Mikrofluidik-Chips mit Elastomer-Mikroventil Arrays Controlled

Summary

Wir zeigen, Protokolle für die Herstellung und Automatisierung von Elastomer-Polydimethylsiloxan (PDMS)-basierte Mikroventil Arrays, die keine zusätzliche Energie benötigt, um in der Nähe und bieten photolithographisch definiert präzise Volumina. Ein parallel subnanoliter-Volumen-Mixer und einem integrierten mikrofluidischen Perfusion System vorgestellt werden.

Abstract

Miniaturisierte mikrofluidischen Systemen ermöglichen eine einfache und effektive Lösungen für Low-Cost-Point-of-care Diagnostik und High-Throughput-biomedizinischen Tests. Robust Flow Control und präzise fluidischen Volumina sind zwei entscheidende Anforderungen für diese Anwendungen. Wir haben Mikrofluidik-Chips mit Elastomer-Polydimethylsiloxan (PDMS) Mikroventil Arrays entwickelt, dass: 1) benötigen keine zusätzliche Energiequelle, um die fluidische Pfad zu schließen, damit die geladenen Gerät ist portabel und 2) für microfabricating tief (bis zu 1 mm) Kanäle ermöglichen mit senkrechten Seitenwänden und führt zu sehr präzisen Funktionen.

Die PDMS Mikroventile-basierte Geräte bestehen aus drei Schichten: einer fluidischen Schicht, die Fluidik Wege und Mikrokammern in verschiedenen Größen, eine Steuerung Schicht, die die Mikrokanäle notwendig, um die fluidische Weg mit Mikroventile zu betätigen, und einen mittleren dünne PDMS-Membran, die das Steuerelement gebunden ist Schicht. Fluidic Schicht und Kontrolle Schichten sind durch Replikat des PDMS von SU-8 Fotolack Meister gemacht, und die dünne PDMS-Membran wird durch das Drehen PDMS in bestimmten Höhen gemacht. Die Steuerung Schicht auf die dünne PDMS-Membran nach Sauerstoff Aktivierung beider verklebt und dann mit der Fluidik-Schicht aufgebaut. Die Mikroventile sind in Ruhe geschlossen und kann durch Anlegen von Unterdruck (zB Haus Vakuum) geöffnet werden. Mikroventil Schließen und Öffnen erfolgt über Magnetventile von Computer-Software gesteuert automatisiert.

Hier zeigen wir zwei Mikroventil-basierten mikrofluidischen Chips für zwei verschiedene Anwendungen. Der erste Chip ermöglicht die Speicherung und das Mischen präzise Sub-Nanoliter von wässrigen Lösungen in unterschiedlichen Mischungsverhältnissen. Der zweite Chip ermöglicht computergesteuerte Perfusion von mikrofluidischen Zellkulturen.

Die Geräte sind einfach herzustellen und einfach zu steuern. Aufgrund der Biokompatibilität von PDMS, könnten diese Mikrochips haben breite Anwendungen in miniaturisierten Diagnostik-Assays sowie grundlegende zellbiologische Studien.

Protocol

Mikrofluidikvorrichtung Design mit CorelDraw oder AutoCAD-Software

Das Prinzip der PDMS Mikroventile-basierte Geräte: Die Geräte bestehen aus drei Schichten: einer fluidischen Schicht mit Mikrokammern in verschiedenen Größen, ein "Control Layer" enthält die Mikrokanäle notwendig, um die fluidische Weg mit Mikroventile zu betätigen, und einen mittleren dünne PDMS-Membran, die gebunden ist auf der Steuerungsebene. In Ruhe durch die Einhaltung und Hydrophobie von PDMS, die Membran-Dichtungen (reversibel) gegen seinen Sitz, daher bleiben die Räume von einander ohne Energiezufuhr isoliert. Ventile kann durch Anlegen von Unterdruck (zB Haus Vakuum) geöffnet werden, so dass die PDMS-Membran lenkt ab und trennt sich von der Oberfläche, dass die Wand zwischen zwei fluidischen Kammern unterstützt und verbindet so die fluidische Weg. Ventilverschlussglied kann durch Abschalten der Druckeinstellung von Vakuum bis Atmosphärendruck erreicht werden.

Fluidic Schicht und Kontrolle Lagenbilder wurden unter Verwendung CorelDraw oder AutoCAD Software. Masken, die diese Entwürfe wurden in hoher Auflösung (8.000 bis 20.000 dpi) zur Transparenz Filme durch kommerzielle Dienste (CAD / Art Services, Bandon, OR) gedruckt (Masken nicht gezeigt).

Herstellung von Silizium-Master mithilfe von Standard-SU-8 Photolithographie

1. Standard-SU-8 Photolithographie Methoden wurden verwendet, um SU-8 "Meister" (SU-8 2050 MicroChem, Newton, MA) für die Mikrofluidik-Schicht und der Ventilsteuerung Schicht in einem Reinraum (nicht in diesem Video gezeigt). Erstellen
   
   
2. Zum Lösen zu erleichtern, vor PDMS Replikation der SU-8, waren Meister durch Einwirkung eines Dampfes einer Fluorsilan ((Tridecafluor-1, 1,2,2,-tetrahydrooctyl)-1-Trichlorsilan (TFOCS)), in einem silanisierten Exsikkator jar (ohne Trocknung Pellets), die an eine Unterdruckquelle. Der Exsikkator Kammer muß in einem Laborabzug wegen der korrosiven Eigenschaften von TFOCS Dämpfe befinden.
   
   
3. Legen Sie einen kleinen Teil der saugfähigen Papiertuch in den Exsikkator Kammer. Fügen Sie einen Tropfen TFOCS dem Papiertuch und evakuieren die Luft aus der Kammer. Bewerben Vakuum für 1 min und auszuschalten. Schließen Sie das Vakuum und damit 30 min für die Abscheidung. Halten Sie den Meister in geschlossenen Behältern für die zukünftige Verwendung.

Replica Formen von PDMS von den Meistern

1. Die fluidische Schicht und die Kontrolle Schicht durch Replikat des PDMS von SU-8 Meister gemacht.
   
   
2. Gründlichem Mischen PDMS pre-Polymer und Vernetzer (10:1 wt. Ratio), de-Blase in einem Exsikkator für 10-15 min, bis Bläschen klar.
   
   
3. Cut Silikonschlauch in 1-2 cm lange Stücke schneiden. Wählen Sie die passende Größe der Schläuche je nach Anwendung. Wir verwenden 1,14 mm ID Schläuche hier für den einfachen Anschluss an 1 / 16 Zoll Außendurchmesser später.
   
   
4. Verwenden Sie Duco ® Cement zu kleben Schlauch auf den Einlass Regionen der SU-8 Meister der Steuerungsebene. Seien Sie vorsichtig, nicht zu viel Kleber verwenden, da die Silikonschlauch aus den gleichen Komponenten wie PDMS hergestellt wird, und der Schlauch wird in die PDMS Mikrofluidikvorrichtung eingebettet werden, wodurch Luft-und Fluidik-dichte /-Dosen.
   
   
5. In unserer Einrichtung werden Einlass Regionen auf die Masken der beiden fluidischen und die Kontrolle Schichten entwickelt, aber Silikonschlauch Buchten sind nur in einer Schicht (z. B. Control Layer) des Gerätes geformt. So erstellen Sie Buchten, die Fluidik-Schicht, wir manuell entfernen oder Punktion der wenigen Bereiche der Membran, die den Einlass Regionen zu decken. Deshalb wird nach Ausrichtung und Montage werden alle Mikrokanäle (diejenigen, die Strömung sowie diejenigen, die die Ventile steuern tragen) zugänglich von der Oberseite des Gerätes, so dass die untere Fläche ist eben, so dass die Abbildung der Geräte auf einem herkömmlichen Mikroskop Bühne.
   
   
6. Sorgfältig pour de-sprudelte PDMS auf die beiden Meister, um den Schlauch in der Kontroll-Schicht zu meistern. De-Blase wieder in einem Exsikkator. Nach de-sprudelnden abgeschlossen ist, in 65 ° C im Ofen für> 1 Stunde zum Aushärten gebracht.
   
   
7. Entfernen geheilt PDMS-bedeckten Meister aus dem Ofen.
   
   
8. Cut einzelnen Geräte von den Meistern (jeweils Master enthält drei identische Geräte) und abziehen.
   
   
9. Entfernen Kleber vom Einlass Regionen mit einer Nadel oder einer Pinzette.
   
   
10. Nehmen Sie die Kontrolle Schicht PDMS in den Reinraum.

Thin PDMS-Membran Fertigung

1. Wie in dem Gerät grundsätzlich dargestellt, besteht die mittlere Schicht einer ~ 12 Mikrometer dicke PDMS-Membran.
   
   
2. Mix 10.01 wt. Verhältnis von PDMS Präpolymer / Härter-Gemisch mit Hexan (3:1 Gew.. ratio) durch Vortexen.
   
   
3. Verschieben in einen Reinraum. (A staubfreie Umgebung ist entscheidend dafür, dass die PDMS Membranen frei von Mängeln ist; Staubpartikel können in Membranen, die Löcher und / oder fehlerhaft, um die Replik Form gebunden Ergebnis.)
   
   
4. Legen Sie eine silanisierte 3-Zoll-Durchmesser-Wafer auf, um das Vakuum Futter einer Solitec Spinner. Der Wafer muss silanisiert (derivatisiert mit Fluorsilan) vor dem PDMS Spinnen, um die Freilassung der PDMS von Silizium-Oberflächen erleichtern. Die Teflon Schüssel außerhalb des Futters wurde mit Kunststoff-Folie zur einfachen Reinigung gewickelt.
   
   
5. Dispense 2-3 ml PDMS / Hexan-Gemisch auf den Wafer mit einer 18-Gauge-Injektionsnadel (zur Minimierung von Blasen).
   
   
6. Set Spin-Parameter. Spin bei 7000 rpm für 30 sec, was zu einem PDMS-Film von ~ 12 mu m Dicke.
   
   
7. Heizen Sie den Wafer bei 85 ° C für 4 min auf einer Heizplatte auf die PDMS-Film zu heilen.

Multilayer PDMS Gerät Bindung und Montage

1. Legen Sie die Kontrolle-Schicht und der PDMS-Membran in einer Sauerstoff Plasmakammer. Schalten Sie Plasma für 30 sec (Sauerstoffdruck 30 psi, Durchfluss 3-5 SCFH, 550W). Bringen Sie die Kontrolle Schicht in Kontakt mit der PDMS-Membran sofort (innerhalb von 5 Minuten) nach Sauerstoff-Aktivierung. System-Parameter, wie Sauerstoff Druck, Durchfluss und Plasma-Leistung und Behandlungszeit, sind empirisch nach unterschiedlichen Anwendungen konfiguriert.
   
   
2. Warten Sie 5 min, und entfernen Sie die Kontrolle Schicht vom Wafer zusammen mit der Membran.
   
   
3. Entfernen Membranen auf den Einlässen Bereichen, so dass beide Kontroll-und Fluidik-Schichten von oben zugänglich über Schläuche sind.
   
   
4. Richten Sie die Control Layer (mit Schläuchen als Einlässe) mit der Fluidik-Schicht (planaren) unter einem Stereoskop. Da PDMS-Dichtungen auf PDMS, ist keine dauerhafte Verbindung benötigt.

Computer-gesteuerten Öffnen und Schließen von PDMS Mikroventile von Vakuum oder Druck

1. Nach Gerät Ausrichtung und Montage, legen Sie 1 / 16 Zoll OD (1 / 32 inch ID) Tygon-Schlauch in die 1,14 mm ID Silikon Buchten und verbinden Sie die Eingänge, um den Druck-Quellen oder dem fluidischen Stauseen.
   
   
2. Zum Öffnen und Schließen von Ventilen, sind Drücke von einem Vakuum-Leitung und einem Luftdruck Linie durch zwei Druckregler zu einer Reihe von Miniatur-Drei-Wege-Magnetventile angeschlossen gesteuert.
   
   
3. Die Magnetventile sind Datenerfassungsgeräte von National Instruments Hardware über Labview-Software gesteuert wird.
   
   
4. Bedienung des Gerätes und Membranauslenkung visualisiert mit einer Farb-CCD-Kamera (SPOT RT, Diagnostic Instruments, Sterling Heights, MI).

Parallel Vermischung von zwei unterschiedlichen Farbstoffen in verschiedenen definierten Nanoliterbereich

Wir zeigen den Betrieb eines parallel Mixer, der für die Lagerung und Mischen präzise Sub-Nanoliter von wässrigen Lösungen bei verschiedenen Mischungsverhältnissen ermöglicht:

1. Die fluidische Schicht enthält zwei Arrays Mikrokammern: Entlang Array A, der Größe des Mikrokammern abnimmt, ausgehend von der linken Seite, von 200 um x 400 um bis 200 um x 40 um; A ₁₀ ist ein 500 um x 40 um Kammer und wird verwendet nur für fluidische Verbindung in Array A; auf der rechten Seite der Kammer A ₁₀ ist eine Reihe von Kammern symmetrisch zunehmende in Größen. Die Kammern in Array B sind so ausgelegt, dass das zusätzliche Volumen von je zwei benachbarten Kammern in verschiedenen Reihen immer gleich. A _0, A _0r und B _10, B _10r als jeweilige Steuerungen für Lösungen A und B ohne Mischen konzipiert.
   
   
2. Die Steuerung Schicht hat zwei unabhängig gesteuerte Sätze von Ventilen. Eine Reihe von Ventilen {V _1} wird verwendet, um Zwei-Kammer-Arrays mit ihren jeweiligen Eingängen zu verbinden, während ein zweiter Satz von Ventilen {V _2} wird verwendet, um jedes Paar von Kammern in den beiden Arrays zu verbinden.
   
   
3. Füllen Sie den Mikrokammern durch Öffnen des Ventils Menge _{1} V zu fließen zwei Farbstofflösungen auf Arrays A und B, bzw. zu ermöglichen. Flow of Lösungen können entweder von Hand oder durch Vakuum erreicht werden Zug gesteuert mit Magnetventilen. Wenn Luftblasen in der Mikrokammern Formular können weitere Lösung gestoßen, um die Luftblasen zu entfernen, oder kann das Gerät für ein paar Minuten und Blasen gelassen werden verschwinden aufgrund der Luftdurchlässigkeit von PDMS.
   
   
4. Schließen Sie das Ventil Menge _{1} V an jede Kammer in beiden Arrays zu isolieren.
   
   
5. Ventil öffnen set {V _2}, damit Flüssigkeit Vermischung zwischen benachbarten Kammern in verschiedenen Arrays. Mischen dauert nur ~ 1-2 min für diese Bände komplett.
   
   
6. Schließen Sie {V _2}, um die Flüssigkeit zurückzudrängen jedem fluidische Kammer und Kammern verformen zurück in ihre ursprüngliche Form zurück. Da die beiden Fluidik-Arrays mit Kammern von 11 verschiedenen Größen sind so konzipiert, sind 11 verschiedene Mischungsverhältnisse in einem einzigen Mischschritt produziert.

Ein integrierter Mikrofluidik-System für computergesteuerte Perfusion von mikrofluidischen Zellkulturen

Wir zeigen, einem mikrofluidischen System, das in der Lage die automatisierte Perfusion von mehreren Lösungen für eine einzelne Zellkulturkammer ist. DieEingänge sind durch Mikroventile, die in beliebiger Reihenfolge der einzelnen Buchten, verschiedene Kombinationen, oder alle auf einmal aktiviert werden kann kontrolliert werden. Das Gerät ist in der Lage, Steigungen oder Mischungen aus den verschiedenen Lösungen.

Dieses Gerät besteht ebenfalls aus drei Schichten: einer fluidischen Schicht, eine Kontrolle Schicht, und eine mittlere dünne PDMS-Membran.

Alternative Fertigungsschritte für dieses Gerät:

1. Die Einlass-Ports für die fluidischen Kanäle und Kontrolle Kanäle sind "ausgestanzt" mit einem Durchmesser von 1,2 mm Harris Micro-Punch (Ted Pella, Inc.). Der Schlauch ist zu den Einlässen mit abgestumpften 18 Gauge Nadeln, die in der PDMS durch die Kontrolle Schicht eingefügt verbunden. Dies ermöglicht eine dichtere Packung der Buchten als die Silikonschlauch. Die Einhaltung der PDMS bleibt dicht um die Nadeln effektiv zu liefern Flüssigkeits-oder Luftdruck.
   
   
2. Wie zuvor beschrieben, ist die Bindung der dünne PDMS-Membran auf der Steuerungsebene erfolgt mit Einwirkung von Sauerstoff-Plasma.
   
   
3. Die fluidische Schicht wird durch Replikat mit PDMS pre-Polymer und Vernetzer in einem Verhältnis von 5:1 hergestellt und teilweise Härtung für 25 Minuten bei 60 ° C in einem Umluftofen. An diesem Punkt ist die teilweise gehärtete fluidische Schicht noch klebrig, aber es kann vom Master entfernt werden.
   
   
4. Die fluidische Schicht wird manuell auf den vormontierten Steuerung und Membranschichten mit einem Stereoskop ausgerichtet. Das montierte Gerät wird dann auf einer Heizplatte für 5 Minuten platziert bei 80 º C. Als nächstes werden die Ventilsteuerung Zeilen in die automatisierte Steuerung verbunden und die Ventile betätigt werden, bis die Membran löst sich von fluidischen Schicht überhaupt die Ventilsitze durch Anlegen von Vakuum. Nach dem "Abnehmen" der Ventile, ist der Computer-Controller zu Zyklus die Ventile ein-und ausschalten gesetzt, während das Gerät weiter auf der Heizplatte bei 80 º C für mindestens 1 Stunde gehärtet.
   

Die Merkmale unseres integrierten mikrofluidischen System: Das Gerät ist in der Lage automatisiert Perfusion von 16 verschiedenen Lösungen für eine Zellkulturkammer mit einem Multiplex-Ventile Schema. Der Kanal-Design sorgt dafür, dass der Widerstand aller Buchten ausgewogen ist. Unsere Mikroventil Design isoliert Lösungen und steuert Spülung durch integrierte Kanäle für die schnelle Beseitigung von Flüssigkeit, die Kreuzkontamination Grenzen. Ein integriertes Fischgrät-Mixer können aktiviert werden, um Mischungen aus verschiedenen Buchten zu produzieren. Darüber hinaus gibt es vier unterschiedliche Widerstand Kanäle aktiviert, um den Durchfluss zu ändern können.

Discussion

Die wichtigsten Vorteile unserer Mikroventil Design:

1. Keine zusätzlichen Energiequelle benötigt wird, um die fluidische Pfad zu schließen, damit die geladenen Gerät ist portabel und
2. Das Gerät kann von PDMS Repliken von photolithographisch gemusterten SU-8 Formen gebaut werden, so dass für microfabricating tief (bis zu 1 mm) Kanäle mit senkrechten Seitenwänden (dh die Höhe des Features können unabhängig von ihrer Breite angegeben werden) und führt zu sehr präzise Funktionen.

Vorteile der parallelen Mischer:

1. Es ist einfach herzustellen und einfach zu steuern.
2. Die Bände sind photolithographisch definiert und damit sehr präzise.
3. Fluid-und Reagenzien können in der Kleinstgerätes für mehrere Tage gelagert werden, so dass für portable Assays.
4. Bemerkenswert ist, dass PDMS biokompatibel, so dass das Gerät eine breite Anwendbarkeit in miniaturisierten Diagnostik-Assays sowie in Zell-basierte Assays, wie Wirkstoff-Screening und Enzym-basierten Biomolekül-Erkennung hat.

Vorteile des integrierten mikrofluidischen Perfusionskammer:

1. Es ist in der Lage die automatisierte Perfusion mehrerer Chemikalien-Lösungen zu einem einzigen Zellkulturkammer.
2. Die Eingänge sind durch Mikroventile, die in beliebiger Reihenfolge der einzelnen Buchten, verschiedene Kombinationen, oder alle auf einmal aktiviert werden kann kontrolliert werden.
3. Das Gerät ist in der Lage, Steigungen oder Mischungen aus den verschiedenen Lösungen.

Main-Warnungen für die Herstellungsverfahren:

1. Eine staubfreie Umgebung ist entscheidend bei der PDMS-Membran Herstellung, was bedeutet, dass die Membranen frei von Mängeln ist gewährleistet.

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