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Biology

Chips Microfluidic controllati con le matrici elastomeriche microvalvola

doi: 10.3791/296 Published: October 1, 2007

Summary

Dimostriamo protocolli per la produzione e l'automazione elastomeriche polidimetilsilossano (PDMS) a base di array microvalvola che non hanno bisogno di energia supplementare per chiudere e dispongono photolithographically definito volumi precisi. Un parallelo subnanoliter-volume del mixer e un sistema integrato di perfusione microfluidica sono presentati.

Abstract

Sistemi miniaturizzati microfluidici fornire soluzioni semplici ed efficaci a basso costo point-of-care diagnostica e analisi biomediche high-throughput. Controllo del flusso robusto e preciso volumi fluidici sono due requisiti fondamentali per queste applicazioni. Abbiamo sviluppato chip microfluidica con elastomerica polidimetilsilossano (PDMS) array microvalvola che: 1) non hanno bisogno di fonti di energia supplementare per chiudere il percorso fluidico, da cui il dispositivo di caricamento è molto portabile e 2) consentire microfabricating profonde (fino a 1 mm) canali con pareti verticali e con conseguente caratteristiche molto precise.

Il microvalvole dispositivi basati su PDMS sono costituiti da tre strati: uno strato fluido contenente percorsi fluidici e microchambers di varie dimensioni, uno strato di controllo che contiene il microcanali necessario attivare il percorso fluidico con microvalvole, e un mezzo sottile membrana PDMS che è legato al controllo strato. Strato fluidico e livelli di controllo sono realizzati per stampaggio replica del PDMS da SU-8 maestri photoresist, e la sottile membrana PDMS è fatta da spinning PDMS ad altezze specificate. Il livello di controllo è legato alla membrana sottile PDMS dopo l'attivazione di ossigeno di entrambe, e poi assemblati con lo strato fluido. Le microvalvole sono chiusi a riposo e può essere aperto mediante l'applicazione di pressione negativa (ad esempio, vuoto casa). Microvalvola chiusura e apertura sono automatizzate tramite elettrovalvole comandate da un software.

Qui dimostriamo due chip microfluidica microvalvola-based per due diverse applicazioni. Il primo chip permette di memorizzare e la miscelazione precisa sub-nanolitri volumi di soluzione acquosa a diversi rapporti di miscelazione. Il secondo chip permette di controllo computerizzato perfusione di colture cellulari microfluidica.

I dispositivi sono facili da fabbricare e semplice da controllare. A causa della biocompatibilità di PDMS, questi microchip potrebbe avere vaste applicazioni in dispositivi miniaturizzati test diagnostici di base così come studi di biologia cellulare.

Protocol

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Dispositivo di design Microfluidic utilizzando CorelDraw o AutoCAD

Principio di PDMS microvalvole dispositivi basati su: I dispositivi sono costituiti da tre strati: uno strato fluido contenente microchambers di varie dimensioni, un "livello di controllo" contenente le microcanali necessario attivare il percorso fluidico con microvalvole, e un mezzo sottile membrana PDMS associato per il livello di controllo. A riposo, a causa della conformità e idrofobicità di PDMS, le guarnizioni membrana (reversibile) contro la sua sede, quindi le camere rimangono isolate le une dalle altre, senza apporto di energia. Le valvole possono essere aperte mediante l'applicazione di pressione negativa (ad esempio, vuoto casa), per cui la membrana PDMS devia verso il basso e si separa dalla superficie che supporta il muro tra due camere fluidico, collegando quindi il percorso fluidico. Chiusura della valvola può essere ottenuto a cambiare la regolazione della pressione dal vuoto alla pressione atmosferica.

Strato fluidico e modelli livello di controllo sono stati progettati utilizzando CorelDraw o il software AutoCAD. Maschere che contengono questi disegni sono stati stampati ad alta risoluzione (8.000 a 20.000 dpi) su film trasparenza attraverso servizi commerciali (CAD / Arte, Bandon, OR) (maschere non mostrato).

Fabbricazione di maestri silicio utilizzando le normali SU-8 fotolitografia

  1. Standard di SU-8 metodi di fotolitografia utilizzati per creare SU-8 "maestri" (SU-8 2050, MicroChem, Newton, MA) per lo strato di microfluidica e il livello di controllo della valvola in una camera sterile (non mostrato in questo video).

  2. Per facilitare il rilascio, prima della replica PDMS il SU-8, maestri erano silanizzata dall'esposizione a un vapore di un fluorosilane ((tridecafluoro-1, 1,2,2,-tetrahydrooctyl)-1-triclorosilano (TFOCS)), in un essiccatore vaso (senza seccare pellet) collegato a una fonte di vuoto. La camera di essiccatore deve essere posizionato all'interno di una cappa chimica a causa dei fumi alla natura corrosiva dei vapori TFOCS.

  3. Mettere una piccola porzione di un tovagliolo di carta assorbente all'interno della camera essiccatore. Aggiungere una goccia di TFOCS al tovagliolo di carta e di evacuare l'aria dalla camera. Applicare il vuoto per 1 minuto e spegnere. Chiudere il vuoto e attendere 30 minuti per la deposizione. Tenere il master in contenitori chiusi per un uso futuro.

Stampaggio replica del PDMS dai maestri

  1. Lo strato fluidico e il livello di controllo sono realizzati per stampaggio replica del PDMS SU-8 da padroni.

  2. Alla miscelazione PDMS pre-polimero e cross-linker (10:1 in peso. Ratio), de-bolla in un essiccatore per 10-15 minuti fino a quando bolle chiaro.

  3. Tagliare tubo in silicone in 1-2 pezzi cm di lunghezza. Scegli la dimensione appropriata del tubo a seconda dell'applicazione. Utilizziamo tubi 1,14 mm ID qui per una facile connessione a 1 / 16 pollice tubo con diametro esterno più tardi.

  4. Usa Duco Cemento ® per tubi di colla sul regioni entrata del SU-8 padrone del livello di controllo. Fare attenzione a non usare troppa colla, come il tubo in silicone è costituito dai componenti stessi PDMS, e il tubo verrà incorporato nel dispositivo PDMS microfluidica, la creazione di prese d'aria e fluido stretto / punti vendita.

  5. Nel nostro dispositivo, le regioni di aspirazione sono stati progettati sulle maschere di entrambi i fluidi e gli strati di controllo, ma insenature tubi al silicone sono modellati solo in un unico livello (ad esempio, livello di controllo) del dispositivo. Per creare ingressi per lo strato di fluidica, abbiamo rimuovere manualmente o forare le poche sezioni della membrana che comprenderà le regioni d'ingresso. Pertanto, dopo l'allineamento e il montaggio, tutte microcanali (quelli che portano il flusso così come quelli che controllano le valvole) sono accessibili dalla parte superiore del dispositivo in modo che la superficie inferiore è planare, consentendo l'imaging del dispositivo su un palco microscopio convenzionale.

  6. Versare con cura de-bolle PDMS su entrambi i maestri, attorno al tubo nel controllo a livello di master. De-bolla di nuovo in un essiccatore. Dopo aver de-bolle è completo, messo in forno a 65 ° C per> 1 ora per la stagionatura.

  7. Rimuovere curato PDMS coperte maestri del forno.

  8. Tagliare i singoli dispositivi dai maestri (ogni master contiene tre dispositivi identici) e spegnere buccia.

  9. Rimuovere la colla dalle regioni di ingresso con un ago o un paio di pinze.

  10. Prendere il controllo strato PDMS in camera bianca.

PDMS sottile membrana di produzione

  1. Come mostrato nel principio dispositivo, lo strato centrale è costituito da un ~ 12 micron di spessore della membrana PDMS.

  2. Mescolare 10:01 peso. rapporto di PDMS Prepolimero / miscela catalizzatore con esano (3:1 in peso. ratio) vortexando.

  3. Entrare in una stanza pulita. (Un ambiente privo di polvere è fondamentale per garantire che le membrane PDMS sono esenti da difetti, le particelle di polvere può provocare membrane contenenti fori e / o difettoso legata allo stampo replica.)

  4. Mettere un silanizzata 3 pollici di diametro di wafer sual mandrino vuoto di un filatore Solitec. Il wafer deve essere silanizzato (derivatizzati con fluorosilane) prima di PDMS filatura per facilitare il rilascio di PDMS da superfici di silicio. La ciotola in Teflon al di fuori del mandrino è stato avvolto con una pellicola in plastica per una facile pulizia.

  5. Dispensare 2-3 ml di PDMS / Esano miscela sul wafer utilizzando un ago calibro 18 siringa (per ridurre al minimo le bolle).

  6. Impostare i parametri di spin. Rotazione a 7000 rpm per 30 secondi, risultando in un film di PDMS ~ spessore 12 micron.

  7. Riscaldare il wafer a 85 ° C per 4 minuti su una piastra calda per curare il film PDMS.

Multistrato PDMS dispositivo incollaggio e montaggio

  1. Mettere il livello di controllo e la membrana PDMS in una camera di plasma di ossigeno. Accendere il plasma per 30 sec (30 psi di pressione ossigeno, portata 3-5 SCFH, 550W). Portare il livello di controllo in contatto con la membrana PDMS immediatamente (entro 5 minuti) dopo l'attivazione di ossigeno. Parametri di sistema, come la pressione di ossigeno, portata e potenza plasma e tempo di trattamento, sono empiricamente configurate in base alle diverse applicazioni.

  2. Attendere 5 minuti, e rimuovere lo strato di controllo dal wafer con la membrana.

  3. Rimuovere le membrane sulle aree prese in modo che sia il controllo e strati fluidico sono accessibili dalla parte superiore tramite tubo.

  4. Allineare il livello di controllo (con tubi di insenature) con lo strato fluidica (planare) sotto uno stereoscopio. Perché guarnizioni PDMS su PDMS, nessun legame permanente è necessaria.

Controllati dal computer di apertura e chiusura di microvalvole PDMS di vuoto o di pressione

  1. Dopo Dispositivo di allineamento e il montaggio, inserire 1 / 16 di pollice OD (1 / 32 ID pollici) tubazione Tygon nelle insenature 1,14 mm ID silicone e collegare gli ingressi alle fonti di pressione o serbatoi fluido.

  2. Per aprire e chiudere le valvole, le pressioni sono controllate da una linea di vuoto e una linea di pressione collegato tramite due regolatori di pressione per una serie di miniature a tre vie elettrovalvole.

  3. Le elettrovalvole sono collegate all'acquisizione di National Instruments dati hardware controllato via software Labview.

  4. Funzionamento del dispositivo e la deflessione della membrana sono visualizzati con un colore CCD (SPOT RT, strumenti diagnostici, Sterling Heights, MI).

Parallelo la miscelazione di due coloranti colore diverso in diversi volumi nanoliter definito

Noi dimostrare il funzionamento di un mixer parallelo che permette di memorizzare e la miscelazione precisa sub-nanolitri volumi di soluzione acquosa a diversi rapporti di miscelazione:

  1. Lo strato fluidico contiene due array di microchambers: Lungo serie A, la dimensione del microchambers diminuisce, a partire da sinistra, da 200 micron x 400 micron a 200 micron x 40 micron; A 10 è un micron 500 x 40 micron da camera ed è utilizzati solo per la connessione fluidica in array A, a destra della camera di A 10 è un insieme di stanze simmetricamente l'aumento nelle dimensioni. Le camere in B array sono progettati in modo tale che il volume aggiunto di ogni due camere adiacenti in diverse righe sempre uguale. A 0, 10r 0r A e B 10, B sono concepiti come rispettivi controlli per le soluzioni A e B senza mescolare.

  2. Il livello di controllo ha due controllati in modo indipendente serie di valvole. Una serie di valvole 1} {V viene utilizzata per collegare due array da camera con i loro rispettivi insenature, mentre una seconda serie di valvole a V 2 {} viene utilizzata per collegare ogni coppia di camere a due array.

  3. Riempire il microchambers aprendo set rubinetto 1} {V per permettere il flusso di due soluzioni coloranti per gli array A e B, rispettivamente. Portate di soluzione può essere raggiunta sia a mano o sotto vuoto tirando controllato con elettrovalvole. Se le bolle d'aria forma nel microchambers, più soluzione può essere spinto per rimuovere le bolle, o il dispositivo può essere lasciato per qualche minuto e bolle scompariranno a causa della permeabilità all'aria di PDMS.

  4. Chiudere la valvola di 1} {V per isolare ogni camera in entrambi gli array.

  5. Valvola di insieme aperto {V 2} per consentire la miscelazione dei fluidi tra le camere adiacenti in array differenti. ~ Miscelazione richiede solo 1-2 minuti per portare a termine questi volumi.

  6. Chiudere 2} {V per spingere il liquido torna a ciascuna camera fluidica e camere di deformare tornare alla loro forma originale. Dal momento che i due array fluidico sono stati progettati con le camere di 11 misure diverse, 11 differenti rapporti di miscelazione sono prodotte in un unico passaggio di miscelazione.

Un sistema integrato per microfluidica controllati dal computer perfusione di colture cellulari microfluidica

Noi dimostrare un sistema di microfluidica che è in grado di perfusione automatica di molteplici soluzioni per una camera singola coltura cellulare. Ilingressi sono controllati da microvalvole, che può essere attivato in ogni singola sequenza di insenature, varie combinazioni, o tutti insieme. Il dispositivo è in grado di produrre sfumature o miscele di varie soluzioni.

Questo dispositivo è composto anche da tre strati: uno strato fluido, un livello di controllo, e un mezzo sottile membrana PDMS.

Passi di fabbricazione alternativa per il dispositivo:

  1. Le porte di ingresso per i canali fluidici e canali di controllo sono "pugni" con un diametro di 1,2 millimetri Harris Micro-Punch (Ted Pella, Inc.). Tubo è collegato alle prese utilizzando smussati 18 aghi calibro che vengono inseriti per il PDMS attraverso lo strato di controllo. Questo permette un imballaggio più densa di insenature che il tubo di silicone. La conformità del PDMS offre una tenuta di tutto il aghi per essere attuata efficacemente fluido o pressione pneumatica.

  2. Come precedentemente descritto, l'incollaggio della membrana sottile PDMS al livello di controllo viene eseguito utilizzando l'esposizione a plasma di ossigeno.

  3. Lo strato fluidico è preparato da stampaggio replica con PDMS pre-polimeri e cross-linker con un rapporto di 5:1 e in parte la cura per 25 minuti a 60 ° C in un forno a convezione. A questo punto, il livello parzialmente curata fluidica è ancora cattivo gusto, ma può essere rimosso dal master.

  4. Lo strato fluidico manualmente è allineato al pre-assemblati di controllo e strati di membrana con uno stereoscopio. Il dispositivo assemblato viene posto su una piastra per 5 minuti a 80 º C. Quindi, le linee di valvole di controllo sono collegati al controller automatico e le valvole sono azionate fino a quando la membrana si stacca dallo strato fluido in tutte le sedi delle valvole mediante l'applicazione di vuoto. Dopo "staccare" le valvole, il controller computer è impostato per scorrere le valvole e fuori mentre il dispositivo è inoltre curato il piano di cottura a 80 ° C per almeno 1 ora.

Le caratteristiche del nostro sistema integrato di microfluidica: il dispositivo è in grado di perfusione automatica di 16 diverse soluzioni per una camera di coltura cellulare utilizzando un sistema di valvole multiplex. La progettazione dei canali assicura che la resistenza di tutte le insenature è equilibrata. Il nostro design microvalvola isola soluzioni e controlli risciacquo attraverso canali integrati per la rimozione rapida di liquido, che limita la contaminazione incrociata. Un mixer integrato a spina di pesce può essere attivato per produrre miscele di diverse insenature. Inoltre, ci sono quattro canali resistenza variabile che può essere attivata per modificare la portata.

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Discussion

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I principali vantaggi del nostro design microvalvola:

  1. Nessuna fonte di energia supplementare è necessario per chiudere il percorso fluidico, da cui il dispositivo caricato è facilmente trasportabile e
  2. Il dispositivo può essere costruita da repliche PDMS da photolithographically-fantasia SU-8 stampi, consentendo microfabricating profonde (fino a 1 mm) canali con pareti laterali verticali (cioè l'altezza delle caratteristiche possono essere specificati indipendentemente dalla loro larghezza) e la conseguente molto caratteristiche precise.

I vantaggi del miscelatore parallelo:

  1. E 'facile da fabbricare e semplice da controllare.
  2. I volumi sono photolithographically definiti e, quindi, molto preciso.
  3. Fluidi e reagenti possono essere memorizzate nel Microdevice per diversi giorni, consentendo analisi altamente portabile.
  4. In particolare, PDMS è biocompatibile, in modo che il dispositivo è dotato di ampia applicabilità miniaturizzati test diagnostici così come in saggi cellulari come screening di stupefacenti a base di enzimi e di rilevamento biomolecole.

Vantaggi della camera integrata perfusione microfluidica:

  1. E 'in grado di perfusione automatica di molteplici soluzioni di prodotti chimici per una camera singola coltura cellulare.
  2. Le prese sono controllati da microvalvole, che può essere attivato in ogni singola sequenza di insenature, varie combinazioni, o tutti insieme.
  3. Il dispositivo è in grado di produrre sfumature o miscele di varie soluzioni.

Principali precauzioni per i processi di fabbricazione:

  1. Un ambiente privo di polvere è fondamentale durante la fabbricazione della membrana PDMS, che assicura che le membrane siano privi di difetti.

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Acknowledgments

Questo lavoro è stato sostenuto dal National Institute of Biomedical Imaging e concedere Bioingegneria # EB003307 e dalla carriera Premio Nazionale Science Foundation su 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).
Chips Microfluidic controllati con le matrici elastomeriche microvalvola
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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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