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Biology

Los chips de microfluidos controlado con matrices elastoméricas microválvula

doi: 10.3791/296 Published: October 1, 2007

Summary

Nos demuestran los protocolos de fabricación y automatización de elastómero de polidimetilsiloxano (PDMS) basado en matrices microválvula que no necesitan energía extra para cerrar y cuentan con photolithographically define volúmenes precisos. Un paralelo subnanoliter volumen de mezclador y un sistema integrado de perfusión de microfluidos se presentan.

Abstract

Miniaturizados sistemas de microfluidos ofrecer soluciones sencillas y eficaces de bajo costo en el punto de atención de diagnóstico y de alto rendimiento ensayos biomédicos. Control de flujo robusto y preciso volúmenes de fluidos son dos requisitos fundamentales para estas aplicaciones. Hemos desarrollado los chips de microfluidos con elastómero de polidimetilsiloxano (PDMS) arrays microválvula que: 1) necesidad de ninguna fuente de energía adicional para cerrar el trazado fluido, por lo tanto, el dispositivo de carga es muy portátil, y 2) permitir microfabricating profundas (hasta 1 mm) canales con paredes laterales verticales y dando lugar a unas características muy precisas.

El PDMS microválvulas basada en dispositivos constan de tres capas: una capa de fluido que contiene las rutas de fluidos y microcámaras de diferentes tamaños, una capa de control que contiene los microcanales necesaria para accionar la vía de fluidos con microválvulas, y una membrana de PDMS media delgada que está enlazado con el control capa. Capa de fluidos y capas de control son realizadas por moldeo réplica de PDMS de SU-8 maestros fotosensible, y la delgada membrana de PDMS se hace al girar PDMS en altura especificada. La capa de control se une a la delgada membrana de PDMS después de la activación de oxígeno de ambos, y luego se ensamblan con la capa de fluido. El microválvulas están cerrados en reposo y se puede abrir mediante la aplicación de presión negativa (por ejemplo, el vacío de la casa). Microválvula cierre y la apertura son automatizados a través de las válvulas de solenoide controlado por programas informáticos.

Este sentido, demuestran dos microválvula basada en los chips de microfluidos para dos aplicaciones diferentes. El primer chip permite almacenar y mezcla precisa sub-nanolitros volúmenes de las soluciones acuosas en diferentes proporciones de mezcla. El segundo chip permite controlados por el ordenador de perfusión de los cultivos celulares de microfluidos.

Los dispositivos son fáciles de fabricar y sencillo de controlar. Debido a la biocompatibilidad de PDMS, estos microchips podría tener amplias aplicaciones en miniatura ensayos de diagnóstico, así como estudios básicos de biología celular.

Protocol

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El diseño de dispositivos de microfluidos con CorelDraw o AutoCAD

Principio de PDMS microválvulas dispositivos basados ​​en: Los dispositivos constan de tres capas: una capa de fluido que contiene microcámaras de diferentes tamaños, una "capa de control" que contiene los microcanales necesaria para accionar la vía de fluidos con microválvulas, y una membrana de PDMS media delgada que está obligado a la capa de control. En reposo, debido a la aceptación y la hidrofobicidad de PDMS, los sellos de membrana (reversible) en contra de su sede, por lo tanto, las cámaras permanecen aislados unos de otros sin el aporte de energía. Las válvulas se pueden abrir mediante la aplicación de presión negativa (por ejemplo, el vacío de la casa), por lo que la membrana de PDMS se desvía hacia abajo y se separa de la superficie que soporta la pared entre las dos cámaras de fluidos, lo que conecta el camino de fluidos. Cierre de la válvula se puede lograr cambiando el ajuste de presión de vacío a presión atmosférica.

Capa de fluidos y los patrones de control de la capa fueron diseñados utilizando CorelDraw o AutoCAD. Máscaras que contienen estos diseños fueron impresas en alta resolución (8.000 a 20.000 dpi) en las películas de transparencia a través de servicios comerciales (CAD / Arte, Bandon, Oregón) (máscaras no se muestra).

Fabricación de los maestros de silicio estándar con SU-8 fotolitografía

  1. Estándar de SU-8 métodos de fotolitografía se utiliza para crear SU-8 "maestros" (SU-8 2050, MicroChem, Newton, MA) para la capa de microfluidos y la capa de control de la válvula en una sala limpia (no se muestra en este video).

  2. Para facilitar la liberación, antes de la replicación PDMS el SU-8, los maestros se silanizada por la exposición a un vapor de un fluorosilane ((tridecafluoro-1, 1,2,2,-tetrahydrooctyl)-1-triclorosilano (TFOCS)), en un jar desecador (sin secado pellets) conectado a una fuente de vacío. La cámara de desecador debe estar ubicado dentro de una campana extractora de humos químicos, debido a la naturaleza corrosiva de los vapores TFOCS.

  3. Coloque una pequeña porción de toalla de papel absorbente en la cámara de desecador. Añadir una gota de TFOCS a la toalla de papel y evacuar el aire de la cámara. Aplicar vacío durante 1 minuto y se apagará. Cierre el vacío y dejar 30 minutos para la deposición. Mantenga a los maestros en contenedores cerrados para su uso futuro.

Replica moldeo de PDMS de los maestros

  1. La capa de fluido y la capa de control son realizadas por moldeo réplica de PDMS de SU-8 maestros.

  2. Mezclando PDMS pre-polímero y la cruz enlazador (10:01 en peso. Ratio), de la burbuja en un desecador durante 10-15 minutos hasta que las burbujas claro.

  3. Corte el tubo de silicona en las piezas 1.2 cm de largo. Elija el tamaño apropiado de la tubería de acuerdo con la aplicación. Usamos tubos de 1,14 mm de diámetro aquí para una fácil conexión a la tubería de diámetro exterior 1 / 16 pulgadas más tarde.

  4. El uso de cemento Duco ® a un tubo de pegamento en las regiones de entrada de la SU-8 maestros de la capa de control. Tenga cuidado de no usar demasiado pegamento, ya que el tubo de silicona se hace de los mismos componentes que PDMS, y el tubo se integrará en el dispositivo de microfluidos PDMS, creando entradas de aire y fluidos apretado / puntos de venta.

  5. En nuestro equipo, las regiones de entrada se han diseñado en las máscaras de los dos fluidos y las capas de control, pero las entradas de tubo de silicona sólo están moldeados en una sola capa (por ejemplo, la capa de control) del aparato. Para crear las entradas a la capa de fluido, que elimina manualmente o perfore las pocas secciones de la membrana que cubre las regiones de entrada. Por lo tanto, después de la alineación y el montaje, todos los microcanales (los que llevan el flujo, así como aquellos que controlan las válvulas) son accesibles desde la parte superior del dispositivo de manera que la superficie inferior es plana, lo que permite imágenes de dicho dispositivo en la platina del microscopio convencional.

  6. Vierta cuidadosamente de-burbujas PDMS a ambos maestros, alrededor de la tubería en el control maestro de la capa. De la burbuja de nuevo en un desecador. Después de-burbujas es completa, puesto en 65 ° C para el horno> 1 hora para el curado.

  7. Quitar curado PDMS cubierto maestros del horno.

  8. Cortar los dispositivos individuales de los maestros (cada maestro tiene tres dispositivos idénticos) y fuera de la cáscara.

  9. Quitar pegamento de las regiones de entrada con una aguja o un par de pinzas.

  10. Tome el control de la capa de PDMS en la sala limpia.

Delgada membrana de PDMS de fabricación

  1. Como se muestra en el principio dispositivo, la capa intermedia es de un ~ 12 micras de espesor membrana de PDMS.

  2. Mezcla 10:01 en peso. proporción de PDMS prepolímero / mezcla de agente de curado con hexano (3:1 en peso. ratio) por agitación.

  3. Entrar en una habitación limpia. (Un ambiente libre de polvo es fundamental para garantizar que el PDMS están libres de defectos, partículas de polvo puede resultar en las membranas que contienen agujeros y / o defectuosa obligado al molde de réplica.)

  4. Ponga un silanizada de 3 pulgadas de diámetro en la obleapara el plato vacío de una ruleta Solitec. La oblea tiene que ser silanizada (modificado con fluorosilane) antes de PDMS girar para facilitar la liberación de PDMS de la superficie de silicio. El recipiente de teflón fuera del plato estaba envuelta con film de plástico para facilitar su limpieza.

  5. Prescindir de 2-3 ml de PDMS / hexano sobre la oblea con una aguja de la jeringa de 18 Gauge (para minimizar las burbujas).

  6. Establezca los parámetros de giro. Giran a 7000 rpm durante 30 segundos, lo que resulta en una película de PDMS de espesor ~ m 12.

  7. El calor de la oblea a 85 ° C durante 4 minutos en un plato caliente para curar la película de PDMS.

Multicapa PDMS dispositivo de unión y montaje

  1. Poner la capa de control y la membrana de PDMS en una cámara de plasma de oxígeno. A su vez en el plasma durante 30 segundos (la presión de oxígeno de 30 psi, flujo 3.5 SCFH, 550W). Llevar el control de la capa en contacto con la membrana de PDMS inmediatamente (menos de 5 minutos) después de la activación de oxígeno. Los parámetros del sistema, tales como la presión de oxígeno, velocidad de flujo, y el poder de plasma y el tiempo de tratamiento, son empíricamente configurado de acuerdo a las diferentes aplicaciones.

  2. Espere 5 minutos y retire la capa de control de la oblea, junto con la membrana.

  3. Quitar las membranas de las áreas a fin de que las entradas de control y las capas de fluidos son accesibles desde la parte superior a través de la tubería.

  4. Alinear a la capa de control (con tubos de entradas) con la capa de fluido (plano) en un estereoscopio. Debido a que los sellos en PDMS PDMS, no se requiere la unión permanente.

Controlados por el ordenador de apertura y cierre de microválvulas PDMS por vacío o presión

  1. Después de la alineación y el montaje del dispositivo, inserte 1 / 16 pulgadas OD (1 / 32 de pulgada ID) en el tubo Tygon de 1,14 mm de silicona las entradas de ID y conectar las entradas a las fuentes de presión o los depósitos de fluidos.

  2. Para la apertura y cierre de válvulas, las presiones están controladas por una línea de vacío y una línea de presión de aire conectado a través de dos reguladores de presión para una amplia gama de válvulas de solenoide en miniatura de tres vías.

  3. Las válvulas de solenoide están conectados a Nacional de hardware de adquisición de instrumentos de datos controlados por el software LabVIEW.

  4. La operación del dispositivo y la desviación de membrana se visualizan con un color CCD de la cámara (SPOT RT, instrumentos de diagnóstico, Sterling Heights, MI).

Paralelo mezcla de dos colorantes de diferente color en diferentes volúmenes nanolitros definido

Se demuestra la operación de un mezclador en paralelo que permite el almacenamiento y la mezcla precisa sub-nanolitros volúmenes de las soluciones acuosas en diferentes proporciones de mezcla:

  1. La capa de fluido contiene dos conjuntos de microcámaras: A lo largo de una variedad, el tamaño de las microcámaras disminuye, empezando por la izquierda, de 200 m x 400 m y 200 m x 40 m; A 10 es de 500 m x 40 m, y la cámara se utiliza sólo para la conexión de fluidos en el Array A, a la derecha de la cámara A 10 es un conjunto de cámaras de forma simétrica en aumento en los tamaños. Las cámaras de serie B están diseñados de tal manera que el volumen adicional de cualquiera de las dos cámaras adyacentes en diferentes filas siempre igual. A 0, A 10r 0r y 10 B, B están diseñados los controles respectivos de las soluciones A y B sin mezclarse.

  2. La capa de control tiene dos controles independientes conjuntos de válvulas. Un conjunto de válvulas {1} V se utiliza para conectar dos conjuntos de cámara con sus respectivas entradas, mientras que un segundo grupo de válvulas {2} V se utiliza para conectar cada par de cámaras en las dos matrices.

  3. Llene el primer set por microcámaras válvula V {1} para permitir el flujo de dos soluciones de tinte a las matrices A y B, respectivamente. Flujo de las soluciones se puede lograr ya sea a mano o por el vacío tirando controlados con válvulas de solenoide. Si las burbujas de aire se forman en el microcámaras, más solución puede ser empujado para eliminar las burbujas, o el dispositivo se puede dejar durante unos minutos y las burbujas desaparecerán debido a la permeabilidad al aire de PDMS.

  4. Cerrar el conjunto de la válvula V {1} para aislar cada cámara en ambas matrices.

  5. Conjunto de apertura de la válvula V {2} para permitir que el líquido de mezcla entre cámaras adyacentes en diferentes matrices. Mezcla sólo lleva alrededor de 1-2 minutos para completar para estos volúmenes.

  6. Cerca {2} V para empujar el líquido de regreso a cada cámara de fluidos y las cámaras de deformar a su forma original. Puesto que los dos conjuntos de fluidos están diseñados con las cámaras de 11 tamaños diferentes, 11 diferentes proporciones de mezcla se producen en una etapa de mezcla única.

Un sistema integrado de microfluidos para el equipo controlado por la perfusión de los cultivos celulares de microfluidos

Demostramos un sistema de microfluidos que es capaz de la perfusión automatizado de múltiples soluciones a una cámara de cultivo de células individuales. Lalas entradas están controladas por microválvulas, que puede ser activado en cualquier secuencia de entradas individuales, combinaciones de varios, o todos a la vez. El dispositivo es capaz de producir gradientes o mezclas de las distintas soluciones.

Este dispositivo también consta de tres capas: una capa de fluido, una capa de control, y una delgada membrana media PDMS.

Medidas alternativas de fabricación de este dispositivo:

  1. Los puertos de entrada para los canales fluidos y canales de control son "un puñetazo", con un 1,2 mm de diámetro Harris Micro-Punch (Ted Pella, Inc.). Tubo se conecta a las entradas mediante el uso de agujas de calibre 18 embotado que se insertan en el PDMS a través de la capa de control. Esto permite un empaquetamiento más denso de entradas que el tubo de silicona. El cumplimiento de la PDMS proporciona un sello hermético alrededor de las agujas para cumplir efectivamente con el líquido o la presión de neumáticos.

  2. Como se describió anteriormente, la unión de la delgada membrana de PDMS para la capa de control se realiza mediante la exposición al plasma de oxígeno.

  3. La capa de fluido se prepara por moldeo réplica con PDMS pre-polímero y la cruz enlazador-en una proporción de 5:1 y en parte curado durante 25 minutos a 60 ° C en un horno de convección. En este punto, la capa de fluido parcialmente curado todavía está pegajosa, sin embargo, puede ser removido de la maestra.

  4. La capa de fluido se alinean de forma manual para el control pre-ensamblados y capas de la membrana con un estereoscopio. El dispositivo montado se coloca sobre una placa durante 5 minutos a 80 º C. A continuación, las líneas de válvulas de control están conectados al controlador automático y las válvulas se accionan hasta que la membrana se separa de la capa de fluido en todos los asientos de las válvulas mediante la aplicación de vacío. Después de "desconectar" de las válvulas, el controlador de equipo está configurado para el ciclo de las válvulas de encendido y apagado mientras el dispositivo está más curado en la zona de cocción a 80 º C durante al menos 1 hora.

Las características de nuestro sistema integrado de microfluidos: El dispositivo es capaz de perfusión automatizado de 16 soluciones diferentes a una cámara de cultivo celular utilizando un esquema de válvulas de multiplexado. El diseño del canal se asegura de que la resistencia de todas las entradas está equilibrado. Nuestro diseño microválvula aislados de las soluciones y los controles de lavado a través de canales integrados para la rápida eliminación de líquido, lo que limita la contaminación cruzada. Un mezclador de espiga integrada se puede activar para producir mezclas de diferentes entradas. Además, hay cuatro diferentes canales de la resistencia que puede ser activada para alterar la velocidad de flujo.

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Discussion

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Las principales ventajas de nuestro diseño microválvula:

  1. Ninguna fuente de energía adicional es necesaria para cerrar el trazado fluido, por lo tanto, el dispositivo de carga es muy portátil, y
  2. El dispositivo puede ser construido por réplicas de PDMS photolithographically con estampado de SU-8 moldes, lo que permite microfabricating profundas (hasta 1 mm) de canales con paredes laterales verticales (es decir, la altura de las características se puede especificar independientemente de su anchura) y que resulta en muy características precisas.

Ventajas de la mesa de mezclas en paralelo:

  1. Es fácil de fabricar y sencillo de controlar.
  2. Los volúmenes son photolithographically definido y, por tanto, muy preciso.
  3. Líquidos y reactivos se pueden almacenar en la microdispositivo durante varios días, lo que para los ensayos de gran portabilidad.
  4. En particular, PDMS es biocompatible, lo que el dispositivo tiene una amplia aplicabilidad en miniatura ensayos de diagnóstico, así como en ensayos basados ​​en células, tales como la detección de drogas a base de enzimas y la detección de biomoléculas.

Ventajas de la cámara de perfusión de microfluidos integrados:

  1. Es capaz de la perfusión de soluciones automatizadas de un producto químico a una cámara de cultivo de células individuales.
  2. Las entradas están controladas por microválvulas, que puede ser activado en cualquier secuencia de entradas individuales, combinaciones de varios, o todos a la vez.
  3. El dispositivo es capaz de producir gradientes o mezclas de las distintas soluciones.

Principales precauciones para los procesos de fabricación:

  1. Un ambiente libre de polvo es fundamental durante la fabricación de la membrana de PDMS, lo que garantiza que las membranas están libres de defectos.

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Acknowledgments

Este trabajo fue apoyado por el Instituto Nacional de Imágenes Biomédicas y Bioingeniería conceder # EB003307 y por el Premio Nacional de Ciencias de Carrera Fundación de AF

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

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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).
Los chips de microfluidos controlado con matrices elastoméricas microválvula
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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).

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