Chips microfluídicos controlados com Arrays microválvula elastoméricos

Summary

Demonstramos protocolos para a fabricação e automação elastomérico polidimetilsiloxano (PDMS) com base em matrizes de microválvula que não precisam de energia extra para fechar e apresentam photolithographically definido volumes precisos. Um misturador subnanoliter volume paralelo e um sistema de perfusão integrado microfluídicos são apresentados.

Abstract

Miniaturizados sistemas microfluídicos fornecer soluções simples e eficazes de baixo custo point-of-care diagnóstico e de alto rendimento ensaios biomédicos. Controle de fluxo robusto e preciso volumes fluídico dois requisitos, essenciais para essas aplicações. Nós desenvolvemos chips microfluídicos com elastomérico PDMS (polidimetilsiloxano) matrizes microválvula que: 1) não necessitam de fonte de energia extra para fechar o caminho fluídico, portanto, o dispositivo de carga é altamente portátil e 2) permitir microfabricating profundas (até 1 mm) canais com paredes laterais verticais e resultando em características muito precisas.

O PDMS microválvulas dispositivos baseados composto por três camadas: uma camada fluídica contendo caminhos fluídico e microchambers de vários tamanhos, uma camada de controle contendo os microcanais necessário accionar o caminho fluídico com microválvulas, e um meio de membranas PDMS fino que é vinculado ao controle camada. Camada fluídica e camadas de controle são feitos por moldagem réplica de PDMS de SU-8 mestres fotorresiste, ea membrana PDMS fino é feito girando PDMS em alturas especificadas. A camada de controle é ligada à membrana fina PDMS após a ativação de oxigênio de ambos, e, em seguida, montados com a camada fluídica. O microválvulas são fechados em repouso e pode ser aberto através da aplicação de pressão negativa (por exemplo, o vácuo casa). Microválvula fechamento e abertura são automatizados através de válvulas solenóides controlados por software de computador.

Aqui, demonstramos dois microválvula baseado em chips microfluídicos para duas aplicações diferentes. O primeiro chip permite armazenar e mistura precisa sub-nanolitros volumes de soluções aquosas em vários índices de mistura. O segundo chip permite controlado por computador perfusão de culturas de células microfluídicos.

Os dispositivos são fáceis de fabricar e simples de controlar. Devido à biocompatibilidade do PDMS, estes microchips poderia ter amplas aplicações na miniaturizados ensaios de diagnóstico, bem como estudos de biologia básica da célula.

Protocol

Projeto de dispositivos microfluídicos usando CorelDraw ou o software AutoCAD

Princípio da PDMS microválvulas dispositivos baseados: Os dispositivos consistem em três camadas: uma camada fluídica contendo microchambers de vários tamanhos, uma "camada de controle", contendo os microcanais necessário accionar o caminho fluídico com microválvulas, e um meio de membranas PDMS fina que é obrigado para a camada de controle. Em repouso, devido ao cumprimento e hidrofobicidade de PDMS, os selos de membrana (reversível) contra sua sede, portanto, as câmaras permanecem isolados uns dos outros, sem entrada de energia. Válvulas pode ser aberto através da aplicação de pressão negativa (por exemplo, o vácuo casa), de modo a membrana PDMS desvia para baixo e se separa da superfície que suporta a parede entre duas câmaras fluídico, ligando assim o caminho fluídico. Fechamento da válvula pode ser conseguido mediante a substituição do ajuste de pressão de vácuo à pressão atmosférica.

Fluídico camada e padrões de camada de controle foram projetados usando CorelDraw ou software AutoCAD. Máscaras contendo estes projetos foram impressas em alta resolução (8.000 a 20.000 dpi) em filmes de transparência por meio de serviços comerciais (CAD / Art serviços, Bandon, OR) (máscaras não mostrados).

Fabricação de mestres de silício usando fotolitografia SU-8 padrão

1. Padrão SU-8 métodos de fotolitografia foram usados ​​para criar SU-8 "mestres" (SU-8 2050, Microchem, Newton, MA) para a camada de microfluídica ea camada de controle de válvula em uma sala limpa (não mostrado neste vídeo).
   
   
2. Para facilitar a libertação, antes PDMS replicação do SU-8, mestres foram silanizadas por exposição a vapor de um fluorosilane ((tridecafluoro-1, 1,2,2,-tetrahydrooctyl)-1-triclorosilano (TFOCS)), em um dessecador jar (sem secagem pellets) ligado a uma fonte de vácuo. A câmara de secador deve ser localizado dentro de um devido Cobertura de vapores químicos à natureza corrosiva dos vapores TFOCS.
   
   
3. Coloque uma pequena porção de toalha de papel absorvente no interior da câmara exsicador. Adicionar uma gota de TFOCS para a toalha de papel e evacuar o ar da câmara. Aplicar vácuo durante 1 min e desligue. Fechar o vácuo e aguarde 30 min para a deposição. Mantenha os mestres em recipientes fechados para uso futuro.

Moldagem réplica de PDMS com os mestres

1. A camada fluídica ea camada de controle são feitos por moldagem réplica de PDMS de SU-8 mestres.
   
   
2. PDMS misturar completamente pré-polímero e cross-linker (10:01 em peso. Ratio), de bolha em um dessecador por 10-15 min até que as bolhas claras.
   
   
3. Corte o tubo de silicone em 1-2 pedaços cm de comprimento. Escolha o tamanho adequado do tubo de acordo com a aplicação. Usamos tubos 1,14 mm ID aqui para fácil conexão a 1 / 16 de polegada da tubagem mais tarde.
   
   
4. Use Duco Cimento ® para tubos de cola para as regiões de entrada do mestre SU-8 da camada de controle. Tenha cuidado para não usar cola demais, como o tubo de silicone é feita dos mesmos componentes como PDMS, eo tubo será encaixado no dispositivo micro PDMS, criando entradas de ar e fluídico tight / outlets.
   
   
5. Em nosso dispositivo, as regiões de entrada são projetados sobre as máscaras de ambos fluídico e as camadas de controle, mas as entradas tubo de silicone são moldados apenas em uma camada (por exemplo, a camada de controle) do dispositivo. Para criar entradas para a camada fluídica, que remover manualmente ou perfure a algumas seções da membrana que cobre as regiões de entrada. Portanto, após o alinhamento e montagem, todos os microcanais (aqueles que carregam o fluxo, bem como aqueles que controlam as válvulas) são acessíveis a partir do topo do dispositivo de modo que a superfície inferior é plana, permitindo que imagens do dispositivo em um palco microscópio convencional.
   
   
6. Com cuidado, despeje de-bolhas PDMS em ambos os mestres, ao redor da tubulação no controle mestre-camada. De-bolha novamente num exsicador. Depois de borbulhar é completa, colocado em 65 ° C para o forno> 1 hora para a cura.
   
   
7. Remover curado PDMS coberto mestres do forno.
   
   
8. Corte dispositivos individuais com os mestres (cada mestre contém três dispositivos idênticos) e off casca.
   
   
9. Remover cola das regiões de entrada com uma agulha ou um par de fórceps.
   
   
10. Tome o controle da camada PDMS na sala limpa.

Manufacturing fina membrana PDMS

1. Como mostrado no princípio dispositivo, a camada do meio consiste em uma membrana de PDMS ~ 12 m de espessura.
   
   
2. Mix 10:01 wt. relação de pré-polímero PDMS / mistura agente de cura com hexano (3:1 em peso. ratio) em vortex.
   
   
3. Mover-se em uma sala limpa. (Um ambiente livre de poeira é fundamental para garantir que as membranas PDMS são livres de defeitos; partículas de pó pode resultar em membranas contendo furos e / ou incorrectamente ligado ao molde de réplicas.)
   
   
4. Coloque um silanizadas 3 wafer polegadas de diâmetro empara o vácuo de um mandril giratório Solitec. A bolacha tem que ser silanizadas (derivatizado com fluorosilane) antes de PDMS de giro para facilitar a liberação de PDMS de superfícies de silício. A tigela Teflon fora do chuck foi embrulhado com filme plástico para facilitar a limpeza.
   
   
5. Dispense 2-3 ml de PDMS / Hexano mistura para o wafer usando uma agulha de seringa de calibre 18 (para minimizar bolhas).
   
   
6. Definir os parâmetros de rotação. Giram a 7000 rpm por 30 segundos, resultando em um filme de PDMS de espessura ~ M 12.
   
   
7. Aqueça o wafer de 85 ° C por 4 min em uma chapa quente para curar o filme PDMS.

Ligação de dispositivos multicamadas PDMS e montagem

1. Coloque a camada de controle ea membrana PDMS em uma câmara de plasma de oxigênio. Ligue plasma por 30 segundos (pressão de oxigênio 30 psi, taxa de fluxo 05/03 SCFH, 550W). Traga a camada de controle em contato com a membrana PDMS imediatamente (dentro de 5 minutos) após a ativação de oxigênio. Parâmetros do sistema, tais como a pressão de oxigênio, taxa de fluxo, e poder de plasma e tempo de tratamento, são empiricamente configurado de acordo com diferentes aplicações.
   
   
2. Aguarde 5 min, e remover a camada de controle do wafer, juntamente com a membrana.
   
   
3. Remover membranas nas áreas entradas de modo que tanto o controle e camadas fluídicas são acessíveis a partir do topo através da tubulação.
   
   
4. Alinhar a camada de controle (com tubos de entradas) com a camada fluídica (planar), sob um estereoscópio. Porque PDMS selos em PDMS, sem vínculo permanente é necessária.

Controlado por computador abertura e fechamento de microválvulas PDMS por vácuo ou pressão

1. Após o alinhamento e montagem do dispositivo, insira 16/01 OD polegadas (1 / 32 polegadas ID) tubulação de Tygon para o 1,14 milímetros entradas de silicone ID e conectar as entradas para as fontes de pressão ou dos reservatórios de fluidos.
   
   
2. Para abrir e fechar válvulas, as pressões são controladas por uma linha de vácuo e uma linha de pressão de ar conectado através de dois reguladores de pressão para uma série de miniaturas de válvulas solenóide de três vias.
   
   
3. As válvulas solenóides são conectados a National Instruments hardware de aquisição de dados controlado via software Labview.
   
   
4. Operação do dispositivo e deflexão da membrana são visualizados com uma cor câmera CCD (SPOT RT, Instrumentos de Diagnóstico, Sterling Heights, MI).

Paralelamente mistura de dois corantes de cores diferentes em diferentes volumes nanolitros definido

Nós demonstrar o funcionamento de um misturador paralela que permite o armazenamento e mistura precisa sub-nanolitros volumes de soluções aquosas em vários índices de mistura:

1. A camada fluídica contém duas matrizes de microchambers: Junto série A, o tamanho do microchambers diminui, a partir da esquerda, de 200 mM x 400 m para 200 mM x 40 mm; A ₁₀ é uma câmara de 500 mm x 40 e M é usado apenas para conexão fluídica na matriz A; à direita da câmara A ₁₀ é um conjunto de câmaras simetricamente aumentando em tamanhos. As câmaras em série B são projetados de tal forma que o volume adicionado de quaisquer duas câmaras adjacentes em diferentes linhas sempre igual. A _0, A e B _{10r 0r 10,} B são concebidos como respectivos controles para as soluções A e B sem se misturar.
   
   
2. A camada de controle tem dois de forma independente, controlado conjuntos de válvulas. Um conjunto de válvulas {V _1} é usado para conectar dois arrays de câmara com suas respectivas entradas, enquanto que um segundo conjunto de válvulas _{2} V é usado para conectar cada par de câmaras nas duas matrizes.
   
   
3. Preencher o microchambers abrindo conjunto de válvula V _{1} para permitir o fluxo de duas soluções de corante para matrizes A e B, respectivamente. Fluxo das soluções pode ser alcançado manualmente ou por vácuo puxando controlada com válvulas solenóides. Se bolhas de ar na forma microchambers, mais solução pode ser empurrado para remover as bolhas ou o dispositivo pode ser deixado por alguns minutos e bolhas vão desaparecer devido à permeabilidade ao ar de PDMS.
   
   
4. Fechar o conjunto da válvula V _{1} para isolar cada câmara em ambos os arrays.
   
   
5. Conjunto de válvula aberta _{2} V para permitir que fluidos mistura entre as câmaras adjacentes em diferentes arranjos. Mistura só leva ~ 1-2 min para completar para estes volumes.
   
   
6. Fechar _{2} V para empurrar o líquido de volta para cada câmara fluídico e câmaras deformar volta à sua forma original. Uma vez que as duas matrizes fluídicos são projetados com câmaras de 11 tamanhos diferentes, 11 diferentes relações de mistura são produzidos em uma única etapa de mistura.

Um sistema integrado microfluídicos para perfusão controlada por computador de culturas de células microfluídicos

Demonstramos um sistema microfluídicos que é capaz de a perfusão automatizada de múltiplas soluções para uma única câmara de cultura de células. Oentradas são controladas por microválvulas, que pode ser ativado em qualquer seqüência de entradas individuais, várias combinações, ou todos de uma vez. O dispositivo é capaz de produzir gradientes ou misturas das várias soluções.

Este dispositivo também é composto por três camadas: uma camada fluídica, uma camada de controle, e um meio de membranas PDMS fina.

Alternativa etapas de fabricação para este dispositivo:

1. As portas de entrada para os canais fluídicos e canais de controle são "perfurados", usando de 1,2 mm de diâmetro Harris Micro-Punch (Ted Pella, Inc.). A tubulação é conectado às entradas usando blunted 18 agulhas que são inseridas no para o PDMS através da camada de controle. Isto permite uma embalagem mais densa de entradas do que o tubo de silicone. A conformidade do PDMS fornece uma perfeita vedação em torno do agulhas para efetivamente entregar fluido ou pressão pneumática.
   
   
2. Conforme descrito anteriormente, a ligação da membrana PDMS fina para a camada de controle é realizado utilizando a exposição ao plasma de oxigênio.
   
   
3. A camada fluídica é preparado por moldagem réplica com PDMS pré-polímero e cross-linker na proporção de 5:1 e parcialmente curar por 25 minutos a 60 ° C em um forno de convecção. Neste ponto, a camada parcialmente curado fluídico ainda é brega, mas pode ser removido do mestre.
   
   
4. A camada fluídica é manualmente alinhado com o controle pré-montados e camadas de membrana utilizando um estereoscópio. O dispositivo montado é então colocado numa placa de aquecimento durante 5 minutos a 80 º C. Em seguida, as linhas de controle de válvula são conectados ao controlador automatizado e as válvulas são acionadas até a membrana separa da camada fluídica em todas as sedes de válvulas através da aplicação de vácuo. Depois de "desmontar" as válvulas, o controlador de computador está definido para o ciclo de válvulas e fora enquanto o dispositivo é ainda mais curado sobre a placa de aquecimento a 80 º C durante pelo menos 1 hora.
   

As características de nosso sistema integrado microfluídicos: O dispositivo é capaz de perfusão automatizado de 16 soluções diferentes para uma câmara de cultura de células usando um esquema de válvulas multiplexados. O projeto do canal garante que a resistência de todas as entradas é equilibrado. Nosso projeto microválvula isola soluções e controles de lavagem por meio de canais integrada para a remoção rápida de líquido, o que limita a contaminação cruzada. Um misturador herringbone integrado pode ser ativado para produzir misturas de entradas diferentes. Além disso, existem quatro canais de resistência variável que pode ser ativado para alterar a taxa de fluxo.

Discussion

Principais vantagens de nosso projeto microválvula:

1. Nenhuma fonte de energia extra é necessário para fechar o caminho fluídico, portanto, o dispositivo de carga é altamente portátil e
2. O dispositivo pode ser construído por réplicas de PDMS photolithographically com estampas SU-8 moldes, permitindo microfabricating profundas (até 1 mm) canais com paredes laterais verticais (ou seja, a altura de os recursos podem ser especificados independentemente de sua largura) e resultando em muito características precisas.

Vantagens do misturador paralelo:

1. É fácil de fabricar e simples de controlar.
2. Os volumes são photolithographically definido e, portanto, muito preciso.
3. Fluido e reagentes podem ser armazenados no microdispositivo por vários dias, permitindo ensaios altamente portátil.
4. Nomeadamente, PDMS é biocompatível, de modo que o dispositivo tem ampla aplicabilidade em miniaturizados ensaios de diagnóstico, bem como em células baseado em testes, como o rastreio de drogas e à base de enzimas detecção de biomoléculas.

Vantagens da câmara de perfusão integrado microfluídicos:

1. É capaz de a perfusão automatizada de múltiplas soluções de produtos químicos para uma única câmara de cultura de células.
2. As entradas são controladas por microválvulas, que pode ser ativado em qualquer seqüência de entradas individuais, várias combinações, ou todos de uma vez.
3. O dispositivo é capaz de produzir gradientes ou misturas das várias soluções.

Principais cuidados para os processos de fabricação:

1. Um ambiente livre de poeira é fundamental durante a fabricação de membranas PDMS, que garante que as membranas são livres de defeitos.

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