Высокоскоростной капли основе Delivery System для пассивного Насосные в микрожидкостных устройств
2 сентября 2009 г.
Роман микрожидкостных система была разработана с использованием явления пассивного накачки и пользователь управляемая система доставки жидкости. Это микрожидкостных система обладает потенциалом для использования в самых разнообразных биологических приложений с учетом его низкой стоимости, простоты использования, объемная точность, высокая скорость, повторяемость и автоматизации.
Пассивная перекачка требует размещения большой капли на выходе и маленькой — на входе. Это создаст разность давлений, необходимую для обеспечения потока. Чередование капель различных жидкостей приведет к перемещению пакетов по каналу и их последующему сбору на выходе.
Высокие скорости потока могут быть достигнуты путем подачи капель малого объема с частотой, достаточной для формирования стабильной жидкой оболочки на входе. Здравствуйте, я Педро Рето из лаборатории Джастина Уильямса на кафедре биомедицинской инженерии Медицинского университета Висконсина. А я Брайан Моган, также из лаборатории Уильямса.
А я — Аарон Бурьер из лаборатории профессора С, также с кафедры биомедицинской инженерии медицинского факультета университета A W. Сегодня мы продемонстрируем вам процедуру пассивного перекачивания в микрофлюидных устройствах. В нашей лаборатории мы используем эту процедуру для изучения потока в микроканалах и обмена жидкостями внутри канала для биологических приложений.
Итак, приступим. Сначала с помощью метода мягкой литографии изготовите микрофлюидное устройство из полиметилсилсаноксана. Затем вырежьте устройство и прикрепите его.
Прикрепите устройство из PDMS к стеклянному предметному стеклу, прижимая его к стеклу 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, нанесите каплю жидкости на входное отверстие и с помощью пипетки на противоположном конце втяните жидкость через канал. После заполнения устройства жидкостью поместите маленькую каплю на входе и каплю большего размера на выходе.
Убедитесь, что жидкость перемещается, наблюдая за тем, как маленькая капля на входе уменьшается, а капля на выходе увеличивается. Прежде чем продолжить, давайте разберем основные принципы пассивного перекачивания. Динамика перекачиваемых капель зависит от нескольких факторов: размеров канала (высоты и длины), а также от размера капли, помещенной на вход.
Чтобы вы лучше понимали, как эти факторы влияют на поток, мы приведем несколько примеров. Для начала рассмотрим два похожих канала. Они имеют одинаковую ширину и высоту, но один из них длиннее другого.
Теперь поместим капли одинакового размера на входе в каждый канал. 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 скорость потока внутри него ниже.
Далее исследуем еще два канала с такой же длиной и высотой, но разной шириной. Поместим идентичные капли на входе в каждый канал и проследим за их схлопыванием. Заметьте, что в более узком канале капля на входе схлопывается дольше?
Это объясняется тем, что более узкий канал обладает большим гидравлическим сопротивлением, чем более широкий. Наконец, возьмем два идентичных канала и поместим капли разного размера на входе в каждый из них. Заметим, что более крупная входная капля схлопывается дольше, чем более мелкая.
Это объясняется тем, что капля меньшего размера имеет меньший объем и более высокое внутреннее давление, чем капля большего размера. Зная, что маленькие капли предпочтительнее крупных, и наблюдая, насколько быстро они могут коллапсировать, мы ставим перед собой задачу: как доставлять волюметрически точные капли к входу в канал таким образом, чтобы можно было проводить биологические эксперименты.
Используя стартовый набор для микродозирования компании Lee Company, соберите один или несколько клапанов, каждый из которых состоит из объемного клапана, сопла с диаметром отверстия 0,0100 дюйма и адаптера для мягкой трубки. Таким образом, здесь клапан подключен к блоку управления через соединители трубок клапана, что было сделано на предыдущем этапе. Также у нас есть источник импульсного напряжения, который представляет собой данный узел.
Затем следует источник контрольного напряжения, за которым следует источник удерживающего напряжения. И, наконец, соединение с заземлением для фиксации клапанов при наведении на входное отверстие. Используйте миниатюрные держатели от bioscience tools.
Они позволяют точно направить и зафиксировать клапан в определенном положении. В ходе эксперимента, используя шприцы объемом три четверти унции, создайте систему резервуаров, расположенную на расстоянии нескольких футов выше устройства из PDMS. Резервуар обеспечивает напор давления для подачи жидкости через сопла.
Присоедините иглу к шприцу. Затем подсоедините иглу шприца 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 гибкой трубки клапана. Теперь, когда между иглой шприца и клапаном установлена соединительная линия, наполните резервуары шприца жидкостью, чтобы продуть клапаны и заполнить трубку водой. Поместите магнит сбоку от клапана и наблюдайте, как жидкость начинает течь из резервуара через клапан и выходить из сопла диаметром 0,01 дюйма.
Мы управляем этой системой с помощью компьютера, используя LabVIEW и блок управления «spike and hold» компании Lee Company. Для калибровки системы направьте один клапан в чашку Петри или в лодочку для взвешивания сыворотки. Теперь откройте клапан на выбранное вами время и взвесьте общий объем воды, выходящей из сопла.
Разделите этот объем на общее время открытия системы. Эта калибровка позволяет пользователю определить объем воды, вылетающий из сопла за любой заданный период времени. После калибровки системы направьте сопло к входу в канал и, основываясь на результатах предыдущего калибровочного выброса, подайте такой объем, чтобы капля попала во вход в канал, не будучи слишком большой (чтобы не создать беспорядок) или слишком маленькой (чтобы ее можно было заметить).
Не забудьте удалить пузырьки воздуха между экспериментами. Теперь, когда основные принципы пассивного перекачивания понятны и проведена калибровка системы, рассмотрим, что должен видеть пользователь при правильном ходе процесса. В следующем видео показан поток через микрофлюидный канал, при котором объемы изменяются от более высоких при низких частотах до низких при высоких частотах.
Это должно дать пользователю представление о возможностях перекачивания в прошлом в сочетании с автоматизированной системой подачи жидкости. Размеры устройства, используемого в следующих видео, составляют 2,22 миллиметра в ширину, 10 миллиметров в длину и 260 микрометров в высоту; диаметры входа и выхода составляют 1,78 миллиметра и 5,11 миллиметра соответственно.
Для создания переменных потоков, как показано выше, необходимы два или более клапана. Далее представлено видео, демонстрирующее максимально возможную скорость потока для используемого в данный момент устройства. В данном случае для подачи жидкости используется один клапан.
Для поддержания баланса системы важно направить клапан точно сверху в область входа. Обратите внимание на форму капли, которая образуется на входе. Она свидетельствует о постоянном давлении, поддерживаемом за счет подачи воды на вход с максимально возможной скоростью ее пассивного перекачивания устройством.
Также обратите внимание на то, что в какой-то момент происходит перелив капли на входе. Скорее всего, это вызвано возмущением капли на выходе. После устранения перелива на входе система вновь достигает равновесия, и поток восстанавливается.
В данном разделе мы продемонстрировали настройку, калибровку и эксплуатацию пассивной системы перекачки с использованием коммерчески доступных микросопел. При проведении этих экспериментов крайне важно обеспечить стабильный источник давления, чтобы предотвратить попадание пузырьков воздуха в канал, а также учитывать взаимосвязь между геометрией канала и размером капли для достижения необходимых скоростей потока и обмена. Кроме того, необходимо следить за тем, чтобы размер выходящей капли не становился слишком большим, так как это может привести к загрязнению или ее попаданию в область входа, и поддерживать чистоту и сухость устройств из PDMS.
На этом всё. Спасибо за просмотр и удачи в ваших экспериментах.
Просмотрите полный транскрипт и получите доступ к тысячам научных видео
Обзор
Разработана новая микрофлюидная система, использующая пассивную перекачку и систему подачи жидкости, управляемую пользователем. Благодаря низкой стоимости, простоте использования и высокой точности данная система предназначена для различных биологических приложений.
Основные компоненты исследования
Область науки
- Микрофлюидика
- Биомедицинская инженерия
- Гидродинамика
Теоретические основы
- Пассивное перекачивание заключается в создании разности давлений с помощью капель.
- Чередующиеся капли жидкости могут создавать пакеты потока в микроканалах.
- Высокие скорости потока могут быть достигнуты при использовании капель малого объема.
- Данная технология может расширить возможности биологических экспериментов и анализа.
Цель исследования
- Разработать экономически эффективную микрофлюидную систему.
- Повысить точность подачи жидкости для биологических приложений.
- Автоматизировать процессы для обеспечения лучшей воспроизводимости и скорости.
Используемые методы
- Разработка микрофлюидной системы с использованием пассивного насоса.
- Реализация механизма подачи жидкости с управлением пользователем.
- Тестирование скоростей потока при различных размерах капель.
- Оценка эффективности системы в биологических контекстах.
Основные результаты
- Система продемонстрировала высокую точность дозирования объемов.
- Новая конструкция позволила существенно увеличить скорость потока.
- Автоматизация привела к повышению воспроизводимости экспериментов.
- Система adaptable для различных биологических приложений.
Выводы
- Разработанная микрофлюидная система представляет собой перспективный инструмент для исследователей.
- Низкая стоимость и простота использования делают ее доступной для различных лабораторий.
- В будущем область применения системы может быть расширена на множество направлений биологических исследований.
Часто задаваемые вопросы
Практическая значимость для промышленности
Эта микрофлюидная система на основе капель обеспечивает точную и высокочастотную подачу жидкости для биологических приложений, сочетая пассивную перекачку с автоматизированным генерированием капель. Она поддерживает воспроизводимое дозирование реагентов и динамический обмен жидкостями в микроканалах, решая ключевые задачи при разработке анализов и в рабочих процессах валидации мишеней. Данная технология повышает прогностическую достоверность на ранних этапах поиска, обеспечивая контролируемую гидродинамику для исследований взаимодействия лекарственных средств с клетками и механистического скрининга.
Стратегическое применение в биофармацевтических исследованиях и разработках
Ранние этапы поиска и валидация мишени
- Научная ценность: позволяет проверять терапевтические гипотезы посредством контролируемого обмена жидкостями и смешивания с помощью капель на микрофлюидных входах.
- Практическая ценность: обеспечивает волюметрически точную подачу капель с помощью клапанов с управлением по напряжению, что гарантирует воспроизводимое дозирование соединений в микрофлюидных анализах.
- Прогностическая ценность: обеспечивает динамический обмен жидкостями в каналах со скоростью до восьми миллисекунд, что позволяет осуществлять быстрое воздействие и считывание результатов в исследованиях связывания с мишенью.
Скрининг и разработка анализа
- Научная ценность: Обеспечивает подготовку стабильных жидкостных оболочек на входах в каналы посредством высокочастотной подачи капель, что позволяет поддерживать согласованные базовые условия для скрининга.
- Практическая ценность: Обеспечивает скорость потока до 4 mL/min в каналах размером 2.2mm x 260µm, что позволяет осуществлять высокопроизводительный обмен жидкостями и восполнение реагентов в микрофлюидных форматах.
- Масштабируемость: Использование коммерчески доступных микросопел и систем управления позволяет повторно использовать платформу для различных конструкций микрофлюидных устройств.
Трансляционные и доклинические исследования
- Трансляционная непрерывность: обеспечивает возможность проведения исследований взаимодействия лекарственных средств с клетками за счет контроля характеристик потока и смешивания под воздействием импульса на микрофлюидных входах, что имеет значение для фармакокинетического и фармакодинамического моделирования.
- Механистическое снижение рисков: позволяет изучать взаимодействие между импульсом капель и поверхностным натяжением, что дает понимание поведения жидкости, влияющего на доставку реагентов и клеточный ответ.
- Прогностическая достоверность: предоставляет релевантную для конкретных заболеваний систему для изучения опосредованных жидкостью биологических процессов в контролируемых гидродинамических условиях.
Интеграция конвейера и рабочего процесса
Система интегрируется в рабочие процессы раннего поиска путем обеспечения точного манипулирования жидкостями для валидации мишеней и подготовки анализов, объединяя доставку на основе капель с пассивным перекачиванием для непрерывного микрофлюидного функционирования.
- Биология открытий: Поддерживает проверку гипотез посредством контролируемой подачи капель и обмена жидкостями, позволяя исследователям изучать динамику мишеней при заданных условиях потока.
- Скрининг: Обеспечивает готовность анализа за счет формирования стабильного жидкостного слоя на входах с помощью высокочастотной подачи капель, что повышает воспроизводимость при скрининге соединений.
- Аналитика: Предоставляет количественные измерения обмена жидкостями (например, время обмена 8 ms), которые помогают группам сравнивать условия и оценивать кинетические ответы в микрофлюидных форматах.
- Трансляционные исследования: Обеспечивает преемственность с доклиническими исследованиями, позволяя проводить исследования взаимодействия лекарственных средств с клетками в условиях контролируемого потока, что актуально для моделирования жидкостной динамики, близкой к условиям in vivo.
- Корпоративное повторное использование: Использует многоразовое микрофлюидное устройство с обратимым креплением PDMS к стеклу, что позволяет неоднократно применять его в различных экспериментах и группах исследователей.
Операционное и корпоративное воздействие
- Научная ценность: Снижает механистическую неоднозначность биологических ответов, вызванных потоком жидкости, обеспечивая точный контроль над импульсом капель и уравновешиванием поверхностного натяжения.
- Операционная ценность: Обеспечивает стандартизацию и воспроизводимость за счет калиброванной подачи капель с управлением по напряжению и обратимого крепления устройства.
- Стратегическая ценность: Улучшает принятие решений о целесообразности дальнейших исследований (go/no-go), обеспечивая надежную кинетику обмена жидкостями и возможности смешивания для ранней биологической оценки.
- Влияние на портфель проектов: Поддерживает приоритизацию с учетом рисков за счет количественных данных по гидродинамике, которые служат основой для разработки анализа и повышения уверенности в валидации мишеней.
Особенности реализации
- Требуется опыт в изготовлении микрофлюидных устройств, знание принципов пассивной перекачки и систем подачи жидкости с регулируемым напряжением.
- Необходимо оборудование, включая микродозирующие клапаны, блоки управления (импульс/удержание), резервуары давления и микроскопы для наблюдения за потоком.
- Требуется межкомандная стандартизация калибровки объема капель, позиционирования сопла и настройки резервуара для обеспечения стабильной работы.
- Необходимо учитывать особенности адаптации для различных геометрий каналов, вязкости жидкостей и углов капель, чтобы избежать переполнения входа или нестабильности оболочек потока.
- Существуют практические ограничения, такие как риск образования пузырьков при нестабильном напоре давления, а также необходимость контроля размера капель на выходе для предотвращения обратного потока или возмущений на входе.
