Microfluïdische Chips Gecontroleerde met elastomeer microklep Arrays

Summary

Tonen we protocollen voor de productie en het automatiseren van elastomeer polydimethylsiloxaan (PDMS) op basis van microklep arrays dat er geen extra energie nodig te sluiten en zijn voorzien van photolithographically gedefinieerd precieze volumes. Een parallel subnanoliter-volume mixer en een geïntegreerd microfluïdische perfusie-systeem worden gepresenteerd.

Abstract

Geminiaturiseerde microfluïdische systemen bieden eenvoudige en doeltreffende oplossingen voor low-cost point-of-care diagnostiek en high-throughput biomedische testen. Robuuste flow control en nauwkeurige vloeibare volumes zijn twee kritische vereisten voor deze toepassingen. We hebben ontwikkeld microfluïdische chips met elastomeer polydimethylsiloxaan (PDMS) microklep arrays dat: 1) hoeft geen extra energiebron in de vloeibare pad te sluiten, vandaar de geladen apparaat is zeer draagbaar, en 2) zorgen voor microfabricating diep (tot 1 mm) kanalen met verticale zijwanden en resulteert in zeer nauwkeurige functies.

De PDMS microkleppen-gebaseerde apparaten bestaan ​​uit drie lagen: een vloeibare laag met vloeibare paden en microchambers van verschillende afmetingen, een controle laag met de microkanalen nodig zijn om de vloeibare pad bedienen met microkleppen, en een midden dun PDMS membraan dat is gebonden aan de controle- laag. Vloeibare laag en controle lagen zijn gemaakt door replica gieten van PDMS van de SU-8 fotolak meesters, en de dunne PDMS membraan is gemaakt door het draaien van PDMS op bepaalde hoogten. De controle laag is gebonden aan de dunne PDMS membraan na zuurstof activering van beide, en vervolgens samengevoegd met vloeibare laag. De microkleppen zijn gesloten in rust en kan geopend worden door het toepassen van negatieve druk (bijv. huis vacuüm). Microklep sluiting en opening zijn geautomatiseerd via elektromagnetische kleppen gecontroleerd door de computer software.

Hier tonen we twee microklep-based microfluïdische chips voor twee verschillende toepassingen. De eerste chip zorgt voor het opslaan en mengen van precieze sub-nanoliter volumes van waterige oplossingen met uiteenlopende mengverhoudingen. De tweede chip zorgt voor computer-gestuurde perfusie van microfluïdische celculturen.

De apparaten zijn gemakkelijk te fabriceren en eenvoudig te controleren. Als gevolg van de biocompatibiliteit van PDMS, zouden deze microchips hebben brede toepassingsmogelijkheden in geminiaturiseerde diagnostische assays evenals elementaire celbiologie studies.

Protocol

Microfluïdische apparaat ontwerp met behulp van CorelDraw of AutoCAD

Principe van PDMS microkleppen-gebaseerde apparaten: De apparaten bestaan ​​uit drie lagen: een vloeibare laag met microchambers van verschillende afmetingen, een "control laag" met de microkanalen nodig zijn om de vloeibare pad bedienen met microkleppen, en een midden dun membraan dat PDMS is gebonden aan de controle laag. In rust, als gevolg van de naleving en de hydrofobiciteit van PDMS, het membraan afdichtingen (reversibel) tegen zijn zetel, dus de kamers blijven geïsoleerd van elkaar zonder energie-input. Kleppen kunnen geopend worden door het toepassen van negatieve druk (bijv. huis vacuüm), dus het PDMS membraan afbuigt naar beneden en scheidt van het oppervlak dat de muur tussen de twee vloeibare kamers ondersteunt, waardoor het aansluiten van de vloeibare pad. Klep sluiting kan worden bereikt door het inschakelen van de druk instelling van vacuüm tot atmosferische druk.

Vloeibare laag en controle laag patronen werden ontworpen met behulp van CorelDraw of AutoCAD-software. Maskers die deze ontwerpen werden gedrukt op hoge resolutie (8.000 tot 20.000 dpi) over transparantie films via commerciële diensten (CAD / Art diensten, Bandon, OR) (maskers niet getoond).

Fabricage van silicium meesters met behulp van standaard SU-8 fotolithografie

1. Standaard SU-8 fotolithografie methoden werden gebruikt om de SU-8 "masters" (SU-8 2050, Microchem, Newton, MA) voor de microfluïdische laag en de klepbediening laag in een cleanroom (niet getoond in deze video). Creëren
   
   
2. Vrij te vergemakkelijken, voorafgaand aan PDMS replicatie van de SU-8, waren meesters gesilaniseerd door blootstelling aan een damp van een fluorosilane ((tridecafluoro-1, 1,2,2,-tetrahydrooctyl)-1-trichloorsilaan (TFOCS)), in een exsiccator jar (zonder drogen pellets) bevestigd aan een vacuüm bron. De exsiccator kamer moet zich in een chemische dampkap vanwege de bijtende eigenschappen van TFOCS dampen.
   
   
3. Plaats een klein deel van absorberend papier handdoek in de exsiccator kamer. Voeg een druppel TFOCS om het papier handdoek en evacueren van de lucht uit de kamer. Solliciteer vacuüm voor een min en uit te schakelen. Sluit het vacuüm en laat 30 minuten voor depositie. Houd de meesters in gesloten containers voor toekomstig gebruik.

Replica gieten van PDMS van de meesters

1. De vloeibare laag en de controle laag zijn gemaakt door replica gieten van PDMS van de SU-8 masters.
   
   
2. Grondig te mengen PDMS pre-polymeer en cross-linker (10:01 gew. Ratio), de-bubble in een exsiccator voor 10-15 min tot bubbels.
   
   
3. Gesneden siliconen slang in 1-2 cm lange stukjes. Kies de juiste grootte van de slang afhankelijk van de toepassing. We maken gebruik van 1,14 mm ID leidingen hier voor eenvoudige aansluiting op 1 / 16 inch OD slang later.
   
   
4. Gebruik Duco ® Cement te lijmen buis op de inlaat regio's van de SU-8 meester van de controle-laag. Wees voorzichtig niet te veel lijm gebruiken, zoals de siliconen slang is gemaakt van dezelfde componenten als PDMS, en de slang zal worden ingebed in het PDMS microfluïdische apparaat, het creëren van lucht-en vloeibare strakke inlaten / uitlaten.
   
   
5. In ons apparaat, zijn de regio's inlaat ontworpen op de maskers van zowel de vloeibare en de controle lagen, maar silicone inhammen zijn gegoten alleen in een laag (bijvoorbeeld controle laag) van het apparaat. Voor het maken van inlaten voor de vloeibare laag, we handmatig te verwijderen of te doorboren de weinige delen van het membraan dat de inlaat regio's te dekken. Dus na uitlijning en assemblage, al microkanalen (die flow en die de kleppen controle dragen) zijn toegankelijk vanaf de bovenkant van het apparaat, zodat de onderkant is vlak, waardoor beeldvorming van het apparaat op een conventionele microscoop podium.
   
   
6. Giet de-borrelen PDMS op beide meesters, rond de buis in de controle-layer master. De-bubble weer in een exsiccator. Na de-bubbling is voltooid, zet in de 65 ° C oven gedurende> 1 uur voor de genezing.
   
   
7. Verwijder genezen PDMS bedekte meesters uit de oven.
   
   
8. Gesneden afzonderlijke apparaten van de meesters (elke master bevat drie identieke apparaten) en afschilferen.
   
   
9. Te verwijderen lijm van de inlaat regio's met behulp van een naald of een pincet.
   
   
10. Neem de controle laag PDMS in de cleanroom.

Dunne PDMS Membraan Manufacturing

1. Zoals te zien is in het apparaat principe, de middelste laag bestaat uit een ~ 12 micrometer dik PDMS membraan.
   
   
2. Meng 10:01 gew. verhouding van PDMS prepolymeer / verharder mengsel met hexaan (3:1 gew. ratio) door vortexen.
   
   
3. Bewegen in een schone ruimte. (Een stofvrije omgeving is van cruciaal belang om ervoor te zorgen dat de PDMS membranen vrij zijn van gebreken; stofdeeltjes kan leiden tot membranen met gaten en / of gebrekkig gebonden aan de replica mal.)
   
   
4. Doe een gesilaniseerd 3 inch diameter wafer opom het vacuüm chuck van een Solitec spinner. De wafer moet gesilaniseerd (gederivatiseerd met fluorosilane) vóór PDMS draaien om het vrijkomen van PDMS van silicium oppervlakken te vergemakkelijken. De Teflon kom buitenkant van de boorkop werd ingepakt met plastic folie voor eenvoudige reiniging.
   
   
5. Doseer 2-3 ml van het PDMS / hexaan mengsel op de wafer met behulp van een 18-Gauge naald (voor het minimaliseren van bubbels).
   
   
6. Stel spin-parameters. Draaien op 7000 tpm gedurende 30 seconden, wat resulteert in een PDMS film van ~ 12 micrometer dikte.
   
   
7. Verwarm de wafer bij 85 ° C gedurende 4 minuten op een hete plaat van de PDMS-film te genezen.

Multilayer PDMS apparaat bonding en montage

1. Zet de controle laag en de PDMS membraan in een zuurstof plasma kamer. Zet plasma gedurende 30 sec (zuurstofdruk 30 psi, debiet 3-5 SCFH, 550W). Breng de controle laag in contact met de PDMS membraan onmiddellijk (binnen 5 minuten) na activering zuurstof. Systeemparameters, zoals zuurstof druk, debiet, en plasma-kracht en duur van de behandeling, zijn empirisch geconfigureerd volgens verschillende toepassingen.
   
   
2. Wacht 5 min, en verwijder de laag van de wafer, samen met het membraan.
   
   
3. Verwijder membranen op de inlaten gebieden, zodat zowel de controle en vloeibare lagen zijn toegankelijk vanaf de top via de slang.
   
   
4. Lijn de controle laag (met buizen als inhammen) met de vloeibare laag (vlakke) onder een stereoscoop. Omdat PDMS zegels op PDMS, is geen permanente hechting nodig.

Computergestuurde openen en sluiten van de PDMS microkleppen door vacuüm of druk

1. Na het apparaat uitlijning en montage, steek 1 / 16 inch OD (1 / 32 inch ID) Tygon slang in de 1,14 mm ID siliconen inhammen en sluit de inhammen aan de druk bronnen of de vloeibare reservoirs.
   
   
2. Voor het openen en sluiten van kleppen, worden druk bestuurd door een vacuüm lijn en een luchtdruk lijn verbonden via twee drukregelaars, die een scala aan miniatuur drie-weg magneetventielen.
   
   
3. De magneetventielen zijn aangesloten op National Instruments data-acquisitie hardware aangestuurd via Labview software.
   
   
4. Werking van het apparaat en membraan doorbuiging worden gevisualiseerd met een kleuren-CCD camera (SPOT RT, diagnostische instrumenten, Sterling Heights, MI).

Parallel vermenging van twee verschillende kleurstoffen in verschillende gedefinieerde nanoliter volumes

Tonen we de werking van een parallelle mixer die het mogelijk maakt voor het opslaan en mengen van precieze sub-nanoliter volumes van waterige oplossingen met uiteenlopende mengverhoudingen:

1. De vloeibare laag bevat twee arrays van microchambers: Langs serie A, de grootte van de microchambers afneemt, vanaf de linkerkant, van 200 um x 400 urn tot 200 urn x 40 micrometer, A ₁₀ is een 500 um x 40 micrometer kamer en is gebruikt alleen voor vloeibare verbinding in Array A, aan de rechterkant van kamer A ₁₀ is een reeks van kamers symmetrisch steeds meer in de maten. De kamers in array B zijn zodanig ontworpen dat de toegevoegde volume van twee aangrenzende kamers in verschillende rijen altijd gelijk aan. A _0, A-en _{B-0r 10,} B _10R ontworpen als respectievelijke controles voor oplossingen A en B zonder menging.
   
   
2. De controle laag heeft twee onafhankelijk gecontroleerde sets van afsluiters. Een set van afsluiters {V _1} wordt gebruikt om twee kamer arrays met hun respectieve inhammen te sluiten, terwijl een tweede set van de kleppen {V _2} wordt gebruikt om elk paar van de kamers verbinden in de twee arrays.
   
   
3. Vul de microchambers door het openen van klep verzameling _{1} V te laten stromen van twee kleurstof oplossingen te laten arrays A en B, respectievelijk. Stroom van oplossingen kunnen worden bereikt met de hand of door een vacuüm te trekken geregeld met magneetventielen. Als er luchtbellen ontstaan ​​in de microchambers, kan er meer oplossingen worden geduwd om de belletjes te verwijderen, of als het apparaat kan worden gelaten voor een paar minuten en bellen zullen verdwijnen als gevolg van de luchtdoorlatendheid van het PDMS.
   
   
4. Sluit de klep verzameling _{1} V aan elke kamer isoleren in beide arrays.
   
   
5. Open de afsluiter set {V _2}, zodat vloeistof mengen tussen aangrenzende kamers in verschillende arrays. Het mengen duurt slechts ~ 1-2 min in te vullen voor deze volumes.
   
   
6. Sluit {V _2} om de vloeistof terug te duwen op elke vloeibare kamer en kamers vervormen terug naar hun oorspronkelijke vorm. Aangezien de twee vloeibare arrays zijn ontworpen met de kamers van 11 verschillende afmetingen, zijn 11 verschillende mengverhoudingen geproduceerd in een enkele stap mengen.

Een geïntegreerd systeem voor microfluïdische computer-gestuurde perfusie van microfluïdische celculturen

Demonstreren we een microfluïdisch systeem dat in staat is de geautomatiseerde perfusie van meerdere oplossingen voor een enkele cel cultuur kamer. Deinlaten worden gecontroleerd door microkleppen, die geactiveerd kan worden in willekeurige volgorde van enkele inhammen, verschillende combinaties, of allemaal tegelijk. Het toestel is geschikt voor het produceren gradiënten of mengsels van de verschillende oplossingen.

Dit apparaat bestaat ook uit drie lagen: een vloeibare laag, een controle laag en een midden dun PDMS membraan.

Alternatief fabricage stappen voor dit apparaat:

1. De inlaat poorten voor de vloeibare kanalen en controle kanalen "gestanst" met behulp van een 1,2 mm diameter Harris Micro-Punch (Ted Pella, Inc.) Tubing is verbonden met de inlaten door gebruik te maken afgestompte 18 gauge naalden die in het PDMS ingebracht door de controle laag. Dit zorgt voor een dichtere pakking van inlaten dan de silicone. De naleving van de PDMS zorgt voor een goede afdichting rond de naalden ook daadwerkelijk te leveren vloeistof of pneumatische druk.
   
   
2. Zoals eerder beschreven, is de hechting van de dunne PDMS membraan aan de controle laag bereikt met behulp van de blootstelling aan zuurstof plasma.
   
   
3. De vloeibare laag wordt bereid door replica gieten met PDMS pre-polymeer en cross-linker in een verhouding van 5:1 en gedeeltelijk uitharden gedurende 25 minuten bij 60 ° C in een heteluchtoven. Op dit punt, de gedeeltelijk uitgeharde vloeibare laag nog kleverig is, maar het kan worden verwijderd uit de knie te krijgen.
   
   
4. De vloeibare laag is handmatig afgestemd op de voorgemonteerde controle en membraan lagen met behulp van een stereoscoop. De geassembleerde apparaat wordt dan geplaatst op een kookplaat gedurende 5 minuten bij 80 º C. Vervolgens worden de klepbediening die verbonden zijn met de automatische besturing en de kleppen worden bediend totdat het membraan los van vloeibare laag op de klepzittingen door het toepassen van vacuüm. Na het "losmaken" van de kleppen, is de computer controller ingesteld om te fietsen de kleppen in en uit, terwijl het apparaat is verder genezen op het verwarmingselement op 80 º C gedurende ten minste 1 uur.
   

De kenmerken van onze geïntegreerde microfluïdische systeem: Het apparaat is in staat om geautomatiseerd perfusie van 16 verschillende oplossingen voor een celcultuur kamer met behulp van een multiplexed kleppen regeling. Het kanaal ontwerp zorgt ervoor dat de weerstand van de inhammen evenwichtig is. Onze microklep ontwerp isoleert oplossingen en controles te spoelen door middel van geïntegreerde kanalen voor de snelle verwijdering van vloeistof, die cross-grenswaarden voor de verontreiniging. Een geïntegreerde visgraat mixer kan worden geactiveerd om mengsels van verschillende inhammen te produceren. Daarnaast zijn er vier verschillende kanalen die weerstand kan worden geactiveerd om het debiet te veranderen.

Discussion

Belangrijkste voordelen van onze microklep ontwerp:

1. Geen extra energiebron nodig is om de vloeibare pad te sluiten, vandaar de geladen apparaat is zeer draagbaar, en
2. Het apparaat kan worden gebouwd door PDMS replica's uit photolithographically-patroon SU-8 mallen, waardoor microfabricating diep (tot 1 mm) kanalen met verticale zijwanden (dat wil zeggen de hoogte van de functies kunnen onafhankelijk van hun breedte worden opgegeven) en resulteert in zeer precieze kenmerken.

Voordelen van de parallelle mixer:

1. Het is gemakkelijk te fabriceren en eenvoudig te controleren.
2. De volumes zijn photolithographically gedefinieerd en dus zeer nauwkeurig.
3. Vloeistof en reagentia kunnen worden opgeslagen in de microdevice voor meerdere dagen, waardoor zeer draagbaar assays.
4. Met name PDMS is biocompatibel, zodat het apparaat brede toepasbaarheid in geminiaturiseerde diagnostische assays als in cel-gebaseerde testen, zoals het screenen van geneesmiddelen en op basis van enzymen biomolecule detectie heeft.

Voordelen van de geïntegreerde microfluïdische perfusie kamer:

1. Het is in staat de geautomatiseerde perfusie van meerdere chemische stoffen oplossingen voor een enkele cel cultuur kamer.
2. De inlaten worden gecontroleerd door microkleppen, die geactiveerd kan worden in willekeurige volgorde van enkele inhammen, verschillende combinaties, of allemaal tegelijk.
3. Het toestel is geschikt voor het produceren gradiënten of mengsels van de verschillende oplossingen.

Belangrijkste waarschuwt voor de fabricage processen:

1. Een stofvrije omgeving is van cruciaal belang tijdens het PDMS membraan fabricage, die ervoor zorgt dat de membranen zijn vrij van gebreken.

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