropartículas em sistemas lab-on-a-chip, abordando um desafio fundamental na engenharia biomédica: o controle preciso e não invasivo de partículas biológicas para aplicações diagnósticas e terapêuticas. Ao permitir campos de forças acústicas reconfiguráveis por meio de excitação em dupla frequência, melhora a confiança preditiva nos fluxos de trabalho de separação e concentração de partículas, apoiando a validação inicial de alvos e o desenvolvimento de ensaios. A abordagem reduz a ambiguidade mecanicista no manuseio de partículas em microfluidos, facilitando decisões ajustadas ao risco em descobertas biológicas e em fluxos de pesquisa translacional.
Aplicações Estratégicas em P&D de Biotecnologia Farmacêutica
Descoberta Inicial e Validação de Alvo
- Valor Científico: Permite a investigação de hipóteses terapêuticas mediante o controle da concentração de micropartículas em nós de pressão específicos para estudar o engajamento do alvo ou a modulação de vias.
- Valor Operacional: Apoia a desmistificação biológica por meio da manipulação reprodutível e ajustável de partículas, esclarecendo o comportamento funcional do alvo em microambientes controlados.
- Valor Preditivo: Aumenta a confiança na identificação de compostos líderes ao permitir o posicionamento preciso de partículas para análises posteriores, reduzindo falsos positivos em campanhas de triagem.
Triagem e Desenvolvimento de Ensaios
- Valor Científico: Prepara sistemas biológicos validados para fluxos de trabalho posteriores, permitindo o padrão consistente de micropartículas em nós acústicos definidos.
- Valor Operacional: Aborda a padronização e reprodutibilidade de ensaios por meio do controle dependente da razão de potência no número e localização dos nós de pressão, garantindo avaliação confiável de compostos.
- Valor da Plataforma: Destaca prontidão para triagem e escalabilidade por meio da integração não invasiva em sistemas laboratório-em-um-chip com mudanças mínimas de configuração, apoiando aplicações de alto rendimento.
Pesquisa Translacional e Pré-clínica
- Valor Científico: Discute a relevância para doenças ao permitir a manipulação de micropartículas biomiméticas em canais microfluídicos que modelam condições fisiológicas de fluxo.
- Valor Operacional: Descreve a continuidade desde a descoberta até a validação pré-clínica, permitindo o controle ajustado por fase da distribuição de partículas em múltiplos nós para estudos longitudinais.
- Avanço Ajustado ao Risco: Apoia decisões com base em saídas quantitativas de concentração de partículas em diferentes razões de potência, alinhando-se a objetivos mecanicistas de redução de riscos.
Integração de Pipeline e Fluxo de Trabalho
O método se insere no continuum de descoberta, desde a verificação de hipóteses na biologia inicial até a preparação de ensaios na identificação de compostos líderes, especialmente quando a manipulação de partículas permite leituras funcionais ou separação alinhada a biomarcadores em plataformas microfluídicas.
- Biologia da Descoberta: Explica como o método apoia o teste de hipóteses ao variar as relações de potência para controlar a agregação de partículas em um ou múltiplos nós, esclarecendo respostas dependentes do alvo.
- Triagem: Descreve a prontidão do ensaio por meio de padrões reprodutíveis de concentração de micropartículas que permitem a detecção confiável de alterações induzidas por compostos no comportamento das partículas.
- Análises: Destaca saídas quantitativas, como posição e concentração das partículas em função da relação de potência e diferença de fase, permitindo comparação estatística entre condições experimentais.
- Pesquisa Translacional: Relaciona o método com a continuidade pré-clínica ao permitir o controle sintonizado por fase de três nós de pressão para modelar o tráfego dinâmico de partículas em sistemas relevantes para doenças.
- Reutilização Empresarial: Apresenta o método como uma capacidade reutilizável para manipulação de partículas em microfluídica em múltiplos projetos, reduzindo a necessidade de desenvolvimento personalizado de ensaios para cada alvo.
Impacto Operacional e Empresarial
- Valor Científico: Confiança preditiva nos resultados da manipulação de partículas, redução da ambiguidade mecanicista em sistemas microfluídicos e melhor validação de alvos por meio do posicionamento controlado de partículas.
- Valor Operacional: Padronização por meio de limiares de razão de potência (por exemplo, >90% da frequência fundamental para controle de nó único), reprodutibilidade entre experimentos e escalabilidade da excitação de dupla frequência em formatos de laboratório em um chip.
- Valor Estratégico: Tomada de decisões mais eficaz sobre prosseguimento ou interrupção no estágio de identificação de compostos candidatos, permitindo separação precisa de partículas que reduz o ruído biológico, eficiência no uso de capital por meio de formas de onda reconfiguráveis e redução do risco em fases avançadas graças à melhor previsibilidade pré-clínica.
- Impacto no Portfólio: Priorização ajustada ao risco de alvos com base em dados quantitativos de concentração de partículas, apoiando decisões de avanço fundamentadas na redução de incertezas mecanicistas.
Considerações sobre a Implementação
- Expertise científica necessária em fabricação de dispositivos microfluídicos, teoria de ondas acústicas e processamento de sinais para excitação em frequência dupla.
- Os requisitos de instrumentação incluem geradores de função, amplificadores, transdutores interdigitais em substratos piezoelétricos (por exemplo, niobato de lítio) e microscopia para rastreamento de partículas.
- A padronização entre equipes exige alinhamento em limiares de razão de potência, protocolos de calibração de fase e métodos de medição de concentração de partículas.
- As considerações para adaptação em diferentes sistemas modelo envolvem o ajuste das dimensões do canal, do tamanho das partículas e das propriedades do fluido para manter a ressonância acústica e a eficiência de manipulação.
- As limitações práticas incluem a necessidade de controle preciso de fase para evitar deslocamentos indesejados de nós e a dependência do contraste acústico da partícula para uma manipulação eficaz, conforme observado experimentalmente com microesferas de poliestireno.
Perguntas Frequentes sobre Biotecnologia Farmacêutica
Chapters in this video
0:04
Title
0:34
Preparation of the Microfluidic Channel
1:29
Fabrication of the Interdigital Transducers
3:00
Experimental Observation
4:30
Results: Effect of Dual-frequency Standing Surface Acoustic Waves on the Motion of Polystyrene Microparticles in a Microchannel
6:01
Conclusion
