Mikroflödessystem Chips kontrolleras med Arrays Elastomerisk Microvalve

Summary

Vi visar protokoll för tillverkning och automatisering av elastomer Polydimetylsiloxan (PDMS)-baserade microvalve arrayer som behöver någon extra energi för att stänga och har photolithographically definieras exakt volymer. En parallell subnanoliter volymer mixer och ett integrerat mikroflödessystem perfusion systemet presenteras.

Abstract

Miniatyriserade mikroflödessystem system ger enkla och effektiva lösningar för billig point-of-care diagnostik och hög genomströmning biomedicinska analyser. Robust flödeskontroll och exakt fluidic volymerna är två viktiga krav för dessa tillämpningar. Vi har utvecklat mikroflödessystem marker med elastomer Polydimetylsiloxan (PDMS) microvalve arrayer att: 1) behöver ingen extra energikälla för att stänga fluidic banan, därav den laddade enheten är mycket portabel, och 2) möjliggöra microfabricating djup (upp till 1 mm) kanaler med vertikala sidoväggar och resulterar i mycket exakta funktioner.

De PDMS mikroventiler-baserade enheter består av tre skikt: ett fluidic skikt innehållande fluidic stigar och microchambers i olika storlekar, en kontroll lager som innehåller mikrokanaler som krävs för att aktivera fluidic väg med mikroventiler, och en mitt tunna PDMS membran som är bunden till kontrollen skikt. Fluidic skikt och lager kontroll görs av replica gjutning av PDMS från SU-8 fotoresist mästare, och den tunna PDMS membranet görs genom att snurra PDMS med angivna höjder. Kontrollen lagret är bundna till den tunna PDMS membranet efter syre aktivering av båda, och sedan monteras med fluidic lagret. Den mikroventiler är stängda i vila och kan öppnas genom att undertryck (t ex hus vakuum). Microvalve stängning och öppning är automatiserade via magnetventiler som styrs av datorprogram.

Här visar vi två microvalve-baserade mikroflödessystem marker för två olika tillämpningar. Den första kretsen möjliggör lagring och blanda exakt sub-metod i nanoliter volymer av vattenlösningar med olika blandningsförhållanden. Den andra chip möjliggör datorstyrda perfusion av mikrofabricerade cellkulturer.

Enheterna är enkla att tillverka och enkel att styra. På grund av biokompatibilitet av PDMS kunde dessa mikrochips har bred tillämpningar i miniatyriserade diagnostiska analyser samt grundläggande cellförsök biologi.

Protocol

Mikroflödessystem enhet design med CorelDraw eller AutoCAD

Principen om PDMS mikroventiler-baserade enheter: enheter som består av tre skikt: ett fluidic skikt innehållande microchambers i olika storlekar, en "kontroll lager" som innehåller mikrokanaler som krävs för att aktivera fluidic väg med mikroventiler, och en mitt tunna PDMS membran som är bunden till kontroll lagret. I vila, på grund av efterlevnad och hydrofobicitet PDMS, membranet tätningar (reversibelt) mot sitt säte, därför kamrarna hållas isolerade från varandra utan tillförd energi. Ventiler kan öppnas genom att undertryck (t ex hus vakuum), så PDMS membranet deformeras ner och separerar från ytan som stöder väggen mellan två fluidic kamrarna, vilket ansluter fluidic vägen. Valve stängning kan uppnås genom att byta trycket inställningen från vakuum till atmosfärstryck.

Fluidic lager och kontroll mönster lagret var utformade med CorelDraw eller AutoCAD. Masker som innehåller dessa mönster trycktes med hög upplösning (8.000 till 20.000 dpi) om insyn filmer via kommersiella tjänster (CAD / Konst tjänster, Bandon, OR) (masker visas inte).

Tillverkning av kisel mästare med standard SU-8 fotolitografi

1. Standard SU-8 var fotolitografiska metoder som används för att skapa SU-8 "mästare" (SU-8 2050, MicroChem, Newton, MA) för mikroflödessystem lagret och ventilstyrning lagret i ett renrum (visas inte i denna video).
   
   
2. För att underlätta frisläppandet, innan PDMS replikering SU-8, var mästare silaniseras av exponering för en ånga av en fluorosilane ((tridecafluoro-1, 1,2,2,-tetrahydrooctyl)-1-Trichlorosilane (TFOCS)), i en exsickatorn burk (utan att torka pellets) bifogas ett vakuum källa. Exsickatorn Kammaren skall vara placerat i en kemisk dragskåp på grund av den korrosiva naturen av TFOCS ångor.
   
   
3. Placera en liten del av absorberande papper handduk inne i exsickator kammaren. Tillsätt en droppe TFOCS till pappersduk och evakuera luft från kammaren. Tillsätt vakuum för 1 min och stäng av. Stäng vakuum och tillåter 30 min för nedfall. Håll mästarna i slutna behållare för framtida bruk.

Replika gjutning av PDMS av befälhavarna

1. Den fluidic lager och kontroll lagret görs av replica gjutning av PDMS från SU-8 mästare.
   
   
2. Grundligt blandning PDMS pre-polymer och cross-länkare (10:1 WT. Ratio), de-bubblan i exsickator i 10-15 min tills bubblor klart.
   
   
3. Skär silikonslang i 1-2 cm långa bitar. Välj lämplig storlek på slang beroende på användningsområde. Vi använder 1,14 mm ID slang här för enkel anslutning till 1 / 16 tum OD slang senare.
   
   
4. Använd Duco ® Cement att limma slangen på inloppet regioner i SU-8 befälhavare kontroll lagret. Var noga med att inte använda för mycket lim, eftersom silikonslang är tillverkad av samma komponenter som PDMS, och slangen kommer att bäddas in i PDMS mikroflödessystem enhet, skapa luft och fluidic tight inlopp / utlopp.
   
   
5. I vår enhet är inlopp regioner utformas på masker av både fluidic och lager kontroll, men silikonslang vikar är gjutna bara i ett lager (till exempel kontroll lager) på enheten. För att skapa inlopp till fluidic lager, tar vi bort manuellt eller punktera några avsnitt av membranet som täcker inloppet regionerna. Därför, efter justering och montering, alla mikrokanaler (de som bär flödet samt de som styr ventilerna) är tillgängliga från toppen av enheten så att botten ytan är plan, vilket möjliggör avbildning av enheten på ett konventionellt mikroskop skede.
   
   
6. Häll försiktigt de-bubblade PDMS på båda mästare, runt slangen i kontroll-lagers master. De-bubblan igen i en exsickator. Efter de-bubblande är klar tas i 65 ° C ugn i> 1 timme för att bota.
   
   
7. Ta bort härdat PDMS-täckt mästare från ugnen.
   
   
8. Klipp enskilda enheter av befälhavarna (varje mästare innehåller tre identiska enheter) och dra av.
   
   
9. Ta bort lim från inloppet regioner med hjälp av en nål eller en pincett.
   
   
10. Ta kontroll lagret PDMS i renrum.

Tunna PDMS Membran Manufacturing

1. Som framgår av enhetens princip består mitt lager av en ~ 12 ìm tjocka PDMS membran.
   
   
2. Blanda 10:01 WT. förhållandet PDMS prepolymer / härdare blandning med hexan (03:01 WT. ratio) genom att vortexa.
   
   
3. Flytta in i ett renrum. (En dammfri miljö är avgörande för att de PDMS membranen är fria från defekter, dammpartiklar kan resultera i membran som innehåller hål och / eller bristfälligt bunden till repliken mögel.)
   
   
4. Sätt ett silaniseras 3 tums diameter wafer påtill vakuum chuck med Solitec spinner. Rånet måste silaniseras (derivatiserade med fluorosilane) före PDMS spinning för att underlätta frisläppandet av PDMS från kisel ytor. Den Teflon skål utsidan av Chuck var lindade med plastfilm för enkel rengöring.
   
   
5. Tillsätt 2-3 ml av PDMS / hexan blandningen på rånet med en 18-Gauge injektionsnålen (för att minimera bubblor).
   
   
6. Ställ spin parametrar. Spin vid 7000 rpm i 30 sekunder, vilket resulterar i ett PDMS film av ~ 12 ìm tjocklek.
   
   
7. Värm rånet vid 85 ° C i 4 minuter på en värmeplatta för att bota PDMS filmen.

Multilayer PDMS enhet limning och montering

1. Sätt kontroll lagret och PDMS membran i en syre plasma kammare. Slå på plasma för 30 sek (syretrycket 30 psi, flöde 3-5 SCFH, 550W). Ta kontroll lagret i kontakt med PDMS membran omedelbart (inom 5 minuter) efter syre aktivering. System parametrar såsom syre tryck, flöde, och plasma makt och behandlingstiden är empiriskt konfigureras enligt olika applikationer.
   
   
2. Vänta 5 min och ta bort kontrollen lager från rånet tillsammans med membran.
   
   
3. Ta bort membran på inloppen områden så att både kontroll och fluidic lagren är tillgängliga från toppen via slangen.
   
   
4. Rikta kontroll lagret (med slang som vikar) med fluidic lager (plana) under en stereoskop. Eftersom PDMS sälar på PDMS är ingen permanent bindning krävs.

Datorstyrda öppning och stängning av PDMS mikroventiler genom vakuum eller tryck

1. Efter enhet justering och montering, sätt 1 / 16 tum OD (1 / 32 tum ID) Tygon slang in i 1,14 silikon mm ID inlopp och anslut inlopp till trycket källor eller fluidic reservoarer.
   
   
2. För att öppna och stänga ventiler, är trycket kontrolleras av ett vakuum linje och ett lufttryck linje ansluts via två tryckregulatorer för en rad miniatyr tre-vägs magnetventiler.
   
   
3. Magnetventilerna är kopplade till National Instruments datainsamling hårdvara kontrolleras via Labview programvara.
   
   
4. Enhet drift och membran nedböjning visualiseras med en CCD-kamera (SPOT RT, diagnostiska instrument, Sterling Heights, MI).

Parallell blandning av två olika färg färgämnen i olika definierade metod i nanoliter volymer

Vi visar driften av en parallell mixer som gör det möjligt för lagring och blandning exakt sub-metod i nanoliter volymer av vattenlösningar med olika blandningsförhållanden:

1. Den fluidic lager innehåller två kedjor av microchambers: Tillsammans matris A, storleken på microchambers minskar, med början från vänster, från 200 ìm x 400 ìm till 200 ìm x 40 ìm, A ₁₀ är en 500 ìm x 40 ìm kammare och är används bara för fluidic anslutning i Array A, till höger kammare A ₁₀ är en uppsättning kamrar symmetriskt ökar i storlek. Kamrarna i Array B är utformad så att den extra volymen av två angränsande avdelningar i olika rader alltid lika med. Ett _0, är en _0r och B _10, B _10R utformat som respektive reglage för lösningarna A och B utan att blanda.
   
   
2. Kontrollen skiktet har två oberoende kontrollerade uppsättningar av ventiler. En uppsättning av ventiler {V _1} används för att ansluta två kammare matriser med sina respektive vikar, medan en andra uppsättning av ventiler {V _2} används för att ansluta varje par av kamrarna i de två matriserna.
   
   
3. Fyll microchambers genom att öppna ventilen som {V _1} så att flödet av två Färglösningar till matriser A och B, respektive. Flöde av lösningar kan uppnås antingen för hand eller med vakuum dra kontrolleras med magnetventiler. Om luftbubblor bildas i microchambers kan mer lösning skjutas för att ta bort bubblorna, eller enheten kan lämnas kvar i några minuter och bubblor försvinner på grund av luftgenomsläpplighet av PDMS.
   
   
4. Stäng ventilen som {V _1} att isolera varje kammare i båda matriser.
   
   
5. Öppna ventilen som {V _2} att låta vätskan blandning mellan angränsande kammare i olika matriser. Blandning tar bara ~ 1-2 min att färdigställa för dessa volymer.
   
   
6. Stäng {V _2} att trycka vätskan tillbaka till varje fluidic kammare och kamrar deformeras tillbaka till sin ursprungliga form. Eftersom de två fluidic matriserna är utformade med kamrarna i 11 olika storlekar, är 11 olika blandningsförhållanden produceras i en enda blandning steg.

Ett integrerat mikroflödessystem system för datorstyrda perfusion av mikrofabricerade cellkulturer

Vi visar en mikroflödessystem som kan den automatiserade perfusion av flera lösningar på en enda cell kultur kammare. Denvikar styrs av mikroventiler, som kan aktiveras i någon sekvens av enskilda vikar, olika kombinationer, eller alla på en gång. Enheten är kapabel att producera gradienter eller blandningar av de olika lösningarna.

Denna enhet består också av tre skikt: ett fluidic lager, ett kontroll lager och ett mitt tunna PDMS membran.

Alternativa tillverkning steg för denna enhet:

1. Inloppet portar för fluidic kanaler och kanaler kontroll "stansas" med en 1,2 mm diameter Harris Micro-Punch (Ted Pella, Inc.). Slangen är ansluten till vikarna genom att använda trubbiga 18 gauge nålar som sätts in i PDMS genom kontroll lagret. Detta medger en tätare packning av inkast än silikonslangar. Efterlevnaden av PDMS ger en tätning runt nålar för att effektivt leverera vätska eller pneumatiskt tryck.
   
   
2. Som tidigare beskrivits är bindning av den tunna PDMS membranet till kontrollen lagret åstadkommas med exponering för syre plasma.
   
   
3. Den fluidic lagret är utarbetad av replika gjutning med PDMS pre-polymer och cross-länkare i förhållandet 5:1 och delvis härdning i 25 minuter vid 60 ° C i en varmluftsugn. Vid denna punkt är delvis härdad fluidic lagret fortfarande tacky, men det kan avlägsnas från befälhavaren.
   
   
4. Den fluidic lagret manuellt anpassas till förmonterade kontroll och lager membran med hjälp av en stereoskop. Den samlade enheten placeras sedan på en värmeplatta i 5 minuter vid 80 º C. Därefter är de ventilstyrning anslutna till den automatiska kontrollen och ventiler aktiveras tills membranet lossnar från fluidic lager alls ventilsätena genom att tillämpa vakuum. Efter "loss" ventilerna, är datorn regulator som att cykla ventilerna på och av när enheten är vidare botas på kokplattan vid 80 º C i minst 1 timme.
   

Funktioner på vår integrerade mikroflödessystem: Enheten klarar av automatiserad genomblödningen i 16 olika lösningar för att en cellkultur kammare med hjälp av en multiplexade ventilsystem system. Kanalen design säkerställer att motståndet i alla vikar är balanserad. Vår microvalve konstruktion isolerar lösningar och kontroller skölja genom integrerad kanaler för det snabba avlägsnandet av vätska, vilket begränsar korskontaminering. En integrerad fiskbensmönstrad mixer kan aktiveras för att producera blandningar av olika vikar. Dessutom finns det fyra olika motstånd kanaler som kan aktiveras för att ändra flödet.

Discussion

Främsta fördelarna med vår microvalve design:

1. Ingen extra energikälla krävs för att stänga fluidic banan, därav den laddade enheten är mycket portabel, och
2. Enheten kan byggas av PDMS repliker från photolithographically-mönstrade SU-8 formar, vilket möjliggör microfabricating djup (upp till 1 mm) kanaler med lodräta sidoväggar (dvs höjden av funktionerna kan anges oberoende av deras bredd) och resulterar i mycket precisa funktioner.

Fördelar med parallella blandare:

1. Det är lätt att tillverka och enkel att styra.
2. Volymerna photolithographically definieras och därmed mycket precisa.
3. Fluid och reagenser kan lagras i microdevice i flera dagar, vilket möjliggör mycket bärbar analyser.
4. Noterbart är PDMS biokompatibla, så att enheten har bred tillämplighet i miniatyriserade diagnostiska analyser samt cellbaserade analyser som drog screening och enzym-baserade biomolekyler upptäckt.

Fördelar med den integrerade mikroflödessystem perfusion kammare:

1. Det kan den automatiserade genomblödningen i flera kemikalier lösningar till en enda cell kultur kammare.
2. Vikarna styrs av mikroventiler, som kan aktiveras i någon sekvens av enskilda vikar, olika kombinationer, eller alla på en gång.
3. Enheten är kapabel att producera gradienter eller blandningar av de olika lösningarna.

Huvudsakliga varnar för tillverkning processer:

1. En dammfri miljö är avgörande under PDMS membran tillverkning, som ser till att membranen är fria från defekter.

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