Для просмотра этого контента требуется подписка на JoVE. Войдите или начните свой бесплатный пробный период.

Методическая статья

Пневматическая микрофлюидная платформа для концентрации микрочастиц

2.2K просмотров

⸱

DOI:

10.3791/63301

⸱

1 февраля 2022 г.

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

В этой статье

Краткое содержание

Настоящий протокол описывает пневматическую микрофлюидную платформу, которая может быть использована для эффективной концентрации микрочастиц.

Аннотация

В настоящей статье представлен способ изготовления и эксплуатации пневматического клапана для регулирования концентрации частиц с использованием микрофлюидной платформы. Эта платформа имеет трехмерную (3D) сеть с изогнутыми каналами жидкости и тремя пневматическими клапанами, которые создают сети, каналы и пространства посредством дуплексной репликации с полидиметилсилоксаном (PDMS). Устройство работает на основе переходного отклика потока жидкости, контролируемого пневматическим клапаном, в следующем порядке: (1) загрузка образца, (2) блокировка образца, (3) концентрация пробы и (4) выпуск образца. Частицы блокируются тонкой деформацией диафрагменного слоя пластины ситового клапана (Vs) и накапливаются в изогнутом микрофлюидном канале. Рабочая жидкость сбрасывается срабатыванием двух клапанов включения/выключения. В результате операции все частицы различного увеличения были успешно перехвачены и отсоединены. При применении этой технологии рабочее давление, время, необходимое для концентрации, и скорость концентрации могут варьироваться в зависимости от размеров устройства и увеличения размера частиц.

Введение

В связи с важностью биологического анализа, технологии микрофлюидных и биомедицинских микроэлектромеханических систем (БиоМЭМС) 1,2 используются для разработки и изучения устройств для очистки и сбора микроматериалов 2,3,4. Захват частиц классифицируется как активный или пассивный. Активные ловушки использовались для внешних диэлектрических5, магнитофоретических6, слуховых7, визуальных8 или тепловых9 сил, действующих на независимые частицы, что позволяет точно контролировать их движения. Однако требуется взаимодействие между частицей и внешней силой; таким образом, пропускная способность низкая. В микрофлюидных системах управление скоростью потока очень важно, потому что внешние силы передаются целевым частицам.

В целом, пассивные микрофлюидные устройства имеют микропиллары в микроканалах10,11. Частицы фильтруются через взаимодействие с протекающей жидкостью, и эти устройства просты в проектировании и недороги в производстве. Тем не менее, они вызывают засорение частиц в микростолпах, поэтому были разработаны более сложные устройства для предотвращения засорения частиц12. Микрофлюидные устройства со сложными структурами, как правило, пригодны для управления ограниченным числом частиц 13,14,15,16,17,18.

В данной статье описывается способ изготовления и эксплуатации пневматической микрофлюидной платформы для больших концентраций частиц, который преодолевает недостатки18 , как упоминалось выше. Эта платформа может блокировать и концентрировать частицы путем деформации и срабатывания тонкого диафрагменного слоя пластины ситового клапана (Vs), который накапливается в изогнутых микрофлюидных каналах. Частицы накапливаются в изогнутых микрофлюидных каналах, и концентрированные частицы могут отделяться, разряжая рабочую жидкость посредством приведения в действие двух уплотнений PDMS для включения/выключения клапанов18. Этот метод дает возможность переработать ограниченное количество частиц или сконцентрировать большое количество мелких частиц. Рабочие условия, такие как величина расхода и давление сжатого воздуха, могут предотвратить нежелательное повреждение клеток и повысить эффективность улавливания ячеек.

Доступ ограничен. Войдите в систему или начните пробный период, чтобы просмотреть этот контент.

Протокол

1. Проектирование микрофлюидной платформы для концентрации частиц

  1. Спроектируйте пневматическую микрофлюидную платформу, состоящую из одного пневматического клапана для потока жидкости в 3D-проточной сети и трех пневматических клапанов для работы сита (Vs), жидкости (Vf) и частиц (Vp) (рисунок 1).
    ПРИМЕЧАНИЕ: Vs блокирует частицы концентрата из жидкости, а Vf и Vp допускают высвобождение жидкости и частиц после концентрации. Три пневматических порта обеспечивают подачу сжатого воздуха из подающего слоя жидкости/пневматики (обычно открытого) и светового выхода пневматического клапана для приведения в действие клапана. Микрофлюидная канальная сеть спроектирована с программой CAD18,19.
  2. Спроектируйте канал как пневматический уровень питания и сетевой слой 3D-канала (рисунок 2).
    ПРИМЕЧАНИЕ: Сеть жидкости соединена с изогнутыми каналами в передней части и прямоугольной камерой в задней области. Vs блокирует входное отверстие, и частицы накапливаются в области сбора изогнутого канала жидкости. Жидкости, не содержащие частиц (жидкости без частиц), выходят через выходное отверстие Qf, а концентрированные частицы — через выходное отверстие Qp (рисунок 3).
  3. В соответствии с вышеуказанными условиями подготовьте четыре типа пресс-форм СУ-8.
    ПРИМЕЧАНИЕ: Четыре формы включают в себя форму, которая позволяет управлять клапаном с помощью пневматики, две формы, которые создают жидкостные каналы, и чистую форму без формы (рисунок 4 и таблица 1). Четыре типа упомянутых пресс-форм изготавливаются с использованием стандартных процессов фотолитографии. Эта форма состоит из формы СУ-8 на кремниевой пластине, согласно ранее опубликованным отчетам18,19. На рисунке 5 показан чип устройства.

2. Изготовление микрофлюидной платформы для концентрации частиц

ПРИМЕЧАНИЕ: Рисунок 6 иллюстрирует изготовление микрофлюидной платформы, которая концентрирует частицы.

  1. Воспроизведите слой PDMS с помощью подготовленного пневматического клапанного канала формы SU-8 (этап 1.3) для пневматического управления клапаном.
    1. Налейте 10 мл жидкой PDMS и 1 мл отверждающего агента (см. Таблицу материалов) в подготовленную форму пневматического клапанного канала (стадия 1.3) и активируйте тепло при 90 °C в течение 30 мин.
    2. После отверждения структур ПДМС отделите форму СУ-8 ступени 2.1.1.
    3. Продувите три 1,5-мм пневматических порта (Vs, Vf и Vp) в канал пневматического клапана, изготовленный в соответствии с этапом 2.1.2 с использованием прокола 1,5 мм (см. Таблицу материалов).
    4. Налейте 10 мл жидкой PDMS и 1 мл отверждающего агента в подготовленную чистую форму SU-8, подготовленную на стадии 1.3, и отспините при 1 500 об/мин в течение 15 с с использованием спин-коатера (см. Таблицу материалов). Затем нагрейте-активируйте при 90 °C в течение 30 мин.
    5. После отверждения структур PDMS отделите форму СУ-8 стадии 2.1.4.
      ПРИМЕЧАНИЕ: Слой мембраны клапана контролирует поток жидкости в соответствии с пневматическим давлением.
    6. Обработка атмосферной плазмы (см. Таблицу материалов) структурами PDMS, подготовленными на этапах 2.1.3 и 2.1.5 в течение 20 с.
    7. Выровняйте непосредственно обработанные плазмой структуры PDMS со стадии 2.1.6 в соответствии со структурой канала путем проверки с помощью микроскопа.
    8. Свяжите выровненные структуры PDMS, подготовленные на стадии 2.1.7, нагревая при 90 °C в течение 30 мин.
    9. Пробивите отверстие диаметром 1,5 мм во входном отверстии канала жидкости (Qfp) и выходы канала жидкости (Qf и Qp) в части пневматического канала, к которой прикреплен тонкий слой диафрагмы, используя прокол 1,5 мм.
  2. Воспроизведите обе стороны слоя PDMS, используя две формы SU-8, чтобы создать микрофлюидный канал. Используйте изогнутую и прямоугольную форму микрофлюидного канала спереди и форму канала микрофлюидного соединения сзади.
    1. Налейте 10 мл жидкой PDMS и 1 мл отверждающего агента в изогнутую и прямоугольную форму микрофлюидного канала и спин-слой со скоростью 1 200 об/мин в течение 15 с. Затем создают формы для изогнутой жидкостной камеры и каналов жидкости путем термической активации при 90 °C в течение 30 мин (рисунок 6A).
    2. Отделите слой PDMS, на котором образуется микрофлюидный канал, затем сделайте термоактивированную форму, покрывающую герметичную вентиляционную стенку, путем склеивания со стеклянной пластиной путем обработки атмосферной плазмы в течение 20 с (рисунок 6B).
    3. Налейте 3 мл жидкой ПДМС в соединительный канал пресс-формы СУ-8 (рисунок 6С).
    4. Расположите структуру, изготовленную на стадии 2.2.2, с соединительным каналом формы в жидкой PDMS на микрофлюидном соединительном канале формы и высушите наложенную структуру при 130 °C в течение 30 мин (фиг.6D).
      ПРИМЕЧАНИЕ: При отверждении задней конструкции пресс-форма PDMS, изготовленная на этапе 2.2.2, надувается тепловым давлением воздушного слоя, а деформированный слой PDMS термически активируется (рисунок 6E)16.
    5. После отверждения снимите переднюю форму СУ-8 с слоя сети микрофлюидных каналов и аккуратно отклейте заднюю форму PDMS (рисунок 6F).
      ПРИМЕЧАНИЕ: 3D-слой флюидной сети позволяет создавать переднюю изогнутую камеру жидкости и микрофлюидные каналы.
    6. Налейте 10 мл жидкой PDMS и 1 мл отверждающего агента в чистую форму SU-8. Затем нагрейте-активируйте при 90 °C в течение 30 мин.
    7. После отверждения структур PDMS отделите пресс-форму СУ-8.
      ПРИМЕЧАНИЕ: На этом шаге создается дополнительный уплотнительный слой.
    8. Обрабатывайте атмосферную плазму структурами PDMS, подготовленными на этапах 2.2.3 и 2.2.7, в течение 20 с.
    9. Выровняйте непосредственно плазменные структуры PDMS в соответствии со структурой канала, проверив с помощью микроскопа.
    10. Склейте выровненные структуры PDMS нагреванием при 90 °C в течение 30 мин.
  3. Выровнять структуры PDMS, подготовленные на этапах 2.1 и 2.2, в соответствии со структурой канала и связать их путем обработки атмосферной плазмы в течение 20 с.

3. Настройка устройства

ПРИМЕЧАНИЕ: На рисунке 7 показано изготовление микрофлюидной платформы, которая концентрирует частицы.

  1. Вручную заполните микрофлюидный канал безпузырьковой деминерализованной водой с помощью шприца объемом 10 мл.
  2. Для управления P_Qfp и тремя пневматическими клапанами (P_Vs, P_Vf и P_Vp), которые управляют потоком микрогранул, вставьте прецизионный контроллер давления с четырьмя или более выходными каналами (см. Таблицу материалов) для рабочей жидкости (Qfp) в микрофлюидную платформу.
    ПРИМЕЧАНИЕ: Прецизионный контроллер давления с четырьмя выходными каналами может быть заменен несколькими прецизионными регуляторами давления. В этом эксперименте рабочее давление P_Qfp составляло 10 кПа, P_Vs составляло 15 кПа, а P_Vf и P_Vp составляли 18 кПа (рисунок 8 и таблица 2). На фиг.8 показана скорость потока рабочей жидкости с течением времени, поскольку частицы концентрируются микрофлюидной платформой с P_Vs 15 кПа, а в таблице 2 показаны результаты срабатывания в соответствии с пневматическими клапанами.
  3. Готовят тестовые частицы карбоксильного полистирола различных размеров в дистиллированной воде (см. Таблицу материалов).
    ПРИМЕЧАНИЕ: Размеры частиц, использованные в этом эксперименте, составляли 24,9, 8,49 и 4,16 мкм; частицы различных размеров могут использоваться в зависимости от давления P_Vs.
  4. Чтобы контролировать скорость потока рабочей жидкости, заполните стеклянную бутылку, наполовину заполненную водой (рабочей жидкостью) и подключите крышку стеклянной бутылки к выходному каналу контроллера и микроклапану.
    ПРИМЕЧАНИЕ: Подключите одну трубку к микроклапану для приема сжатого воздуха от контроллера, а другую трубку для впрыска воды.
  5. Наблюдайте за работой платформы через инвертированный микроскоп для всех операций платформы и измеряйте рабочий расход с течением времени на выходе с помощью расходомера жидкости (см. Таблицу материалов).

4. Работа устройства

  1. Впрыскивайте смесь частиц/жидкость под давлением на входе (Qfp) с Vp (рисунок 9A).
    ПРИМЕЧАНИЕ: Поток частиц и чистой жидкости из выходного отверстия через взаимосвязанные каналы контролируется через Vp и Vf, соответственно (таблица 2).
  2. Примените давление к Vs при 15 кПа и Vp при 18 кПа для приведения в действие клапана.
    ПРИМЕЧАНИЕ: В это время диафрагма деформируется, частицы жидкости Qfp блокируются в контактном пространстве между изогнутым каналом жидкости и изогнутым консолью жидкости, а нежелательная жидкость Qfp высвобождается через открытый Qf (рисунок 9B, C).
  3. Когда частицы сконцентрированы, применяйте давление только к Vf.
    ПРИМЕЧАНИЕ: В это время, когда давление подается только на Vf, забитые частицы высвобождаются через Qp (рисунок 9D).

Доступ ограничен. Войдите в систему или начните пробный период, чтобы просмотреть этот контент.

Результаты

На рисунке 8 показан расход жидкости для четырехступенчатой платформы, как указано в таблице 2. Первым этапом является состояние загрузки (состояние). Платформа снабжалась жидкостью со всеми открытыми клапанами, а рабочая жидкость (Qf) и частицы (Qp) практически идентичны, так как сеть микрофлюидных каналов демонстрирует структурную симметрию. На втором этапе (b состояние) сжатый воздух транспортировался в Vs для блокирования частиц, и по мере деформации диафрагмы Vs путь по...

Доступ ограничен. Войдите в систему или начните пробный период, чтобы просмотреть этот контент.

Обсуждение

Эта платформа обеспечивает простой способ очистки и концентрирования частиц различных размеров. Частицы накапливаются и высвобождаются через пневматическое управление клапаном, и никакого засорения не наблюдается, потому что нет пассивной структуры. С помощью этого прибора представлена концентрация частиц трех размеров. Однако рабочее давление, время, необходимое для концентрации, и скорость могут варьироваться в зависимости от размеров устройства, увеличения размера частиц и давления при Vs 18,20,21.

Доступ ограничен. Войдите в систему или начните пробный период, чтобы просмотреть этот контент.

Раскрытие информации

У авторов нет конфликта интересов для раскрытия.

Благодарности

Эта работа была поддержана грантом Национального исследовательского фонда Кореи (NRF), финансируемым правительством Кореи (Министерство науки и ИКТ). (Нет. НРФ-2021R1A2C1011380).

Доступ ограничен. Войдите в систему или начните пробный период, чтобы просмотреть этот контент.

Материалы

Список материалов, использованных в этой статье
ИмяКомпанияКаталожный номерКомментарии
Прокол 1,5 ммСамопроизводствоСамопроизводство Этотпрокол был сделан по запросу производителя пресс-форм на базе Miltex® Биопсийный пунш с плунжером (15110-15) продукт.
4-дюймовая силиконовая пластина/форма SU-84science29-03573-014-дюймовая (100) силиконовая пластина Ptype/форма SU-8
карбоксил-полистирольная сшитая частица (24,9 μ m)SpherotechCPX-200-10Образец концентрированных шариков1
РасходомерSensirionSLI-1000Измерение расхода
Высокоскоростная камераPhotronFASTCAM MiniНаблюдение за концентрацией
Горячая пластинаКак однаHI-1000для отверждения жидкости PDMS
KOVAX-ШПРИЦ 10 мл/ШприцКорейская вакцина22G-10MLЗаполните микрофлюидный канал деминерализованной водой без пузырьков.
Лабораторный протравитель кононы/атмосферная плазмаЭлектротехникаBD-20ACСклеивание чипов/атмосферная плазма
Жидкий полидиметилсилоксан, PDMSDow Corning Inc.Sylgard 184Компоненты микроскопа
OlympusIX-81Наблюдение за концентрацией
ПЭЭК ТрубкиSAINT-GOBAIN PPL CORP.AAD04103Впрыскивание или сбор частиц
Частицы полистирола (4.16 μ m)SpherotechPP-40-10Образец концентрированных гранул3
Частицы полистирола (8,49 μ m)SpherotechPP-100-10Образец концентрированных гранул2
Регулятор давления/μ fluconAMEDμ fluconКонтроль давления воздуха
Отверженная установкаiNexusACE-200для нанесения жидкого PDMS на пресс-форму SU-8
нагревательная пластина

Ссылки

  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).

Доступ ограничен. Войдите в систему или начните пробный период, чтобы просмотреть этот контент.

Перепечатки и разрешения

Теги

Пневматический клапанмикроканалы из ПДМСпневматическая микрофлюидикауправление потоком микросферзагрузка образцадиафрагменный клапанизмерение скорости потокаизготовление микрофлюидного устройства
Пневматическая микрофлюидная платформа для концентрации микрочастиц
Связаться с нами
Порекомендовать библиотеке

Конфиденциальность

Условия использования

Политики

© 2026 MyJoVE Corporation. Все права защищены.