Микрожидкостных фишки Контролируемые с массивами эластомерных Microvalve

Микрофлюидика предоставляет клеточным биологам технологию для проведения высокопроизводительных экспериментов, требующих точного управления потоками жидкостей. Здравствуйте, я Нин Чен Ли из лаборатории Фолк кафедры биоинженерии Вашингтонского университета. Сегодня я покажу вам, как изготовить микрофлюидные наконечники, управляемые массивом микроклапанов из PDMS.

Устройство состоит из трех слоев. Первый слой представляет собой флюидный слой, который содержит микрокамеры различных размеров, а второй слой — управляющий слой, содержащий каналы между двумя слоями. В устройстве используется тонкая мембрана из PMS благодаря гидрофобности и податливости PMS.

Мембрана плотно прилегает к основанию, изолируя жидкостные камеры друг от друга. Если создать вакуум в управляющих каналах, мембрана из PDMS прогнется, соединяя ранее изолированные камеры. Сегодня я продемонстрирую вам параллельный смеситель, который позволяет смешивать субнанолитровые объемы водных растворов в различных пропорциях.

Теперь Крис из нашей лаборатории продемонстрирует вам интегрированную микрофлюидную систему, которая позволяет подавать несколько растворов в клеточные культуры. Приступим. Здесь я показываю вам мастер-форму с микроструктурами из PDMS на кремниевой подложке.

Мастер-матрица была изготовлена с использованием стандартных процедур фотолитографии на основе данных мастер-матриц. Мы можем многократно создавать реплики из PDMS. Чтобы облегчить отделение PDMS от мастер-матриц, сначала необходимо обработать поверхность мастер-матрицы.

Обычно мы подготавливаем мастер-форму с использованием F-полимеров, поскольку работаем с флуоресцентными островами. Сначала я помещаю пластину в испаритель, наношу капли полимера, затем закрываю камеру дескриптора, включаю вакуум, выдерживаю вакуум в течение 1, 2, 3 минут и затем выключаю вакуум. Даю испариться в течение получаса, после чего извлекаю пластину. Перед созданием реплики из PDMS необходимо предварительно смешать преполимер PDMS и отвердитель в соотношении 10:1.

Затем я отвешиваю 31 г преполимера, после чего отвешиваю 3,1 г отвердителей и тщательно перемешиваю их в течение пяти минут. Готовый продукт выглядит так. После этого я помещаю смесь в вакуумную камеру для удаления пузырьков воздуха из ПС на 5–10 минут, пока раствор не станет прозрачным.

Пока PMS избавляется от пузырьков воздуха, я могу приклеить силиконовые трубки к области управляющего слоя. Мы выбираем силиконовые трубки, так как они состоят из того же компонента, что и PMS, поэтому позже их можно будет встроить в устройство и создать герметичное соединение, предотвращающее утечку жидкости. Теперь я наношу немного клея D-cement на кончик небольшого отрезка силиконовой трубки и прижимаю его к области входа мастер-формы.

Таким образом, чтобы трубки не смещались относительно усилителей, эти силиконовые трубки должны быть обрезаны очень ровно, и на их верхнюю часть нельзя наносить слишком много клея. Объясните, как именно вы прижимаете клей. Итак, посмотрим. Области создаются как на вентиляционном отверстии, так и на крышке, которую нужно снять.

Теперь, когда PS готов, я налью его поверх мастер-модели. Будьте осторожны, чтобы не задеть PGA вокруг трубок.

Теперь я наливаю раствор на другую мастер-форму, которая имеет особенности жидкостного слоя. После заливки ПС на мастер-формы их необходимо снова подвергнуть дегазации в ультразвуковой очистителе (dust kicker) в течение 5–10 минут. После удаления пузырьков мы отверждаем ПМС в печи при температуре от 65 до 70 °C в течение периода от 1 до 24 часов.

Хорошо. Спустя два часа ПМС отвердел. Теперь мы отделяем устройство ПМС от мастер-формы SU и удаляем контрольный слой.

После установки трубок мы удаляем клей из областей входа. В наших устройствах входные области создаются как на трех слоях, так и на управляющих слоях, однако мы закрепляем силиконовые трубки только на одном слое.

Например, здесь только на контрольном слое. Чтобы создать доступ к жидкостному слою, мы можем проколоть мембрану под силиконовыми трубками. Таким образом, мы можем получить доступ ко всему устройству сверху, что упрощает проведение микроскопии с помощью стереоскопа и традиционного инвертированного микроскопа.

Теперь мы переходим в помещение C. Чтобы подготовить мембраны CTM S, я покажу вам, как наносить ПДМС-мембрану с помощью центрифуги Headway. Прежде чем поместить пластину на верхнюю часть держателя, я накрыл основание пластиковым графиком и подложил бумажное полотенце, чтобы было проще убрать загрязнения после процедуры.

Таким образом, если подготовка завершена, точно так же, как мы делали с мастер-формами ранее, после очистки в вакуумной установке я наношу около 2 мл PDMS на кремниевую пластину; поскольку нам необходимо получить мембрану толщиной 11–12 мкм, пластина будет центрифугироваться при 7 000 об/мин в течение 20 секунд. Процесс запущен. Сейчас я бы сказал следующее: здесь вы видите, как вращается пластина. Мы будем вращать ее в течение установленного времени. После центрифугирования мы помещаем пластину на нагревательный стол при температуре 85 °C на четыре минуты. Теперь мембрана из PDMS полимеризована.

Затем мы окисляем мембрану из PDMS и контрольный слой в плазменной печи. Мощность установки платины устанавливается на уровне 75%, давление кислорода — 30 PSI, а скорость потока — 5. Эти параметры могут быть скорректированы в зависимости от конкретных задач.

Включите таймер, активируйте плазму на 30 секунд. Теперь поместите контрольный слой поверх мембраны. Соприкосните их; через пару минут контрольный слой прикрепится к мембране.

Через несколько минут снимите контрольный слой вместе с мембраной. Теперь мы готовы совместить контрольный слой с полностью прозрачным слоем. Поскольку мы больше не находимся в чистом помещении, используйте клейкую ленту на кончике пипетки, чтобы удалить пыль с полностью прозрачного слоя.

Нам также необходимо удалить мембрану из области входа контрольных слоев. Это нужно для обеспечения доступа к нижележащему жидкостному слою. Поместите контрольный слой с мембраной поверх жидкостного слоя.

Осмотрите все камеры с жидкостью и клапаны. Убедитесь, что все они выровнены слева направо. Если выравнивание нарушено, вы можете снять управляющий слой и выполнить процедуру повторно.

Здесь видно, что жидкостный слой и управляющий слой совмещены. Теперь я вставлю тонкие трубки в эти входные отверстия, чтобы соединить их с источниками жидкости и источниками давления. Теперь подключаем клапаны к источнику давления, а входы для жидкости — к источнику жидкости.

Здесь используются два разных красителя, синий и желтый, для открытия и закрытия микроклапанов из PDMS. Мы используем электромагнитные клапаны, подключенные к источнику вакуума и системе подачи воздуха под давлением; управление клапанами осуществляется с помощью программного обеспечения LightView. Сейчас я открываю первый набор клапанов.

Мы видим, как мембраны из ПДМС прогибаются и клапаны открываются. Теперь я закрываю первую группу клапанов, затем открываю и закрываю вторую группу. Теперь все микроклапаны работают.

Я заполню микрофлюидные камеры двумя различными красителями. Я открою первый набор клапанов и с помощью вакуума втяну два красителя в камеры. После заполнения камер красителями я закрою первый набор клапанов, чтобы изолировать каждую камеру, а затем включу второй набор клапанов.

Во-вторых, необходимо перемешать пары в двух массивах. Открытие клапана и процесс смешивания обычно занимают от одной до двух минут. Мы разработали камеры десяти различных размеров.

Таким образом, мы имеем 11 различных соотношений смешивания. После завершения смешивания я закрываю клапан, и теперь вы можете видеть каждую отдельную камеру с разным соотношением смешивания.

Цвет изменился с синего на зеленый, а затем стал более желтым. После изготовления эти устройства могут потенциально использоваться в биомедицинских анализах, таких как скрининг лекарственных препаратов, или в исследованиях клеточной биологии, например, при изучении хемотаксиса или реакции клеток на различные концентрации химических веществ, факторов роста или лекарств. Меня зовут Крис Сип, и я продемонстрирую устройство, представляющее собой интегрированную микрофлюидную перфузионную систему, которая очень похожа на устройство, изготовление которого было показано ранее.

Единственное и основное различие заключается в том, что вместо раздельных камер, отделенных клапаном и перемешивающих содержимое путем диффузии, мы используем несколько входов, которые сходятся и управляются клапанами, то есть мультиплексную систему клапанов. Я продемонстрирую селективное срабатывание клапанов, которое позволяет включать или выключать различные входы. Кроме того, я покажу работу интегрированного смесительного канала и управление градиентами.

В верхней части экрана вы видите 16 входных отверстий, которые сходятся; поток будет направлен сверху вниз через этот вертикальный канал в сеть бифуркаций, представляющую собой камеру для культивирования клеток. Сейчас мы видим, как на входах подается синий краситель; он течет, и вы можете наблюдать профиль ламинарного потока при прохождении через камеру. Теперь мы используем комбинацию синего и желтого цветов, а затем можем переключить их, чтобы создать противоположную комбинацию.

Мы можем сместить наш градиент в правую сторону. Также можно создавать градиенты других типов. В данном случае показано быстрое переключение клапанов, что позволяет нам достаточно оперативно чередовать различные растворы.

Сейчас мы подаем синий и желтый красители через этот гомогенизатор, в результате чего в камере получается зеленый раствор; также мы можем переключать любое количество различных входных отверстий. В данном случае мы подключаем красный вход, который вытесняет весь зеленый раствор. Сегодня я показал вам, как создавать устройства на основе микрофлюидных клапанов, и продемонстрировал смешивание двух цветных красителей в различных пропорциях в объеме менее одного литра.

Крис из нашей лаборатории также продемонстрировал интегрированные микрофлюидные системы для перфузии различных растворов. Благодарим за просмотр и желаем удачи в проведении ваших собственных экспериментов.