Login processing...

Trial ends in Request Full Access Tell Your Colleague About Jove
Click here for the English version

Biology

Elastomerik Mikrovalf Diziler Kontrollü mikroakışkan Chips

doi: 10.3791/296 Published: October 1, 2007

Summary

Biz elastomerik polidimetilsiloksan (PDMS)-tabanlı photolithographically tanımlanan hassas birimleri kapatın ve özellik için ekstra enerji ihtiyacını Mikrovalf dizileri imalat ve otomatikleştirmek için protokolleri göstermektedir. Bir paralel subnanoliter ses mikseri ve entegre bir mikroakışkan perfüzyon sistemi sunulmaktadır.

Abstract

Minyatür mikroakışkan sistemleri düşük maliyetli bakım noktası teşhis ve yüksek verimli biyomedikal deneyleri için basit ve etkili çözümler sunmak. Sağlam akış kontrolü ve hassas akışkan hacimleri, bu uygulamalar için iki kritik gereksinimleri vardır. Biz elastomerik polidimetilsiloksan (PDMS) Mikrovalf dizileri mikroakışkan cips geliştirdiler: 1) akışkan yolunu kapatmak için herhangi bir ekstra enerji kaynağına ihtiyaç, dolayısıyla yüklenen cihaz son derece portatif ve 2) Derin (1 mm kadar) kanalları microfabricating için izin dikey yanaklı ve çok hassas özellikleri.

Çeşitli boyutlarda, mikro-akışkan yolu ile harekete geçirmek için gerekli olan mikro içeren bir kontrol katmanı ve denetime bağlı bir orta ince PDMS zarı akışkan ve microchambers yollarını içeren bir akışkan tabakası PDMS mikro-tabanlı aygıtlar üç tabakadan oluşur: katmanı. Akışkan katman ve kontrol katmanları SU-8 fotorezist ustaları PDMS çoğaltma kalıplama tarafından yapılır ve belirli yüksekliklerde PDMS iplik, ince PDMS zarı ile yapılır. Kontrol katmanı, hem de oksijen aktivasyon sonra ince PDMS membran yapıştırılır ve daha sonra akışkan tabakası ile monte edilir. Mikro dinlenme kapalı ve negatif basınç (örneğin, ev vakum) uygulanarak açılabilir. Mikrovalf kapatılması ve açılması, bilgisayar yazılımı tarafından kontrol solenoid valfler ile otomatik.

Burada, iki farklı uygulamalar için iki Mikrovalf tabanlı mikroakışkan cips göstermektedir. Ilk yonga çeşitli karışım oranları sulu çözeltiler hassas alt nanoliter hacimleri depolama ve karıştırma sağlar. İkinci çip, mikroakışkan hücre kültürlerinin bilgisayar kontrollü perfüzyon sağlar.

Cihazları kontrol etmek için imal kolay ve basit. PDMS biyouyumluluk nedeniyle, bu mikroçip minyatür tanı testleri gibi temel hücre biyolojisi çalışmaları geniş uygulamalar olabilir.

Protocol

or Start trial to access full content. Learn more about your institution’s access to JoVE content here

CorelDraw veya AutoCAD ile mikroakışkan cihaz tasarımı

PDMS mikro-tabanlı aygıtlar Prensibi: çeşitli boyutlarda, mikro-akışkan yolu ile harekete geçirmek için gerekli olan mikro içeren bir "kontrol" katmanına ve bağlı bir orta ince PDMS membran microchambers içeren bir akışkan katman cihazlar üç tabakadan oluşur: kontrol katmanı. Geri kalan bölümünde, PDMS, bu nedenle odaları enerji girişi olmadan birbirlerinden izole kalır, koltuk karşı membran contaları (geri dönüşümlü), uyum ve hidrofobik nedeniyle. Vanalar negatif basınç uygulayarak (örneğin, ev vakum) açıldı, bu nedenle PDMS zarı akışkan yolu böylece bağlayarak aşağı eğilir ve iki akışkan odaları arasında duvar destekleyen yüzey ayıran olabilir. Vana kapatma atmosferik basınç vakum basınç ayarı geçiş yaparak elde edilebilir.

Akışkan katman ve kontrol katmanı desen CorelDraw veya AutoCAD ile dizayn edilmiştir. Maskeler bu tasarımları içeren ticari hizmetleri (CAD / Sanat hizmetleri, Bandon, OR) yoluyla şeffaflık filmlerde yüksek çözünürlük (8.000 ile 20.000 dpi) basıldı (maske gösterilmemiştir).

Standart SU-8 fotolitografi kullanarak silikon ustaları imalatı

  1. Standart SU-8 fotolitografi yöntemleri SU-8 "ustalar" (SU-8 2050, MicroChem, Newton, MA) mikroakışkan katman ve bir temiz oda valf kontrolü katmanı (Bu video gösterilmemiştir). Oluşturmak için kullanılan

  2. PDMS çoğaltma SU-8 öncesinde, serbest kolaylaştırmak için, ustalar fluorosilane ((tridecafluoro-1, 1,2,2,-tetrahydrooctyl)-1-trichlorosilane (TFOCS)), bir buhar maruz kalma tarafından Silanlanmış edildi bir vakum kaynağına bağlı desikatöre küp (pelet kurutma olmadan). Desikatöre odasının TFOCS buharların korozif doğası kimyasal bir davlumbaz nedeniyle içinde yer almalıdır.

  3. Küçük bir bölümünü desikatöre odasının içine emici kağıt havlu yerleştirin. Kağıt havlu TFOCS bir damla ekleyin ve odanın hava tahliye. 1 dakika için vakum uygulayın ve kapatın. Vakum kapatın ve depolanması için 30 dakika izin verin. Ustaları ileride kullanmak üzere kapalı kaplarda saklayınız.

Ustalardan PDMS Replica kalıplama

  1. Akışkan katman ve kontrol katmanı SU-8 ustaları PDMS çoğaltma kalıplama yapılır.

  2. 10-15 dakika kadar kabarcıklar açık bir desikatöre iyice karıştırma PDMS pre-polimer ve çapraz bağlayıcı (10:1 ağırlıkça oranı), kabarcık.

  3. Silikon tüp 1-2 cm uzunluğunda parçalar halinde kesin. Uygulamaya göre boru uygun bir boyutunu seçin. Biz daha sonra 1 / 16 inç OD boru kolay bağlantı için 1.14 mm ID borulama kullanın.

  4. Duco ® Çimento kontrol katmanı SU-8 ana giriş bölgelerinde üzerine yapıştırıcı tüp kullanın. Silikon tüp PDMS olarak aynı bileşenleri yapılır, tüp, hava ve akışkan sıkı bir giriş / çıkışlar yaratarak, PDMS mikroakışkan cihazın içine gömülü olacak, çok fazla tutkal, kullanmak için değil dikkatli olun.

  5. Aygıtı olarak, hem de akışkan ve kontrol katmanları maskeleri giriş bölgelerinde tasarlanmış, ama sadece bir katman cihazın (örneğin, kontrol tabakası) içine silikon tüp girişleri kalıplanmıştır. Akışkan katman girişler oluşturmak için elle giriş bölgeleri kapsayacak membran birkaç bölümleri kaldırmak veya delinme. Bu nedenle, alt yüzeyinde, geleneksel bir mikroskop sahnede cihaz görüntüleme sağlayan, düzlemsel böylece hizalama ve montajdan sonra tüm mikro akışı yanı sıra, kontrol valfleri bu taşıdıkları bu cihazın üst erişilebilir.

  6. Dikkatlice kontrol katmanı ana boru etrafında, hem de ustaların üzerine de kabarmış PDMS dökün. Desikatöre tekrar De-kabarcık. De-köpüren tamamlandıktan sonra, 65 ° C fırında kür için> 1 saat koymak.

  7. Tedavi çıkarın PDMS kaplı fırın ustaları.

  8. Ustaları (her ana, üç benzer cihazlar içerir) ve soyulmasına bireysel cihazlar kesin.

  9. Yapıştırıcı, bir iğne veya forseps bir çift kullanarak giriş bölgelerinden çıkarın.

  10. Temiz oda içine kontrol katmanı PDMS çekin.

İnce PDMS Membran Üretim

  1. Cihaz prensip olarak görüldüğü gibi, orta tabaka ~ 12 mikron kalınlığında PDMS membran oluşur.

  2. 10:01 ağırlıkça karıştırın. vorteks tarafından hekzan (3:1 ağırlık oranı) PDMS prepolimer / sertleştirici karışımı oranı.

  3. Temiz bir odasına taşıyın. (A tozsuz bir ortam sağlamak için kritik PDMS membranları kusurları olduğunu; toz parçacıkları delikler ve / veya kusurlu çoğaltma kalıp bağlı içeren membranlar neden olabilir.)

  4. Silanlanmış 3 inç çaplı gofret koyunSolitec spinner vakum mandreni. Gofret PDMS önce silikon yüzeyler PDMS serbest bırakılmasını kolaylaştırmak için iplik (fluorosilane ile derivatized) Silanlanmış. Teflon kase aynanın dışında kolay temizlik için plastik film ile sarılır.

  5. 18-Gauge enjektör iğnesi (kabarcıkları en aza indirmek için) kullanarak gofret üzerine 2-3 ml PDMS / Hekzan karışımı koyun.

  6. Spin parametreleri ayarlayın. PDMS ~ 12 mikron kalınlığında bir film, 30 saniye için 7000 rpm hızında dönerler.

  7. Gofret Isı 85 ° C sıcak bir tabak PDMS filmi tedavisi için 4 dakika.

Çok katmanlı PDMS cihaz yapıştırma ve montaj

  1. Kontrol katmanı ve bir oksijen plazma odasına PDMS membran koyun. 30 sn (oksijen basıncı 30 psi, akış oranı, 3-5 SCFH, 550W) plazma açın. Oksijen aktivasyon hemen sonra (5 dakika içinde) PDMS zarı ile temas kontrol katmanı getirin. Oksijen basıncı, akış hızı ve plazma güç ve tedavi süresi gibi sistem parametreleri, deneysel, farklı uygulamalara göre yapılandırılır.

  2. 5 dakika bekleyin ve membran ile birlikte gofret kontrol katmanı kaldırmak.

  3. Kontrolü ve akışkan katmanları üst tüp aracılığıyla erişilebilir, böylece girişler alanlarda membranlar çıkarın.

  4. Stereoskop altında akışkan katman (düzlemsel) ile kontrol katmanı (girişler gibi borulama ile) aynı hizaya getirin. Çünkü PDMS üzerine PDMS mühürler, kalıcı yapıştırma gereklidir.

Bilgisayar PDMS mikro-vakum veya basınç kontrollü açılış ve kapanış

  1. Cihaz hizalama ve montaj sonra, 1.14 mm ID silikon girişler içine yerleştirin ve 1 / 16 inç OD (1 / 32 inç ID) Tygon tüp basınç kaynakları veya akışkan rezervuarları girişler bağlamak.

  2. Vanaları açma ve kapama için, baskılar bir vakum hattı ve iki basınç regülatörleri ile üç yollu solenoid vana, minyatür bir dizi bağlı bir hava basınç hattı tarafından kontrol edilir.

  3. Solenoid valfler Labview yazılım üzerinden kontrol National Instruments veri toplama donanım bağlı.

  4. Aygıt operasyon ve membran saptırma, renkli CCD kamera (SPOT RT, Tanı Cihazları, Sterling Heights, MI) ile görüntülendi.

Paralel farklı tanımlanmış nanoliter cilt olarak iki farklı renk boyaların karıştırılması

Biz çeşitli karışım oranları sulu çözeltileri hassas alt nanoliter hacimli depolama ve karıştırma için izin veren paralel bir mikser operasyon göstermektedir:

  1. Akışkan katman iki dizide microchambers içerir: A, dizi birlikte microchambers boyutu 200 mm x 400 mm, 200 mm x 40 mm, soldan başlayarak azalır; A 10 bir 500 mm x 40 mikron odasına ve Dizi bir akışkan bağlantısı için kullanılan A 10 odasının sağ odaları simetrik boyutları giderek artan bir dizi. Her zaman eşit farklı satırlara herhangi iki bitişik odaları eklendi hacmi dizi B odaları şekilde tasarlanmıştır. A 0, A 0r ve B 10, B-10R karışmadan çözümler A ve B için ilgili kontroller olarak dizayn edilmiştir .

  2. Kontrol katmanı iki bağımsız kontrollü vana setleri vardır. Valfleri ikinci bir set {V 2} iki dizi odaları her çift bağlamak için kullanılan vanalar 1} {V kümesi ise, kendi girişleri ile iki odalı dizileri bağlamak için kullanılır.

  3. A ve B sırasıyla dizileri iki boya çözümleri akışına izin vermek için vana ayarı {V 1} açarak microchambers doldurun. Çözümler Akış elle veya elektrikli süpürge ile elde edilebilir solenoid valfler ile kontrol çekerek. Microchambers hava kabarcıkları oluşur, daha fazla çözüm kabarcıkları itti olabilir, ya da cihaz PDMS hava geçirgenliği nedeniyle bir kaç dakika ve kabarcıklar kaybolur bırakılabilir.

  4. Her iki dizide de her iki meclisin de izole etmek için vana ayarı {V 1} kapatın.

  5. Farklı diziler bitişik odaları arasında sıvı karıştırma izin Açık valf set {V 2}. Karıştırma bu birimlerin tamamlamak için ~ 1-2 dakika sürer.

  6. Sıvı akışkan her odasına geri itmek için {V 2} kapatın ve odaları, orijinal şekline geri deforme. Iki akışkan dizileri 11 farklı boyutlarda odaları ile tasarlanmış olduğundan, karıştırma, tek bir adımda 11 farklı karışım oranları üretilmektedir.

Için entegre bir mikroakışkan sistemi, mikroakışkan hücre kültürleri bilgisayar kontrollü perfüzyon

Biz tek bir hücre kültür odası için çoklu çözümler otomatik perfüzyon yeteneğine sahip bir mikroakışkan sistem ortaya koymaktadır.girişler tek girişler, çeşitli kombinasyonları, ya da az bir kez herhangi bir sıra ile aktif hale getirilebilir mikro tarafından kontrol edilir. Cihaz gradyanlar karışımları ya da çeşitli çözümler üretme yeteneğine sahiptir.

Akışkan bir tabaka, bir kontrol katmanı ve bir orta ince PDMS membran: Bu cihaz da üç tabakadan oluşur.

Bu cihaz için alternatif imalat adımları izleyin:

  1. Akışkan kanalları ve kontrol kanalı için giriş bağlantı noktalarını kullanan "delikli" 1.2 mm çapında Harris Micro-Punch (Ted Pella, Inc.) Boru girişler kontrol katmanı ile PDMS eklenir köreldiğini 18 insülin iğnesi kullanarak bağlıdır. Bu girişler silikon tüp daha yoğun ambalaj sağlar. PDMS uygunluğu, sıvı veya pnömatik basınç etkili bir şekilde sunmak için iğne etrafında sıkı bir sızdırmazlık sağlar.

  2. Daha önce açıklandığı gibi, denetim katmanı ince PDMS membran yapıştırma oksijen plazma maruz kullanılarak gerçekleştirilir.

  3. Akışkan katman 5:1 oranında PDMS pre-polimer ve çapraz bağlayıcı ile çoğaltma kalıplama tarafından hazırlanan ve kısmen 60 ° C konveksiyon fırında 25 dakika için kür. Bu noktada, kısmen tedavi akışkan katman hala yapışkan, henüz ana çıkarılabilir.

  4. Akışkan katman ön montajlı kontrolü ve membran tabakaları, bir Stereoskop kullanarak elle hizalanır. Monte cihaz daha sonra 80 º C'de 5 dakika boyunca bir ocak yerleştirilmiştir Ardından, otomatik kumanda valf kontrolü hatları bağlı ve membran vakum uygulanarak tüm valf yuvaları ve akışkan tabakası ayrılır kadar vanaları harekete geçirilir. Cihaz daha en az 1 saat 80 º C'de ocak tedavi valfler "ayrılmakta" sonra, bilgisayarı kontrol döngüsü vanalar ve ayarlanır.

Entegre mikroakışkan sisteminin özellikleri: cihaz, çoğullanır valving şemasını kullanarak bir hücre kültürü odası için 16 farklı çözümler otomatik perfüzyon yeteneğine sahiptir. Kanal tasarımı, tüm girişler direnç dengeli olmasını sağlar. Bizim Mikrovalf tasarım çözümleri ve kontrolleri, çapraz kontaminasyon limitleri sıvı hızlı bir şekilde çıkarılması için entegre kanallar aracılığıyla durulama izole eder. Farklı girişler karışımları üreten entegre bir balıksırtı mikser aktif hale getirilebilir. Ayrıca, akış hızını değiştirmek için aktif hale getirilebilir dört farklı direnç kanalları vardır.

Subscription Required. Please recommend JoVE to your librarian.

Discussion

or Start trial to access full content. Learn more about your institution’s access to JoVE content here

Bizim Mikrovalf tasarım başlıca avantajları:

  1. Hiçbir ekstra enerji kaynağı akışkan yolunu kapatmak için gerekli olan, dolayısıyla yüklenen cihaz son derece portatif;
  2. Cihaz, dikey yanağında derin (1 mm kadar) kanalları (yani özellikleri yüksekliği bağımsız olarak kendi genişliği belirtilebilir) microfabricating ve çok sonuçlanan için izin photolithographically desenli SU-8 kalıpları PDMS kopyaları inşa edilebilir hassas özellikleri.

Paralel mikser Avantajları:

  1. Bu kontrol etmek için imal kolay ve basit.
  2. Photolithographically hacimleri, bu nedenle, çok hassas tanımlanan ve.
  3. Akışkan ve reaktifler son derece portatif deneyleri için izin vererek, microdevice birkaç gün süreyle saklanabilir.
  4. Özellikle, PDMS cihaz minyatür tanısal testlerin yanı sıra, ilaç tarama ve enzim tabanlı biyomolekülün algılama gibi hücre tabanlı tayinlerde geniş uygulanabilirliği, biyo-uyumlu olan.

Entegre mikroakışkan perfüzyon odasının Avantajları:

  1. Birden fazla kimyasal çözümleri tek bir hücre kültür odası otomatik perfüzyon yeteneğine sahiptir.
  2. Girişler tek girişler, çeşitli kombinasyonları, ya da az bir kez herhangi bir sıra ile aktif hale getirilebilir mikro tarafından kontrol edilir.
  3. Cihaz gradyanlar karışımları ya da çeşitli çözümler üretme yeteneğine sahiptir.

Ana fabrikasyon süreçleri için uyardı:

  1. Tozsuz bir ortamda, membranlar kusurdan muaf olmasını sağlar PDMS membran imalat sırasında kritik önem taşımaktadır.

Subscription Required. Please recommend JoVE to your librarian.

Acknowledgments

Bu çalışma Ulusal Biyomedikal Görüntüleme ve Biyomühendislik hibe # EB003307 Enstitüsü tarafından desteklenen ve AF Ulusal Bilim Vakfı Kariyer Ödülü

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

DOWNLOAD MATERIALS LIST

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).
Elastomerik Mikrovalf Diziler Kontrollü mikroakışkan Chips
Play Video
PDF DOI DOWNLOAD MATERIALS LIST

Cite this Article

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).

Less
Copy Citation Download Citation Reprints and Permissions
View Video

Get cutting-edge science videos from JoVE sent straight to your inbox every month.

Waiting X
simple hit counter