Waiting
Login processing...

Trial ends in Request Full Access Tell Your Colleague About Jove
Click here for the English version

Biology

Микрожидкостных фишки Контролируемые с массивами эластомерных Microvalve

doi: 10.3791/296 Published: October 1, 2007

Summary

Мы демонстрируем протоколов для производства и автоматизации эластомерных полидиметилсилоксан (PDMS)-основанной microvalve массивы, которые не нуждаются в дополнительной энергии, чтобы закрыть и функция photolithographically определены точные объемы. Параллельно subnanoliter объема смесителя и интегрированные системы микрожидкостных перфузии представлены.

Abstract

Миниатюрный микрожидкостных систем предоставляют простые и эффективные решения для недорогих точка-санитарной помощи диагностики и высокой пропускной биомедицинских анализов. Надежный контроль потока и точный жидкостный объемы двух важнейших требований для этих приложений. Мы разработали микрожидкостных чипов показывая эластомерных полидиметилсилоксан (PDMS) microvalve массивы, которые: 1) не требуют дополнительного источника энергии, чтобы закрыть жидкостный путь, поэтому загружается устройство портативное и 2) позволяют microfabricating глубокий (до 1 мм) каналы с вертикальными боковыми стенками и в результате очень точных характеристик.

PDMS microvalves основе устройства состоят из трех слоев: слой, содержащий жидкостный жидкостный путей и microchambers различных размеров, контроль слой, содержащий микроканалов необходимые для приведения в действие жидкостного путь с microvalves и среднего тонкая мембрана, PDMS, который связан с контролем слоя. Fluidic слой и управление слоями сделаны реплики формования PDMS от SU-8 мастеров фоторезиста, и тонкая мембрана PDMS производится спиннинг PDMS в определенные высоты. Уровень управления связан с тонкой мембраной PDMS после активации кислорода и другое, а затем в сборе с жидкостный слой. Microvalves закрыты в состоянии покоя и может быть открыто с применением отрицательного давления (например, дом вакуум). Microvalve закрытия и открытия автоматизированы через электромагнитные клапаны, управляемые компьютером программного обеспечения.

Здесь мы показываем два microvalve основе микрожидкостных чипов для двух различных приложений. Первый чип позволяет для хранения и смешивания точные суб-nanoliter объемов водных растворах при различных пропорции смешивания. Второй чип позволяет компьютерным управлением перфузии микрожидкостных клеточных культурах.

Устройства легко поддается обработке и простые для управления. Благодаря биосовместимости PDMS, эти микрочипы могли бы широкое применение в миниатюрных диагностических тестов, а также фундаментальные исследования биологии клетки.

Protocol

or Start trial to access full content. Learn more about your institution’s access to JoVE content here

Микрожидкостных дизайн устройства с помощью CorelDraw или AutoCAD программное обеспечение

Принцип PDMS microvalves-устройств: устройства состоят из трех слоев: жидкостный слой, содержащий microchambers различных размеров, "уровень управления", содержащий микроканалов необходимые для приведения в действие жидкостного путь с microvalves и среднего тонкая мембрана, PDMS, что связано на уровень управления. В состоянии покоя, из-за соблюдения и гидрофобности PDMS, мембраны уплотнения (обратимо) в отношении своего места, поэтому камеры остаются изолированными друг от друга, без затрат энергии. Клапаны могут быть открыты путем применения отрицательного давления (например, дом вакуумом), так что мембрана PDMS отклоняется вниз и отделяется от поверхности, которая поддерживает стену между двумя жидкостных камер, таким образом соединяя жидкостный пути. Клапан закрытия может быть достигнуто за счет перехода настройки давления от вакуума до атмосферного давления.

Fluidic слой и узоры уровень управления были разработаны с использованием CorelDraw или AutoCAD программного обеспечения. Маски, содержащие эти конструкции были напечатаны с высоким разрешением (от 8000 до 20000 точек на дюйм) по прозрачности фильмы через коммерческие услуги (CAD / Искусство услуг, Бэндон, ИЛИ) (маски не показаны).

Производство кремния мастеров с использованием стандартных SU-8 фотолитографии

  1. Стандартный SU-8 методами фотолитографии были использованы при создании СУ-8 "мастеров" (SU-8 2050 года, MicroChem, Ньютон, штат Массачусетс) для микрожидкостных слой и слой регулирующий клапан в чистом помещении (не показаны в этом видео).

  2. Для облегчения выпуска, до PDMS репликации SU-8, мастера silanized под воздействием паров fluorosilane ((tridecafluoro-1, 1,2,2,-tetrahydrooctyl)-1-трихлорсилана (TFOCS)), в эксикаторе банку (без сушки гранул), подключенных к вакуум источник. Эксикаторе камеры должны быть расположены внутри химических паров вследствие капот коррозионных характер TFOCS паров.

  3. Место небольшая часть абсорбирующего бумажное полотенце в эксикаторе камеры. Добавить каплю TFOCS на бумажное полотенце и эвакуации воздуха из камеры. Применение вакуумной в течение 1 мин и выключить. Закрыть вакуум и дать 30 минут для осаждения. Держите мастеров в закрытых контейнерах для будущего использования.

Реплика формования PDMS от мастеров

  1. Жидкостный слой и слой управления, сделаны реплики формования PDMS от SU-8 мастеров.

  2. Тщательно смешивания PDMS предварительно полимера и сшивающего агента (10:1 мас. Ratio), де-пузырь в сушильном шкафу в течение 10-15 мин, пока пузырьки ясно.

  3. Вырезать силиконовые трубки на 1-2 см в длину штук. Выберите подходящий размер труб в соответствии с приложением. Мы используем 1,14 мм трубки ID здесь для простого подключения к 1 / 16 дюйма диаметр трубы позже.

  4. Используйте Duco ® Цементная клеить трубы на входе регионов SU-8 мастер уровень управления. Будьте осторожны, чтобы не использовать слишком много клея, так как силиконовые трубки выполнен из тех же компонентов, PDMS, и трубка будет встроен в устройство PDMS микрожидкостных, создавая воздушные и жидкостные плотно входы / выходы.

  5. В нашем устройстве, вход регионах разработаны на маски и жидкостных и управление слоями, но входы силиконовые трубки формируются только в один слой (например, уровень управления) устройства. Чтобы создать входы для жидкостного слоя, мы вручную удалить или проколоть несколько участков мембраны, которые покрывают входе регионах. Таким образом, после выравнивания и собраний, все микроканалов (те, которые несут потока, а также те, которые управляют клапанами) доступны из верхней части устройства, так что нижняя поверхность плоская, что позволяет визуализацию устройства на обычный столик микроскопа.

  6. Аккуратно влить де-пузырилась PDMS на обоих мастеров, вокруг трубы в управление слоя мастеру. Де-пузырь снова в эксикаторе. После де-барботажных завершена, введено в 65 ° С духовке в течение> 1 час для отверждения.

  7. Удалить вылечить PDMS покрытые мастеров из духовки.

  8. Сокращение отдельных устройств от мастеров (каждый мастер состоит из трех идентичных устройств) и шелушиться.

  9. Удалите клей от входа регионах с помощью иглы или пару щипцов.

  10. Возьмите контроль слой PDMS в чистом помещении.

Тонкая мембрана PDMS Производство

  1. Как показано на устройство принципе, средний слой состоит из ~ 12 мкм толщиной мембраны PDMS.

  2. Смешайте 10:01 мас. Отношение PDMS форполимера / отверждения смеси агента гексаном (3:1 вес. соотношение) на вортексе.

  3. Переезд в чистой комнате. (Без пыли среды имеет решающее значение для обеспечения того, чтобы PDMS мембран без дефектов; частиц пыли может привести к мембран содержащих отверстия и / или неполноценно обязаны плесень реплику.)

  4. Положите silanized 3-дюймовым диаметром пластин надля вакуумных патрон счетчик Solitec. Пластины должна быть silanized (производные с fluorosilane) до PDMS спиннинг для содействия освобождению из PDMS с поверхности кремния. Миску тефлоновым вне патрон был обернут полиэтиленовой пленкой для легкой чистки.

  5. Внесите 2-3 мл PDMS / гексан смесь на пластину использованием 18-калибровочных иглу шприца (для сведения к минимуму пузырьки).

  6. Установите параметры спин. Спиновые при 7000 оборотов в минуту в течение 30 сек, в результате чего фильм PDMS от ~ 12 мкм толщины.

  7. Тепло пластин при 85 ° С в течение 4 мин на горячей плите, чтобы вылечить фильм PDMS.

Многослойные устройства PDMS склеивания и сборки

  1. Положить слой управления и мембранного PDMS в плазменной камере кислорода. Включите плазмы в течение 30 сек (давление кислорода 30 фунтов на квадратный дюйм, скорость потока 3-5 SCFH, 550W). Довести уровень управления в контакт с мембраной PDMS немедленно (в течение 5 минут) после активации кислорода. Система параметров, таких как кислород давления, расхода и мощности плазмы и время обработки, эмпирически настроен в соответствии с различными приложениями.

  2. Подождите 5 минут, и снять контроль слой из пластин вместе с мембраной.

  3. Удалить мембран на входы районов, с тем, что обе контроля и жидкостный слои доступны из верхнего через трубки.

  4. Выровнять уровень управления (с трубки, как входы) с жидкостного слоя (плоские) под стереоскоп. Потому что PDMS печатей на PDMS, нет постоянных связей не требуется.

Управляемые компьютером открытия и закрытия microvalves PDMS вакуумным или давления

  1. После выравнивания устройства и сборки, вставки 1 / 16 дюйма OD (1 / 32 дюйма ID) Tygon трубку в 1,14 мм бухты ID силикона и подключить входы к давлению источников или жидкостных резервуаров.

  2. Для открытия и закрытия клапанов, давление контролируется вакуумной линии и линии давления воздуха подключается через два регулятора давления на массив миниатюрных трехходовых клапанов соленоида.

  3. Электромагнитные клапаны соединены с National Instruments сбора данных контролируется с помощью аппаратного программного обеспечения LabVIEW.

  4. Эксплуатация устройства и мембранной отклонения визуализируются с помощью цветной цифровой камерой (SPOT РТ, Диагностические приборы, Стерлинг Хайтс, Мичиган).

Параллельно смешение двух различных красителей цвета в разных определены объемы nanoliter

Мы продемонстрируем работу параллельно микшер, который позволяет для хранения и смешивания точные суб-nanoliter объемов водных растворах при различных пропорции смешивания:

  1. Жидкостный слой содержит два массива microchambers: Наряду массив, размер microchambers уменьшается, начиная слева, от 200 мкм х 400 мкм до 200 мкм х 40 мкм, 10, 500 мкм х 40 мкм камеру и использоваться только для жидкостного соединения в массив, справа от камеры 10 представляет собой набор камер симметрично увеличивается в размерах. Камеры в массиве B разработаны таким образом, что дополнительные объемы любых двух смежных камер в разных строках всегда равны. 0, 0r и B 10, B 10R разработаны как соответствующие элементы управления для решения А и В без перемешивания.

  2. Уровень управления имеет два независимо контролируемые наборы клапанов. Комплект вентилей {V 1} используется для подключения двух камер массивы с их бухты, в то время как второй комплект вентилей {2} V используется для соединения каждой пары камер в двух массивах.

  3. Заполните microchambers путем открытия клапана множество {V 1}, чтобы поток из двух растворов красителей в массивы А и В, соответственно. Поток решений может быть достигнуто либо вручную, либо вакуумным потянув контролируемые электромагнитными клапанами. Если пузырьки воздуха в форме microchambers, более решение может быть выдвинута, чтобы удалить пузырьки, или устройство можно оставить на несколько минут, и пузырьки исчезнут из-за воздухопроницаемость PDMS.

  4. Закройте клапан множество {V 1}, чтобы изолировать каждую камеру в обоих массивах.

  5. Открытый набор клапанов {V 2}, чтобы жидкость смешивания между соседними камерами в разных массивах. Смешивание занимает всего ~ 1-2 мин до полной для этих томов.

  6. Закрыть {2} V нажать жидкости обратно в каждом жидкостный камеры и камеры деформировать обратно в их первоначальной форме. Поскольку два жидкостных массивы разработаны с палатами 11 различных размеров, 11 различных пропорции смешивания производится в одной стадии смешения.

Интегрированные микрожидкостных системы с компьютерным управлением перфузии микрожидкостных клеточных культур

Мы демонстрируем микрожидкостных система, которая способна автоматизированных перфузии несколько решений для одной камеры культуре клеток.входы контролируются microvalves, который может быть активирован в любой последовательности из одной бухты, различные комбинации, или все сразу. Устройство способно производить градиенты или смеси различных решений.

Это устройство также состоит из трех слоев: жидкостный слой, слой управления, а средняя тонкая мембрана PDMS.

Альтернативные шаги изготовления для этого устройства:

  1. Впускные отверстия для жидкостных каналов и каналов управления являются "кулаками", используя 1,2 мм в диаметре Харрис Micro-Punch (Ted Пелла, Inc.) Трубы связано с бухты с помощью притупляются калибра 18 игл, которые вставляются в к PDMS через уровень управления. Это дает возможность более плотной упаковке бухт, чем силиконовые трубки. Соответствие PDMS обеспечивает герметичное уплотнение вокруг иглы для эффективного предоставления жидкости или пневматического давления.

  2. Как описано выше, склеивание тонкая мембрана, PDMS, чтобы уровень управления осуществляется с помощью воздействия кислородной плазмы.

  3. Жидкостный слой подготовленной реплики литья с PDMS предварительно полимера и сшивающего агента в соотношении 5:1 и частично лечения в течение 25 минут при температуре 60 ° С в конвекционной печи. На данный момент, частично вылечить жидкостный слой еще липкий, но она может быть удалена из мастера.

  4. Жидкостный слой вручную приведены в соответствие с предварительно собранными контроля и мембранные слои с помощью стереоскоп. Собрал устройство помещается на плите в течение 5 минут при 80 º C. Далее, линии клапана подключены к автоматизированной контроллер и клапаны приводятся в действие, пока мембрана отделяет от жидкостный слой на всех седел клапанов с применением вакуума. После "отключения" клапаны, компьютерный контроллер установлен в цикле клапаны и выключается, когда устройство дальнейшего вылечить на плите при температуре 80 ° С в течение не менее 1 часа.

Особенности нашей интегрированной микрожидкостных системы: устройство способно автоматизированных перфузии 16 различных решений для камеры использованием клеточных культур мультиплексированных клапанной схеме. Канал конструкция гарантирует, что сопротивление всех входов сбалансирована. Наши microvalve дизайн изолирует решений и контроля промывки с помощью интегрированных каналов для быстрого удаления жидкости, что ограничивает перекрестное загрязнение. Интегрированный смеситель елочка может быть активирована для производства смесей различных заливов. Кроме того, Есть четыре различных сопротивления каналов, которые могут быть активированы для изменения расхода.

Subscription Required. Please recommend JoVE to your librarian.

Discussion

or Start trial to access full content. Learn more about your institution’s access to JoVE content here

Основные преимущества нашей microvalve дизайн:

  1. Никаких дополнительных источников энергии требуется, чтобы закрыть жидкостный путь, поэтому загружается устройство портативное и
  2. Устройство может быть построена по репликам из PDMS photolithographically узором SU-8 пресс-форм, позволяющие microfabricating глубокий (до 1 мм) каналов с вертикальными боковинами (т.е. высота функции могут быть определены независимо от их ширины) и приводит к очень точных характеристик.

Преимущества параллельных смесителя:

  1. Он легко поддается обработке и простые для управления.
  2. Объемы photolithographically определены и, таким образом, очень точна.
  3. Жидкости и реагенты могут быть сохранены в микроустройство в течение нескольких дней, что позволяет очень портативный анализов.
  4. Примечательно, что PDMS является биологически совместимым, так что устройство имеет широкого применения в миниатюрных диагностических тестов, а также в клеточных анализов, таких как скрининг наркотиков и на основе ферментов биомолекулы обнаружения.

Преимущества интегрированной микрожидкостных камеры перфузии:

  1. Она способна автоматизированных перфузии несколько решений химических веществ в одной камере культуре клеток.
  2. Входы контролируются microvalves, который может быть активирован в любой последовательности из одной бухты, различные комбинации, или все сразу.
  3. Устройство способно производить градиенты или смеси различных решений.

Главная предупреждает для производственных процессов:

  1. Пыли среды имеет решающее значение во время PDMS мембраны изготовления, которая гарантирует, что мембраны без дефектов.

Subscription Required. Please recommend JoVE to your librarian.

Acknowledgments

Работа выполнена при поддержке Национального института биомедицинской визуализации и биоинженерии грант № EB003307 и Национальным научным фондом Карьера премии А. Ф.

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

DOWNLOAD MATERIALS LIST

References

  1. Li, N., Hsu, C. H., Folch, A. Parallel mixing of photolithographically-defined nanoliter volumes using elastomeric microvalve arrays. Electrophoresis. 26, (19), 3858-3864 (2005).
  2. Thorsen, T., Maerkl, S. J., Quake, S. R. Microfluidic large-scale integration. Science. 298, (5593), 580-584 (2002).
Микрожидкостных фишки Контролируемые с массивами эластомерных Microvalve
Play Video
PDF DOI DOWNLOAD MATERIALS LIST

Cite this Article

Li, N., Sip, C., Folch, A. Microfluidic Chips Controlled with Elastomeric Microvalve Arrays. J. Vis. Exp. (8), e296, doi:10.3791/296 (2007).More

Li, N., Sip, C., Folch, A. Microfluidic Chips Controlled with Elastomeric Microvalve Arrays. J. Vis. Exp. (8), e296, doi:10.3791/296 (2007).

Less
Copy Citation Download Citation Reprints and Permissions
View Video

Get cutting-edge science videos from JoVE sent straight to your inbox every month.

Waiting X
Simple Hit Counter