Высокоскоростной капли основе Delivery System для пассивного Насосные в микрожидкостных устройств

Пассивная перекачка требует размещения большой капли на выходе и маленькой — на входе. Это создаст разность давлений, необходимую для обеспечения потока. Чередующиеся капли различных жидкостей приведут к перемещению пакетов по каналу и их последующему сбору на выходе.

Высокие скорости потока могут быть достигнуты путем подачи малообъемных капель с частотой, достаточной для формирования стабильной жидкостной оболочки на входе. Здравствуйте, я Педро Рето из лаборатории Джастина Уильямса факультета биомедицинской инженерии Медицинского университета Висконсина. А я Брайан Моган, также из лаборатории Уильямса.

А я — Аарон Бурье из лаборатории профессора С, также с кафедры биомедицинской инженерии медицинского факультета университета А. Сегодня мы продемонстрируем вам процедуру пассивного перекачивания в микрофлюидных устройствах. В нашей лаборатории мы используем этот метод для изучения потока внутри микроканалов и жидкостного обмена в канале для биологических приложений.

Итак, приступим. Сначала, используя метод мягкой литографии, изготовьте микрофлюидное устройство из полиметилсилоксана. Затем вырежьте устройство и затем обратимо.

Прикрепите устройство из PDMS к предметному стеклу, прижав его к поверхности и вытесняя все пузырьки воздуха. Обратимый характер крепления позволяет использовать устройство многократно. Теперь заполните устройство жидкостью.

Мы используем воду с пищевым красителем. Если жидкость не затекает в канал самостоятельно, поместите каплю жидкости на вход и с помощью пипетки на противоположном конце втяните жидкость через канал. После заполнения устройства жидкостью поместите маленькую каплю на вход и каплю большего размера на выход.

Убедитесь в том, что жидкость перемещается, наблюдая за тем, как маленькая капля на входе уменьшается, в то время как капля на выходе увеличивается. Прежде чем продолжить, давайте разберем основные принципы пассивного перекачивания. Динамика перекачиваемых капель зависит от нескольких факторов: размеров канала (его высоты и длины), а также размера капли, помещенной на входе.

Чтобы вы могли лучше представить, как эти факторы влияют на поток, мы приведем несколько примеров. Начнем с двух схожих каналов. Они имеют одинаковую ширину и высоту, но один из них длиннее другого.

Теперь мы помещаем капли одинакового размера на вход каждого канала. Обратите внимание, что капля на входе в более короткий канал коллапсирует быстрее, чем капля в более длинном канале. Это происходит из-за того, что более длинный канал обладает большим гидравлическим сопротивлением, и поток жидкости внутри него медленнее.

Далее рассмотрим еще два канала с одинаковой длиной и высотой, но разной шириной. Разместим идентичные капли на входе в каждый канал и пронаблюдаем за их коллапсом. Заметьте, что в более узком канале коллапс капли на входе происходит дольше?

Это объясняется тем, что более узкий канал обладает большим гидравлическим сопротивлением, чем более широкий канал. Наконец, возьмем два идентичных канала и поместим капли разного размера на входе в каждый из них. Заметьте, что более крупная входная капля схлопывается дольше, чем более мелкая входная капля.

Это объясняется тем, что капля меньшего размера имеет меньший объем и более высокое внутреннее давление, чем капля большая. Зная, что мелкие капли предпочтительнее крупных, и наблюдая, как быстро они могут коллапсировать, мы ставим перед собой задачу: как подавать в приемник канала капли с точно определенным объемом таким образом, чтобы это позволило проводить биологические эксперименты.

Используя стартовый комплект для микродозирования компании Lee Company, соберите один или несколько клапанов, каждый из которых состоит из объемного клапана, сопла с диаметром отверстия 0.0100 inches и адаптера для мягкой трубки. Таким образом, здесь клапан подключен к блоку управления через соединители трубок клапана, что мы сделали на предыдущем этапе. Также имеется источник импульсного напряжения, который представляет собой данный разъем здесь.

Затем следует наш источник управляющего напряжения, за которым следует источник напряжения удержания. И, наконец, соединение с заземлением для фиксации клапанов в определенном положении при наведении на входное отверстие. Используйте миниатюрные держатели от Bioscience Tools.

Они позволяют точно направлять и фиксировать клапан в определенном положении. В ходе эксперимента, используя шприцы объемом три четверти унции, создайте систему резервуаров, расположенную на высоте нескольких футов над устройством из PDMS. Резервуар обеспечивает напор давления для подачи жидкости через сопла.

Присоедините иглу к шприцу. Затем подсоедините иглу к трубке с внутренним диаметром 1.14 millimeter, а ее — к трубке с внутренним диаметром 1.58 millimeter. В качестве герметика используйте PDMS.

Теперь подсоедините трубку с внутренним диаметром 1,58 мм к адаптеру мягкой трубки клапана. Теперь, когда между иглой шприца и клапаном установлена линия, заполните резервуары шприца жидкостью, чтобы продуть клапаны и заполнить трубку водой. Поместите магнит сбоку от клапана и убедитесь, что жидкость начала течь из резервуара через клапан и выходить через сопло диаметром 0,01 дюйма.

Мы управляем этой системой с помощью компьютера, используя LabVIEW и блок управления импульсным и постоянным потоком (spike and hold) компании Lee Company. Для калибровки системы направьте один клапан в чашку Петри или в навесочное судно для взвешивания. Откройте клапан на выбранный вами промежуток времени и взвесьте общий объем воды, вытекающей из сопла.

Разделите этот объем на общее время открытия системы. Данная калибровка позволяет пользователю определить объем воды, вылетающий из сопла за любой заданный промежуток времени. После калибровки системы направьте сопло к входу в канал и, основываясь на результатах предыдущей калибровки, подайте такой объем жидкости, чтобы капля попала точно во вход в канал, не будучи при этом слишком большой, чтобы не вызвать загрязнения, или слишком маленькой, чтобы остаться незамеченной.

Не забудьте удалить пузырьки воздуха между экспериментами. Теперь, когда основные принципы пассивной перекачки изучены, а калибровка системы разъяснена, давайте посмотрим, что должен видеть пользователь при правильной работе установки. В следующем видео показан поток через микрофлюидный канал: от больших объемов при низких частотах к малым объемам при высоких частотах.

Это позволит пользователю понять возможности перекачки жидкости в обратном направлении с использованием автоматизированной системы подачи жидкости. Размеры устройства, используемого в следующих видеороликах, составляют 2.22 millimeter в ширину, 10 millimeter в длину и 260 micrometer в высоту. Диаметры входа и выхода составляют 1.78 millimeter и 5.11 millimeter соответственно.

Для создания переменных потоков, как показано выше, необходимо два или более клапана. Далее представлено видео, демонстрирующее максимально возможную скорость потока для используемого в данный момент устройства. В этом случае для подачи жидкости используется один клапан.

Для поддержания баланса системы важно направить клапан точно над верхней частью впускного отверстия. Обратите внимание на форму капли, образующейся во впускном отверстии. Она отражает постоянное давление, поддерживаемое за счет подачи воды во впускное отверстие с максимально возможной скоростью ее пассивной перекачки через устройство.

Также обратите внимание на то, что в определенный момент происходит переполнение входной капли. Скорее всего, это вызвано возмущением выходной капли. После устранения переполнения на входе система снова приходит в состояние равновесия и поток возобновляется.

Ранее мы продемонстрировали, как настроить, откалибровать и использовать систему пассивного перекачивания с помощью имеющихся в продаже микросопел. При проведении этих экспериментов всегда важно помнить о необходимости наличия стабильного источника давления, чтобы избежать попадания пузырьков в канал, а также учитывать взаимосвязь между геометрией канала и размером капли для достижения желаемых потоков и обменов. Например, необходимо следить за тем, чтобы капля на выходе не становилась слишком большой, иначе это приведет к загрязнению или ее попаданию к входу, а также важно поддерживать чистоту и сухость ваших устройств из PDMS.

На этом всё. Спасибо за просмотр и удачи в ваших экспериментах.