رقائق ميكروفلويديك مع الشواهد صالحة Microvalve المرنة

Summary

نظهر بروتوكولات لتصنيع وأتمتة polydimethylsiloxane المرنة (PDMS) المستندة صفائف microvalve التي لا تحتاج الى طاقة اضافية لإغلاق وحدات التخزين ميزة تعريف دقيق photolithographically. ويرد موازية subnanoliter الحجم خلاط ووضع نظام متكامل للنضح ميكروفلويديك.

Abstract

نظم ميكروفلويديك المنمنمة توفير حلول بسيطة وفعالة للتشخيص نقطة من الرعاية منخفضة التكلفة وعالية الإنتاجية فحوصات الطبية. قوة التحكم في التدفق ، وأحجام fluidic دقيقة شرطان الحاسمة لهذه التطبيقات. قمنا بتطوير رقائق ميكروفلويديك يضم المرنة polydimethylsiloxane (PDMS) صفائف microvalve ما يلي : 1) لا يحتاج إلى مصدر طاقة اضافية لإغلاق المسار fluidic ، وبالتالي تحميل الجهاز هو محمول للغاية ، و 2) تسمح للmicrofabricating العميقة (تصل إلى 1 مم) قنوات مع الجدران الجانبية والعمودية مما أدى إلى ملامح دقيقة جدا.

وmicrovalves الأجهزة المستندة إلى PDMS تتألف من ثلاث طبقات : طبقة تحتوي على مسارات fluidic fluidic وmicrochambers من مختلف الأحجام ، وسيطرة طبقة تحتوي على microchannels اللازمة لتحريك المسار fluidic مع microvalves ، ووسط غشاء رقيق PDMS المنضم إلى عنصر التحكم طبقة. مصنوعة طبقة Fluidic وطبقات رقابة صب متماثلة PDMS من SU - 8 الماجستير مقاومة للضوء ، ويتم غشاء رقيق من خلال الدوران PDMS PDMS في الارتفاعات المحددة. والمستعبدين طبقة التحكم إلى غشاء رقيق PDMS بعد تفعيل الأوكسجين على حد سواء ، وتجميعها ثم مع طبقة fluidic. غلقت microvalves في بقية ويمكن فتحها من خلال تطبيق الضغط السلبي (على سبيل المثال ، البيت فراغ). هي الآلية Microvalve إغلاق وفتح طريق الملف اللولبي الصمامات التي تسيطر عليها برامج الكمبيوتر.

هنا ، علينا أن نظهر two microvalve القائم على رقائق ميكروفلويديك لاثنين من التطبيقات المختلفة. رقاقة أول يسمح لتخزين ومزج دقيق الفرعي نانولتر أحجام المحاليل المائية في خلط نسب مختلفة. الشريحة الثانية يسمح لجهاز الكمبيوتر التي تسيطر عليها نضح من الثقافات الخلية ميكروفلويديك.

الأجهزة هي سهلة وبسيطة لصنع السيطرة عليها. نظرا لتوافق مع الحياة من PDMS ، يمكن لهذه الرقائق لها تطبيقات واسعة في المقايسات التشخيصية المنمنمة فضلا عن دراسات أساسية بيولوجيا الخلية.

Protocol

ميكروفلويديك تصميم الجهاز باستخدام برنامج CorelDRAW أو برنامج أوتوكاد

مبدأ microvalves الأجهزة المستندة إلى PDMS : الأجهزة تتألف من ثلاث طبقات : طبقة تحتوي على fluidic microchambers من مختلف الأحجام ، وهي "طبقة السيطرة" التي تحتوي على microchannels اللازمة لتحريك المسار fluidic مع microvalves ، ووسط غشاء رقيق PDMS المنضم لطبقة التحكم. في بقية ، ويرجع ذلك إلى الامتثال وhydrophobicity من PDMS ، والأختام غشاء (عكسية) ضد مقعدها ، وبالتالي تظل معزولة الغرف عن بعضها البعض دون مدخلات الطاقة. يمكن فتح الصمامات عن طريق تطبيق الضغط السلبي (على سبيل المثال ، البيت فراغ) ، وبالتالي فإن غشاء PDMS ينحرف إلى الأسفل ويفصل من على سطح الأرض التي تدعم الجدار الفاصل بين فريقين fluidic ، وربط بذلك المسار fluidic. لا يمكن أن يتحقق عن طريق التحول إغلاق صمام الإعداد لضغوط من فراغ الضغط الجوي.

وقد صممت Fluidic طبقة طبقة وأنماط التحكم باستخدام برنامج CorelDRAW أو برنامج أوتوكاد. وطبعت هذه الأقنعة التي تحتوي على تصاميم عالية الدقة (8000 إلى 20000 نقطة في البوصة) على الأفلام الشفافية من خلال الخدمات التجارية (CAD / الفن الخدمات ، باندون ، OR) (أقنعة لا يظهر).

تصنيع السيليكون سادة باستخدام معيار SU - 8 ضوئيه

1. معيار SU - 8 واستخدمت أساليب ضوئيه لإنشاء SU - 8 "سادة" (SU - 8 2050 ، MicroChem ، نيوتن ، MA) لطبقة وطبقة ميكروفلويديك صمام التحكم في غرف الأبحاث (لا يظهر في هذا الفيديو).
   
   
2. لتسهيل الإفراج عنهم ، قبل PDMS النسخ المتماثل SU - 8 ، وقد silanized الماجستير عن التعرض لبخار ل، ((tridecafluoro - 1 ، 1،2،2 ، - tetrahydrooctyl) - 1 - trichlorosilane (TFOCS)) في fluorosilane جرة مجفف (بدون تجفيف حبيبات) الملحق مصدر فراغ. يجب أن يكون موجودا داخل الغرفة مجفف غطاء الكيميائية بسبب الدخان إلى الطبيعة المدمرة للأبخرة TFOCS.
   
   
3. وضع جزء صغير من منشفة ورقية ماصة داخل الغرفة مجفف. إضافة قطرة من TFOCS على منشفة ورقية واجلاء الهواء من الغرفة. تطبيق لفراغ 1 دقيقة ، وإيقاف. إغلاق فراغا ويسمح لمدة 30 دقيقة للترسب. الحفاظ على درجة الماجستير في حاويات مغلقة لاستخدامها في المستقبل.

صب متماثلة PDMS من سادة

1. مصنوعة طبقة وطبقة fluidic سيطرة صب متماثلة PDMS من سادة SU - 8.
   
   
2. PDMS خلط جيدا قبل البوليمر وعبر رابط - (10:01 بالوزن نسبة) ، دي الفقاعة في مجفف لمدة 10-15 دقيقة حتى فقاعات واضحة.
   
   
3. قطع أنابيب السيليكون الى قطع 1-2 سم طويلة. اختيار الحجم المناسب من الأنابيب حسب الطلب. نستخدم الأنابيب 1.14 ملم معرف هنا للاتصال سهلة لأنابيب OD 1 / 16 بوصة في وقت لاحق.
   
   
4. استخدام Duco ® أسمنت لأنابيب الغراء على المناطق مدخل الرئيسي SU - 8 طبقة التحكم. يجب الحرص على عدم استخدام الكثير من الغراء ، كما أدلى أنابيب السيليكون من المكونات نفس PDMS ، وسوف تكون جزءا لا يتجزأ من الأنبوب في الجهاز ميكروفلويديك PDMS ، وخلق منافذ الهواء وضيق fluidic / منافذ البيع.
   
   
5. في الجهاز لدينا ، وقد صممت على مدخل المناطق أقنعة fluidic كل الطبقات والسيطرة ، ولكن هي مصبوب مداخل أنابيب سيليكون فقط في طبقة واحدة (على سبيل المثال ، طبقة تحكم) للجهاز. لإنشاء مداخل إلى طبقة fluidic ، ونحن يدويا إزالة أو ثقب أجزاء قليلة من الغشاء الذي يغطي مناطق المدخل. لذا ، وبعد التوافق والتجمع ، وجميع microchannels (تلك التي تحمل تدفق فضلا عن تلك التي تتحكم في الصمامات) يمكن الوصول إليها من الجزء العلوي من الجهاز بحيث أن السطح السفلي هو مستو ، مما يتيح للجهاز التصوير على مسرح مجهر التقليدي.
   
   
6. صب بعناية دي فقاعات PDMS على حد سواء الماجستير ، حول الأنبوب الرئيسي في سيطرة طبقة. دي الفقاعة مرة أخرى في مجفف. بعد إزالة محتدما كاملة ، وضعت في الفرن 65 درجة مئوية لمدة ساعة 1> للعلاج.
   
   
7. إزالة الشفاء PDMS المغطاة الماجستير من الفرن.
   
   
8. قطع الأجهزة الفردية من سادة (كل ثلاثة أجهزة رئيسية تحتوي على مطابقة) ، وقشر قبالة.
   
   
9. إزالة الصمغ من المناطق مدخل باستخدام إبرة أو زوج من الملقط.
   
   
10. تأخذ سيطرة طبقة PDMS في غرف الأبحاث.

غشاء رقيق التصنيع PDMS

1. كما هو مبين في المبدأ الجهاز ، وطبقة وسطى تتكون من 12 ~ غشاء PDMS ميكرون سميكة.
   
   
2. مزيج 10:01 بالوزن. نسبة prepolymer PDMS / علاج خليط مع وكيل الهكسان (3:1 بالوزن. نسبة) بواسطة vortexing.
   
   
3. نقل الى غرفة نظيفة. (بيئة خالية من الغبار هو أمر حاسم لضمان أن الأغشية PDMS خالية من العيوب ؛ جزيئات الغبار قد يؤدي في الأغشية التي تحتوي على ثقوب و / أو ملزمة defectively إلى قالب متماثلة.)
   
   
4. وضع silanized 3 بوصة قطرها على رقاقةلتشوك فراغ من الدوار Solitec. الرقاقة يجب أن يكون silanized (derivatized مع fluorosilane) قبل PDMS الغزل لتسهيل الافراج عن PDMS من السطوح السيليكون. واختتم وعاء تفلون خارج تشوك مع فيلم البلاستيك لسهولة التنظيف.
   
   
5. الاستغناء 2-3 مل من PDMS / الهكسين الخليط على الرقاقة باستخدام إبرة حقنة 18 المقياس (لتقليل الفقاعات).
   
   
6. تعيين المعلمات زيادة ونقصان. تدور عند 7000 دورة في الدقيقة لمدة 30 ثانية ، مما أدى في فيلم PDMS سمك ميكرومتر ~ 12.
   
   
7. الرقاقة الحرارة عند 85 درجة مئوية لمدة 4 دقائق على طبق ساخن لعلاج هذا الفيلم PDMS.

جهاز متعدد الطبقات PDMS الترابط والتجمع

1. وضع طبقة تحكم والغشاء PDMS الى غرفة الأوكسجين البلازما. بدوره على البلازما لمدة 30 ثانية (30 رطل ضغط الأكسجين ، ومعدل التدفق 3-5 SCFH ، 550W). جعل طبقة التحكم في اتصال مع غشاء PDMS فورا (في غضون 5 دقائق) بعد تفعيل الأوكسجين. يتم تكوين تجريبيا معلمات النظام ، مثل ارتفاع ضغط الأكسجين ، ومعدل التدفق ، والطاقة والوقت البلازما العلاج ، وفقا لتطبيقات مختلفة.
   
   
2. الانتظار لمدة 5 دقائق ، وإزالة طبقة التحكم من رقاقة مع الغشاء.
   
   
3. إزالة الأغشية على مداخل المناطق بحيث أن كلا من السيطرة وطبقات fluidic يمكن الوصول إليها من أعلى عن طريق الأنبوب.
   
   
4. محاذاة طبقة التحكم (مع الأنابيب ومداخل) مع طبقة fluidic (المستوية) تحت المجسام. لأن PDMS الاختام على PDMS ، دون حاجة للارتباط دائم.

الكمبيوتر التي تسيطر عليها فتح وإغلاق microvalves PDMS من فراغ أو الضغط

1. بعد محاذاة الجهاز والتجمع ، تضاف 1 / 16 بوصة OD (1 / 32 بوصة معرف) أنابيب Tygon إلى 1.14 ملم مداخل سيليكون الهوية وربط مداخل لمصادر الضغط أو الخزانات fluidic.
   
   
2. لفتح وإغلاق الصمامات ، ويتم التحكم فيها بواسطة خط الضغوط الفراغ وخطا متصلا من خلال ضغط الهواء المنظمين الضغط مرتين إلى مجموعة من المنمنمات الملف اللولبي الصمامات الثلاثية.
   
   
3. هناك علاقة بين هذا الملف اللولبي الصمامات لصكوك الوطنية للرقابة الأجهزة الحصول على البيانات عن طريق برنامج LABVIEW.
   
   
4. تشغيل الجهاز وانحراف الغشاء هي تصور مع لون اتفاقية مكافحة التصحر الكاميرا (سبوت RT ، آلات التشخيص ، ومرتفعات ستيرلنغ ، MI).

خلط الأصباغ موازية من اثنين من ألوان مختلفة في مختلف وحدات التخزين تعريف نانولتر

نبدي تشغيل خالط الموازية التي يسمح لتخزين ومزج دقيق الفرعي نانولتر أحجام المحاليل المائية في نسب خلط مختلفة :

1. طبقة fluidic يحتوي على اثنين صفائف microchambers : جنبا إلى جنب مجموعة A ، حجم microchambers النقصان ، بدءا من اليسار ، من 200 ميكرومتر × 400 ميكرون إلى 200 ميكرون × 40 ميكرون ، _و10 هو 500 ميكرون 40 ميكرون العاشر غرفة و تستخدم فقط للاتصال fluidic في صفيف A ؛ إلى يمين القاعة A ₁₀ هو عبارة عن مجموعة من الغرف بشكل متناظر في زيادة الأحجام. صممت الغرف في مجموعة باء مثل وأضاف أن حجم أي من المجلسين متجاورة في صفوف مختلفة متساوية دائما. A ₀ ، يتم تصميم _{و10R 0r} B ₁₀ ، B والضوابط المعنية عن حلول ألف وباء دون الخلط.
   
   
2. طبقة التحكم اثنين مستقل تسيطر عليها مجموعات من الصمامات. يتم استخدام مجموعة من الصمامات الخامس _{1} للاتصال صفائف غرفة مع اثنين من مداخل كل منها ، بينما تستخدم مجموعة ثانية من الصمامات الخامس _{2} لربط كل زوج من الغرف في صفائف اثنين.
   
   
3. ملء microchambers عن طريق فتح صمام مجموعة V _{1} للسماح بتدفق حلين لصبغ صفائف A و B ، على التوالي. ويمكن تحقيق تدفق الحلول إما باليد أو بواسطة فراغ الانسحاب التي تسيطر عليها مع الملف اللولبي الصمامات. إذا فقاعات الهواء في شكل microchambers ، يمكن دفع المزيد من حل لإزالة فقاعات ، أو يمكن ترك الجهاز لبضع دقائق وسوف تختفي فقاعات نظرا لنفاذية الهواء من PDMS.
   
   
4. إغلاق مجموعة صمام _{1} الخامس لعزل كل غرفة في كل من المصفوفات.
   
   
5. فتح صمام مجموعة _{2} الخامس للسماح السائل خلط بين الغرف المجاورة في مصفوفات مختلفة. خلط يستغرق سوى ~ 1-2 دقيقة لاستكمال لهذه الكميات.
   
   
6. وثيقة _{2} الخامس لدفع السائل مرة أخرى إلى كل غرفة وغرف fluidic تشوه العودة إلى شكلها الأصلي. منذ صممت صفائف two fluidic مع الغرف من 11 أحجام مختلفة ، ويتم إنتاج 11 خلط نسب مختلفة في خطوة الخلط واحدة.

نظام متكامل لميكروفلويديك الكمبيوتر التي تسيطر عليها نضح من الثقافات الخلية ميكروفلويديك

نحن يبرهن على وجود نظام ميكروفلويديك قادر من نضح الآلي للحلول متعددة لغرفة خلية ثقافة واحدة. ويتم التحكم في المنافذ التي microvalves ، والتي يمكن تفعيلها في أي تسلسل من مداخل واحد ، وتوليفات مختلفة ، أو كلها دفعة واحدة. الجهاز قادر على انتاج التدرجات أو خليط من الحلول المختلفة.

ويتكون هذا الجهاز أيضا من ثلاث طبقات : طبقة fluidic ، طبقة تحكم ، ووسط غشاء رقيق PDMS.

خطوات تصنيع بديلة لهذا الجهاز :

1. هي "لكمات" المنافذ مدخل للقنوات وقنوات fluidic التحكم باستخدام قطرها 1.2 مم لكمة هاريس مايكرو (تيد بيلا ، شركة). توصيل أنابيب إلى مداخل باستخدام الإبر اضعافها قياس 18 التي يتم إدراجها في لPDMS من خلال طبقة التحكم. وهذا يسمح لتعبئة أكثر كثافة من مداخل من أنابيب السيليكون. امتثال PDMS يوفر ختم مشددا حول الإبر بشكل فعال لتقديم السوائل أو الضغط الهوائي.
   
   
2. كما هو موضح سابقا ، هو إنجاز الربط للغشاء رقيق PDMS لطبقة التحكم باستخدام البلازما التعرض للأكسجين.
   
   
3. يتم تحضير طبقة fluidic بواسطة صب متماثلة مع PDMS قبل البوليمر وعبر رابط ، على نسبة 5:01 وعلاج جزئيا لمدة 25 دقيقة عند 60 درجة مئوية في الفرن الحراري. عند هذه النقطة ، وطبقة شفي جزئيا fluidic لا يزال مبتذل ، ولكن يمكن إزالته من الربان.
   
   
4. يتم محاذاة يدويا طبقة fluidic لرقابة قبل تجميعها وطبقات غشاء باستخدام المجسام. ثم يتم وضع الجهاز تجميعها على موقد لمدة 5 دقائق عند 80 درجة مئوية. المقبل ، يتم توصيل خطوط صمام التحكم للتحكم الآلي ودفعتها الصمامات حتى يفصل من طبقة الغشاء fluidic في جميع المقاعد صمام من خلال تطبيق فراغ. بعد كلمة "فصل" الصمامات ، يتم تعيين وحدة تحكم الكمبيوتر لدورة الصمامات وإيقاف بينما شفي مزيد من الجهاز على موقد في 80 درجة مئوية على الأقل 1 ساعة.
   

ملامح نظامنا ميكروفلويديك المتكاملة : جهاز قادر على نضح الآلي من 16 إلى حلول مختلفة إلى خلية ثقافة الغرفة باستخدام نظام احكام بصمام المضاعفة. تصميم قناة يضمن مقاومة جميع مداخل ومتوازنة. لدينا تصميم microvalve يعزل الحلول والضوابط الشطف من خلال قنوات متكاملة لإزالة السوائل سريعة ، الأمر الذي يحد من التلوث عبر. ويمكن تنشيط خلاط متعرجة متكامل لإنتاج خليط من مداخل مختلفة. بالإضافة إلى ذلك ، هناك أربع قنوات المقاومة المختلفة التي يمكن تفعيلها لتغيير معدل التدفق.

Discussion

أهم مميزات التصميم لدينا microvalve :

1. مطلوب أي مصدر للطاقة اضافية لإغلاق المسار fluidic ، وبالتالي تحميل الجهاز هو محمول للغاية ، و
2. ويمكن بناء الجهاز عن طريق النسخ المتماثلة PDMS من photolithographically نقوش قوالب SU - 8 ، والسماح لmicrofabricating العميق (حتى 1 ملم) مع قنوات الجدران الجانبية العمودي (يمكن تحديد أي ارتفاع الميزات بشكل مستقل عن العرض الخاصة بهم) وأسفر جدا ملامح دقيقة.

مزايا خلاط متوازيين :

1. فمن السهل تلفيق وبسيطة للسيطرة.
2. يتم تعريف photolithographically الكميات ، وبالتالي ، دقيقة جدا.
3. ويمكن تخزين السوائل والكواشف في microdevice لعدة أيام ، والسماح لفحوصات المحمولة للغاية.
4. على وجه الخصوص ، هو PDMS حيويا ، وبالتالي فإن الجهاز واسعة في تطبيق فحوصات التشخيص المنمنمة وكذلك في الخلية المستندة إلى فحوصات مثل فحص المخدرات والكشف عن انزيم القائم على جزيء حيوي.

مزايا غرفة نضح ميكروفلويديك متكاملة :

1. فهي قادرة على إرواء الآلي للحلول مواد كيميائية متعددة إلى غرفة خلية ثقافة واحدة.
2. يتم التحكم في المنافذ التي microvalves ، والتي يمكن تفعيلها في أي تسلسل من مداخل واحد ، وتوليفات مختلفة ، أو كلها دفعة واحدة.
3. الجهاز قادر على انتاج التدرجات أو خليط من الحلول المختلفة.

يحذر الرئيسي لعمليات التصنيع :

1. إن وجود بيئة خالية من الغبار وحرجة خلال تلفيق PDMS الغشاء ، مما يضمن أن الأغشية خالية من العيوب.

Materials

Name	Type	Company	Catalog Number	Comments
Clean silicon wafers	Supplies	Silicon Sense Inc.	3P0110TEST	3-inch diameter, P/Boron
"Master" wafers containing SU-8 patterns	Supplies			Fabricated in house using standard photolithography procedures
Desiccators (2)	Equipment	VWR international	24987-048	One for silanization, one for PDMS de-bubbling.
Balance	Equipment	OHAUS Corp.	SC6010
Oven	Equipment	Sheldon Manufacturing, Inc.	1330GM
MiniVortexer	Equipment	VWR international	58816-121
Spinner	Equipment	Headway Research Inc.	PWM32
Plasma etcher	Equipment	Plasmatic Systems, Inc.	Plasma Preen II-973
Hot Plate	Equipment	Torre Pines Scientific	HP30A
Stereoscope	Microscope	Nikon Instruments	TMZ1500
CCD camera	Equipment	Diagnostic Instruments	SPOT RT
Solenoid valves	Equipment	Lee Company	LHDA0511111H
Data acquisition board	Hardware	National Instruments	PCI 6025E, CB-50LP
LabView	Software	National Instruments	Version 8.0
Tridecafluoro-1,1,2,2,-tetrahydrooctyl)-1-trichlorosilane	Reagent	United Chemical Technologies	T2492	Silanization must be done in a chemical fume hood.
PDMS prepolymer and crosslinker	Reagent	Dow Corning	Sylgard 184
Hexane	Reagent	EMD Millipore	HX0295-6
Color Dyes	Reagent	Spectrum Chemical Mfg. Corp.	FD&C 110, 135, 150	Blue #1, Yellow #5, Red #3.
3 ml disposable transfer pipets	Supplies	Fisher Scientific	13-711-20
Kimwipes	Supplies	Kimberly-Clark Corporation	34155
Weighing boats	Supplies	VWR international	12577-027
Tongue depressor	Supplies	Fisher Scientific	11-700-555
P100 dishes	Supplies	Fisher Scientific	08-772E
Silicone tubing (1.14 mm inner diameter (I.D.))	Supplies	Cole-Parmer	07625-30
Tygon tubing (O.D. 1/16 in; I.D. 1/32 in)	Supplies	Cole-Parmer	06418-02
Duco Cement	Supplies	Devcon Inc.	6245
Razor blade	Tools	VWR international	55411-050
Needles	Tools	Fisher Scientific	0053482 (25 Gauge)
#5 Forceps	Tools	Fine Science Tools	11251-20
50 ml centrifuge tube	Supplies	Fisher Scientific	05-526B
Seal wrap film	Supplies	AEP Industries Inc.	0153877
1.5 ml microcentrifuge tubes	Supplies	Fisher Scientific	05-406-16
15 ml centrifuge tubes	Supplies	BD Biosciences	352097
Purple nitrile power-free gloves	Supplies	VWR international	40101-348
1.2 mm Harris biopsy punch	Tools	Ted Pella, Inc.	15074