Summary
Hier presenteren we een protocol voor de bouw van een druk-gecontroleerde spuitpomp om in microfluidic toepassingen worden gebruikt. Deze spuitpomp is gemaakt van een additief vervaardigde lichaam, off-the-shelf hardware en open-source elektronica. Het resulterende systeem is goedkoop, eenvoudig om te bouwen, en levert goed gereguleerde vloeistofstromen zodat snelle microfluidic onderzoek.
Abstract
Microfluidics is een essentieel instrument in onderzoek over de biologische, chemische en fysische wetenschappen geworden. Een belangrijk onderdeel van de microfluidic experimenten is een stabiel systeem staat nauwkeurig om een inlaat debiet of de inlaatdruk voor vloeistofbehandeling. Hier hebben we een spuit pompsysteem dat kan controleren en reguleren van de inlaat materiaaldruk geleverd aan een microfluidic apparaat. Dit systeem werd ontworpen met behulp van goedkope materialen en additive manufacturing principes, gebruik te maken van drie-dimensionale (3D) afdrukken van thermoplastische materialen en overal verkrijgbare componenten waar mogelijk. Dit systeem bestaat uit drie hoofdonderdelen: een spuitpomp, een drukopnemer en een programmeerbare microcontroller. Binnen dit papier, we in detail te beschrijven een verzameling protocollen voor deze spuit pomp programmeersysteem, fabriceren en monteren. Bovendien hebben wij representatieve resultaten waaruit high-fidelity, controle van de feedback van inlaatdruk met behulp van dit systeem opgenomen. We verwachten dat dit protocol zal het toestaan van onderzoekers te fabriceren van laaggeprijsde spuit pomp systemen, verlagen de drempel voor het gebruik van microfluidics in biomedische, chemische, en onderzoek van materialen.
Introduction
Microfluidic hulpmiddelen zijn voor wetenschappers in biologische en chemische onderzoek nuttig geworden. Als gevolg van het gebruik van laag volume, snelle meting mogelijkheden en welomschreven verhanglijnen, microfluidics tractie in genomic heeft opgedaan en Proteoom onderzoek, high-throughput screening, medische diagnostiek, nanotechnologie en eencellige analyse1,2,3,4. De flexibiliteit van microfluidic apparaat ontwerp maakt bovendien gemakkelijk basiswetenschap onderzoek, zoals onderzoek naar de spatio dynamiek van gekweekte bacteriële kolonies5.
Vele soorten vloeistof injectiesystemen zijn ontwikkeld om te nauwkeurig leveren stroom aan microfluidic-apparaten. Voorbeelden van dergelijke injectiesystemen peristaltische en recirculatie pompen6, druk-controller systemen7en injectiespuit pompen8. Deze injectiesystemen, met inbegrip van de injectiespuit pompen, bestaan vaak uit dure precisie ontworpen onderdelen. Zijvlakken van deze systemen met kringloopsysteem feedback controle van druk in het debiet wordt toegevoegd aan de kosten van deze systemen. In reactie, wij eerder een robuuste, goedkope spuit pompsysteem ontwikkeld dat kringloopsysteem feedback-besturingselement wordt gebruikt voor het regelen van bestand stroomdruk. Met behulp van gesloten-lus drukregeling, is de noodzaak voor dure precisie-engineered onderdelen isingetrokken9.
De combinatie van betaalbare 3D-printing hardware en een aanzienlijke groei in de bijbehorende open-source software heeft het ontwerp en de fabricage van microfluidic apparaten steeds toegankelijk gemaakt voor onderzoekers uit allerlei disciplines10. De systemen gebruikt tot station vloeistof via deze apparaten blijven echter duur. Om aan deze behoefte aan een systeem van de goedkope Stuurtechniek, ontwikkelden we een ontwerp dat kan worden vervaardigd door onderzoekers in het lab, slechts een klein aantal assemblage stappen vereisen. Ondanks zijn goedkope en eenvoudige montage, kan dit systeem precies datatransportbesturing en biedt een alternatief voor verkrijgbare, kringloopsysteem spuit pomp systemen, die onbetaalbaar worden kan.
Hier bieden wij protocollen voor de bouw en het gebruik van de gesloten-lus gecontroleerd syringe pompsysteem we ontwikkeld (Figuur 1). De vloeistof handling systeem is samengesteld uit een fysieke spuitpomp geïnspireerd door een eerdere studie11, een microcontroller en een druksensor piºzoresistieve. Wanneer geassembleerd en geprogrammeerd met een evenredige-integraal-afgeleide (PID) controller, is het systeem geschikt voor het leveren van een goed geregelde, druk gestuurde stroom aan microfluidic-apparaten. Dit biedt een voordelige en flexibele alternatief voor hoge kosten commerciële producten, waardoor een bredere groep van onderzoekers aan microfluidics in hun werk gebruiken.
Subscription Required. Please recommend JoVE to your librarian.
Protocol
1. 3D-printing and Assembly of-spuitpomp
-
Bereiden en 3D-print de spuitpomp onderdelen
- Download de. STL ontwerp bestanden uit de Aanvullende bestanden van dit document.
Opmerking: Er zijn zes. STL-bestanden, met een adellijke titel 'JoVE_Syringe_Clamp_10mL_Size.stl', 'JoVE_Syringe_Platform.stl', 'JoVE_Syringe_Plunger_Connectors.stl', 'JoVE_Syringe_Pump_End_Stop.stl', 'JoVE_Syringe_Pump_Motor_Connector.stl', en ' JoVE_Syringe_Pump_Traveler_ Push.stl', in de aanvullende bestanden. Deze bestanden komen overeen met de 3D-gedrukte componenten van de spuitpomp. - Deze bestanden voor het afdrukken door ze te openen in een softwarepakket dat is gewijd aan de omzetting van bereiden. STL model bestanden naar uitvoerbare instructie wordt ingesteld voor de 3D-printer wordt gebruikt. Zorgen dat de juiste software wordt gebruikt zoals sommige printers propriëtaire software vergt, terwijl anderen rechtstreeks afdrukken wellicht vanaf de. STL-bestand.
- De kunststof onderdelen met behulp van acrylonitril-butadieen-styreen (ABS) met een instelling voor hoge kwaliteit 3D-printer afdrukken. Als andere gemeenschappelijke 3D-printing materialen worden gebruikt, zoals polylactic acid (PLA) of andere thermoplastische elastomeren, zorg ervoor dat de afgewerkte mechanische eigenschappen (bijvoorbeeld, elasticiteit, vloeispanning) vergelijkbaar met ABS zijn.
- Loskoppelen van de afgedrukte delen van de afdrukplatform dat van de 3D-printer. Verwijder de afgedrukte draagstructuur uit de afgewerkte onderdelen.
Opmerking: De ondersteunende structuur is ontworpen door de printerspecifieke software gebruikt voor het converteren de. STL model bestanden naar de uitvoerbare instructies ingesteld voor de 3D-printer. Het bedrag en de structuur van het ondersteunende materiaal kunnen variëren afhankelijk van de gebruikte software. - De afgedrukte onderdelen glad door geen ruwe randen met behulp van schuurpapier schuren. Voor beste resultaten, gebruik schuurpapier met een korrel van ongeveer 220. Zorg ervoor dat alle onderdelen voor het monteren van glad zijn.
- Zorg ervoor dat alle zeven delen zijn afgedrukt.
Opmerking: Deze onderdelen hebben uitgeroepen tot het volgende: (I) Motor Connector, (II) reiziger duwen, (III) einde stoppen, (IV) spuit Platform, (V) spuitklem, (VI) spuit plunjer Male Connector en (VII) spuit plunjer Female Connector. De Romeinse cijfers voor elk onderdeel dat wordt aangeduid in figuur 2A. Een gedetailleerde lijst van de mechanische onderdelen voor de vergadering is gevonden in de Tabel van materialen.
- Download de. STL ontwerp bestanden uit de Aanvullende bestanden van dit document.
-
Monteren de spuitpomp (Figuur 2)
- Zet de stappenmotor aan een ankerstang met behulp van een motoras flexibel koppelstuk van de z-as met set schroeven vast. Voordat u verdergaat, zorg ervoor dat de stepper motoras schijven draaien de ankerstang zonder ontsporing.
- Verbind de spuit platform met de motor connector door stevig op de spuit-platform verbinding pinnen in de paring gaten op de top van de motor connector.
- Bevestig de geassembleerde deel in stap 1.2.1 met het deel in stap 1.2.2 door vier 16 mm schroeven door de motor connector bevestigen.
- Twee lineaire kogellagers en een 0.8 mm hex moer invoegen door de openingen vindt u op de onderkant van de reiziger-push.
- Hiermee lijnt u de ankerstang op de motor connector via de 0.8 mm hex moer in de reiziger push.
- Plaats de twee lineaire assen via een druk op de reiziger en de motor connector.
- Plaats twee hex noten in de zeshoekige ruimten van de motor connector stuk, en gebruik vervolgens twee 16 mm schroeven te scherpen van de verbindingen, beveiliging van de lineaire assen verplaatsen.
- Het kogellager invoegen door de middelste opening van de eindstopper.
- Sluit de eindstopper met de geassembleerde componenten uit stap 1.2.7.
- Plaats twee hex noten in de zeshoekige ruimten van het einde stoppen stuk, en gebruik vervolgens twee 16 mm schroeven aan te scherpen de verbindingen brengt de eindstopper in de vergadering.
- Bevestig de injectiespuit plunjer vrouwelijke connector stuk aan de reiziger push stuk met behulp van twee stalen lock noten en twee 16 mm schroeven.
- Plaats een 10 mL spuit op de bovenkant van de pomp. Zorgen dat het hoofd van de zuiger wordt uitgelijnd in de inkeping van de spuit plunjer vrouwelijke connector stuk en de bovenkant van de injectieampul ligt vast in de sleuf van de motor connector.
- Plaats de injectiespuit plunjer mannelijke connector stuk in de plunjer van de vrouwelijke connector van spuit. Zorg ervoor dat er een strakke pasvorm tussen de mannelijke en vrouwelijke onderdelen, beveiligen van de zuiger in plaats.
- De spuitklem verbinden met het platform van de spuit met behulp van twee hex noten en twee 35 mm schroeven, ervoor te zorgen dat de injectieampul is vastgesteld in de sleuf van de spuitklem.
2. Microfluidic apparaat voorbereiding
-
Fabriceren van meester mallen met behulp van fotolithografie
Opmerking: Een procedure waarin het ontwerp en de fabricage van meester mallen voor microfluidic apparaat fabrikatie kan gevonden worden in de vorige literatuur12.- Met behulp van de gewenste computer aided design (CAD)-software, de vereiste tekeningen voor een photomask maken en uitprinten op een bord van glas of kwarts.
Opmerking: Andere materialen kunnen aanvaardbaar zijn gebaseerd op de vereisten van het masker aligner gebruikt. Het afdrukken van deze fotomaskers wordt meestal aangevuld met een derde leverancier. - Fotolithografie methoden gebruiken voor het maken van een basispagina schimmel uit het photomask. Deze procedure uitvoeren in een cleanroom-omgeving.
- De verzonnen master schimmel aan de damp van een fluorosilane in een vacuüm exsiccator bloot.
Opmerking: Dit proces vergemakkelijkt de vrijlating van Polydimethylsiloxaan (PDMS) van de meester mal bij het fabriceren van microfluidic apparaten. Voor de behandeling van de meester mal, voeg drie druppels fluorosilane in een bekerglas en plaats het bekerglas in een vacuuemcel. - Toepassing van een vacuüm voor 1 min. dicht de Vacuuemcel maar houden de meester mal in de zaal gedurende 30 minuten voor de afzetting van fluorosilane. Als voorzorgsmaatregel inzake veiligheid, voert u deze procedure uit in een zuurkast te beperken van blootstelling aan de damp van gevaarlijke fluorosilane.
- Met behulp van de gewenste computer aided design (CAD)-software, de vereiste tekeningen voor een photomask maken en uitprinten op een bord van glas of kwarts.
-
Fabriceren PDMS apparaten
- Weeg het PDMS pre polymeer in een weeg-boot. Hoewel de gewenste dikte van de definitieve PDMS apparaat variëren kan, werkt 30 g voor pre polymer goed voor een meester mal van 100 mm diameter.
- Meten en voeg een uithardende agent in een 1:10 verhouding tot de pre polymeer. Voeg 3 g voor een uithardende agent voor een meester mal van 100 mm diameter.
- Meng de pre polymeer en genezen agent krachtig met de hand met behulp van een wegwerp spatel. Na 30 s, Controleer of er zijn kleine, regelmatig gescheiden luchtbellen in de oplossing, die aangeeft het pre polymeer en genezen van agenten zijn goed gemengd.
- Plaats de meester mal in een cultuur-plaat en zorgvuldig giet het PDMS mengsel op de top van de meester mal.
Opmerking: De gewenste dikte van het PDMS apparaat kan variëren afhankelijk van de toepassing ervan. - Ontgas het mengsel in een vacuüm exsiccator voor 1 hr. Zorg ervoor dat geen bubbels waarneembaar in het mengsel zijn. Als er huidige bubbels, laat de vacuüm druk snel en dan opnieuw een vacuüm. Laat het mengsel zitten voor ten minste 10 min. na deze procedure.
- Verplaats het PDMS mengsel naar een oven, ingesteld op 90 ° C. Laat het mengsel te genezen voor 30 min.
- Verwijder het PDMS van de meester mal. Snijd de PDMS in de gewenste afmetingen met een scheermesje. Draag handschoenen als u wilt beperken de PDMS blootstelling aan contaminanten.
- Punch gaten voor inlaat-en uitlaatpoorten met een 23 G verstrekking naald. Bestand ter vergemakkelijking van dit proces, de naald met een metalen bestand of schuurpapier te scherpen de stompe uiteinden. Zorg ervoor dat de punctuated cilinder voor PDMS is uit de naald na elke lekke band.
Opmerking: Naalden met verschillende formaten kunnen worden gebruikt voor het ponsen van gaten. Zorg ervoor dat de grootte is lichtjes groter dan de naalden gebruikt in stap 3 van dit protocol. - De PDMS met gefilterde gedeïoniseerd water wassen en drogen van de PDMS met behulp van een bron van het lucht of stikstof voorzien van een 0,2 µm filter.
Opmerking: De exacte druk is niet kritisch, en een hydrofoor gas-bron uit van een gebouw centraal systeem werkt goed voor deze stap. - Een nr.1 borosilicaat glas cover substraat met een oppervlakteactieve stof, zoals een poedervorm wasmiddel, reinigen en drogen met behulp van een bron van de perslucht uitgerust met een 0,2 µm filter. Reinig het grondig als cover glas vaak met een hydrofobe smeermiddel bedekt is en niet in staat om te binden aan PDMS is, tenzij het goed wordt schoongemaakt.
- Met behulp van drukgevoelige tape, licht aanraken het PDMS als u wilt verwijderen van alle resterende stof. Om ervoor te zorgen dat de gegoten functies niet in gevaar komen, niet op met grote hoeveelheden van kracht op de tape.
- Plaats het PDMS-apparaat en een schoongemaakte cover glas in een zuurstof-plasma reiniger voor 1 min. Zorg ervoor dat de kleur uit het plasma reiniger kamer is licht magenta tijdens het proces. Zorg ervoor dat het apparaat PDMS gegoten landschapskenmerken belicht, gezicht-up, in het plasma reiniger.
- Neem de PDMS en het glas van de cover van het plasma schoner en plaats de cover glas, dichte, op het PDMS-apparaat.
Opmerking: Hierdoor wordt het glas van de cover en het PDMS obligatie bijna onmiddellijk. Als de binding niet zichtbaar is, druk zachtjes op het glas van de cover aan de PDMS in een sectie voor PDMS verstoken van gegoten functies. Hierdoor moet lijmen optreden tussen de PDMS en de cover-glas. - Zet het PDMS apparaat in een oven bij 90 ° C gedurende ten minste 12 uur om ervoor te zorgen het PDMS en het glas van de cover zijn goed gebonden.
3. feedback-gecontroleerde spuit pomp systeem montage
- Verwijder een passend bedrag van de lengte van de draad-isolatie en afscherming van elektrische kabel een druksensor met een scheermes. Te zacht tijdens snijden om ervoor te zorgen dat de draden niet in gevaar komen boven de gewenste lengte. Eenmaal de isolatie en afscherming worden verwijderd, sluit de kabels aan mannelijke rechthoekige connectors.
- Met behulp van een soortgelijke aanpak naar de vorige stap, 1-2 cm van de isolatie van de draad van een stappenmotor leads verwijderen en sluit de kabels aan mannelijke rechthoekige connectors.
- Brengt de spuit op de inlaatzijde van de druksensor. Verbinding maken met een naald 22 G verstrekking op de kant van de uitlaat van de druksensor.
- Ene uiteinde 0.51 cm diameter buis over de verstrekking naald van 22 G, gekoppeld aan de druksensor glijden.
- Schuif het andere einde van 0.51 cm diameter buizen over een 22 G verstrekking naald die op het microfluidic-apparaat kan worden aangesloten. Sluit de naald aan de perszijde van de microfluidic apparaat.
- De poort van de uitlaat van een microfluidic apparaat verbinden met een reservoir van de verwijdering van afval met behulp van een naald 22 G en 0.51 cm diameter buis, soortgelijk aan de perszijde verbinding.
- Monteer het elektronische circuit op een breadboard prototyping volgens het diagram in Figuur 3.
Opmerking: Deze breadboard dient om de conditie van het signaal van de druksensor te worden gevolgd door een microcontroller. Andere compatibele microcontrollers kan worden gebruikt voor controle van de druk sensor signaal. - Verbind de draden van de stappenmotor met de stepper motor driver. Verbind de draden van de druksensor en de stepper motor rijder met het breadboard volgens het schema in Figuur 3. De blootgestelde draden van de druksensor zijn vergelijkende en moet als volgt worden aangesloten: rood moet verbinding maken met V +, zwart moet verbinding maken met V - groen moet verbinding maken met signaal + en wit moet verbinding maken met signaal-.
- Sluit het uitgangssignaal van het breadboard met de analoge input pin op de microcontroller.
- Sluit de logica input pinnen bij de chauffeur stepper motor met de digitale pennen van de microcontroller. De ingang van de stap op de stepper motor bestuurder is verbonden met een puls breedte gemoduleerde (PWM) haven van digitale pennen van de microcontroller, aangeduid met een ' ~' teken.
- Sluit de voeding met het breadboard volgens het diagram in Figuur 3. Stel de voeding op 10 V voor het breadboard en de stepper motor driver.
4. Druk Sensor kalibratie
Opmerking: Gebaseerd op de versterker gekozen in deze paper, de formule voor het berekenen van de winst is G = 5 + (200k/RG) met RG = R1 en G = versterker gain. De versterker gain hier is ongeveer 606. Deze waarde kan worden gewijzigd door het veranderen van de weerstand gebruikt voor R1. Bovendien, zoals het niveau van de logica van de microcontroller-board 5 V is en de instrumentatie is aangedreven met 10 V, wordt een eenvoudige voltage divider-circuit, R2 en R3, gebruikt ter bescherming van het uitgangssignaal niet meer dan 5 V.
- Download en installeer de passende, geïntegreerde ontwikkelomgeving (IDE) voor de microcontroller.
- De code van de controller met een adellijke titel 'Pressure_Sensing.ino' van de aanvullende bestanden downloaden. Gebruik deze code is het verkrijgen van het signaal van de druk van dual druksensoren.
Opmerking: De microcontroller en controller code gebruikt in dit document zijn analoge input pinnen met een 10-bits resolutie die de analoge signalen van de druksensor elke 200 ms lezen om de bediening van de stappenmotoren. Hetaantal analogRead() in de beugel komt overeen met de analoge input pin verbonden met het uitgangssignaal van het circuit spanning divider in het druk sensor circuit in Figuur 3. De vertraging-variabele vertegenwoordigt het interval op die het signaal opnieuw wordt geëvalueerd en de uitvoer dienovereenkomstig in ms. - Toepassen van bekende druk bij de inlaat van de sensor met de uitlaat afgetopt en meet het resulterende output signaal.
Opmerking: Een eenvoudige methode om te kalibreren van de druksensor maakt gebruik van een reservoir met water gehouden op variërende hoogten. De resulterende gravitationele druk gedetecteerd zal kan men de druksensor kalibreren. - Het diagram met de kalibratie uitgeoefende druk (Pa) worden uitgezet op de x-as en het druk-signaal (V) op de y-as om een numerieke waarde van het y-snijpunt.
- Deze numerieke waarde in de controller code, zoals de variabelen van het sensor1Offset en sensor2Offset in de code 'Dual_Pump_PID_Control.ino' van de Aanvullende bestanden, kalibreren van de waarde van de druk in het feedbacksysteem van de controle van de toepassing.
5. vastleggen van de beelden van het Microfluidic-apparaat
- Verbinden met een microcontroller een open-source single-board-computer via een seriële interface zodat het beeld vastgelegd door de microcomputer triggers druk metingen worden genomen door de microcontroller.
- Sluit een cameramodule afgelegd voor de single-board-computer met een van de oog-stukken van een stereomicroscoop. Hier, wordt een 20 X vergroting gebruikt om het imago van de microfluidic-apparaten.
6. beheersing van de spuit drukpompen
- Open de IDE voor de open-source-microcontroller. Download de Timer.h13 en AccelStepper.h14 bibliotheken van de microcontroller IDE Bibliotheek map.
- De code van de controller met een adellijke titel 'Dual_Pump_PID_Control.ino' uit de Aanvullende bestandendownloaden. Deze code wordt gebruikt om de feedback-gecontroleerde spuit pompsysteem met twee pompen controle.
- Programma de controller code zodat deze past het experiment wordt uitgevoerd. Wijzig de afstellingsparameters of de timingparameters aan de gewenste respons en de duur van het experiment. Compileren en uploaden van de code de microcontroller voordat u het experiment uitvoert.
Opmerking: In de controller code, setPoint1/2 waarden worden gebruikt om de druk niveau en stepper1/2Out-waarden worden gebruikt om het toerental van de pomp. De laatste twee waarden in de kolom AccelStepper stepper1/2 komen overeen met het nummer van de poort op de microcontroller. De variabele milliTiming bepaalt de frequentie van het lezen van het analoge signaal van de druksensor en de printTiming-variabele bepaalt de frequentie van het uitvoeren van de waarden van de snelheid en druk naar een seriële monitor voor inspectie. Alle eenheden zijn in ms. die de variabele maxError wordt bepaald door het niveau van de logica van de microcontroller-board. Een waarde van 5 gebruikt hier zoals de microcontroller in dit protocol 5 V is. - Schakel de voeding voor de injectiespuit pompen systeem. Stel de spanning tot 10 V voor de stepper motor voeding.
7. het afstemmen van de PID-regelaar-Parameters
Opmerking: De ideale controller parameterwaarden kunnen variëren afhankelijk van de toepassing en de geometrie van de apparaat microfluidic. Bijvoorbeeld, voor lange termijn studies (uren), kan een lagere proportionele constante (Kp) wenselijk zijn om te minimaliseren van overschrijding ten koste van de reactietijd. Deze compromissen, is afhankelijk van experimentele omstandigheden en doelstellingen.
- Het afstemmen van de controller, met behulp van een handmatige aanpak, door de eerste aanpassing van de proportionele constante (Kp) ter verbetering van de responsietijd van de functie van een stap.
Opmerking: Hoewel algoritmische benaderingen gebruikt, manual tuning werken voor de toepassingen van de microfluidic getoond in dit document. - Vervolgens de integraal (Ki) en differentiële (Kd) parameters te minimaliseren van de overschrijding en zorgen voor de stabiliteit van een set-punt te wijzigen.
- De PID-waarden voor de Kp, Ki en Kd variabelen instellen in de code van de controller van de Aanvullende bestanden.
Subscription Required. Please recommend JoVE to your librarian.
Representative Results
Hier presenteren we een protocol voor de bouw van een feedback-gecontroleerde spuit pomp systeem en tonen haar mogelijke toepassingen voor microfluidic toepassingen. Figuur 1 toont de aangesloten systeem van de spuitpomp, druksensor microfluidic apparaat, microcontroller, druk sensor circuit en stepper motor stuurprogramma. Gedetailleerde toelichtingen voor de montage van de pomp spuit zijn afgebeeld in Figuur 2 en Figuur 3het elektronische circuit schematische voor druk sensing is gepresenteerd. Het proces van tuning van de controlerende parameters is weergegeven in Figuur 4. Tot slot wordt een representatief resultaat voor het beheren van de inlaatdruk in een twee-inlaat Y-vormige microfluidic-apparaat weergegeven in Figuur 5.
Figuur 1: installatie van de feedback-gecontroleerde spuit pompsysteem. Dit beeld toont de setup van het systeem van de pomp spuit. De spuit de oplossing voor injectie bevat en door de 3D-gedrukte spuitpomp in werking wordt gesteld. Als A. De druksensor piºzoresistieve is verbonden met B. de spuitpomp en C. het microfluidic apparaat, de druk van het apparaat wordt gedetecteerd en omgezet in een elektrisch signaal naar D. de druk sensor circuit met instrumentatie versterker eenmaal de vloeistof wordt geleverd door de buis. Het signaal van de druksensor wordt gelezen door E. de open-source-microcontroller board die dan stuurt het noodzakelijk signaal naar F. de stepper motor bestuurder te controleren van de bediening van de spuitpomp. G. een voeding en H. een laptop is nodig om te bedienen en programmeren van het systeem. Klik hier voor een grotere versie van dit cijfer.
Figuur 2: vergadering foto voor de 3D-gedrukte spuitpomp. Deze afbeelding laat de stapsgewijze instructies voor de montage van de pomp 3D-gedrukte spuit, met foto's die overeenkomt met de procedure in stap 1.2 van het protocol. A. dit beeld toont het materiaal voor de vergadering van de pomp van de spuit. B. dit beeld toont hoe de stappenmotor is aangesloten op de ankerstang (stap 1.2.1). C. dit beeld toont hoe het deel vanaf stap 1.2.1 van het protocol is verbonden met het deel van stap 1.2.2 van het protocol (stap 1.2.3). D. Dit beeld toont de vergadering van de reiziger push stuk (stap 1.2.5). E. dit beeld toont hoe de eindstopper is aangesloten (stap 1.2.10). F. dit beeld toont hoe het stuk spuit plunjer vrouwelijke connector is aangesloten op de geassembleerde componenten (stap 1.2.11). G. dit beeld toont de vergadering van de spuit plunjer mannelijke connector stuk (stap 1.2.13). H. dit beeld toont hoe de spuitklem is aangesloten (1.2.14 stap). Klik hier voor een grotere versie van dit cijfer.
Figuur 3: illustratie voor de microcontroller en druk sensor circuit. Het circuit kan de microcontroller-board voor het meten van de druk van de versterkte signalen van de druksensor. A. dit is de foto van de vergadering voor het circuit. B. deze afbeelding ziet u de lay-outs van de printplaat. De blootgestelde draden van de druksensor zijn vergelijkende en moet als volgt worden aangesloten: rood moet verbinding maken met V +, zwart moet verbinding maken met V - groen moet verbinding maken met signaal + en wit moet verbinding maken met signaal-. Klik hier voor een grotere versie van dit cijfer.
Figuur 4: afstemming van controleparameters. De PID-regelaar gebruikt voor het regelen van de spuit pomp materiaaldruk kan worden afgestemd door de evenredige (Kp), integraal (Ki) en differentiële (Kd) parameters wijzigen. Hier, laten we zien hoe tuning (met behulp van Kp) zal helpen verminderen de reactietijd. Verdere tuning (met Ki en Kd) kan helpen om een setpoint stabiliteit te waarborgen en overschrijding te verminderen. In dit protocol, zijn controllers voornamelijk afgestemd met behulp van een handmatige trial-and-error aanpak. Klik hier voor een grotere versie van dit cijfer.
Figuur 5: controle van de inlaatdruk voor een laminaire flow microfluidic apparaat. Een Y-vormige microfluidic-apparaat wordt vervaardigd volgens de procedure die is beschreven in stap 2 van dit protocol. Het apparaat beschikt over twee inlaat-poorten en één retourzijde. Twee spuit pomp systemen worden geassembleerd om te controleren de inlaat druk. Één van de spuiten is geladen met een blauwe kleurstof en de andere is geladen met water. A. deze beelden van de vloeistofstromen die voortvloeien uit de dezelfde druk geboden door beide pompen zijn gemaakt met behulp van de aanpak die is beschreven in stap 6 van dit protocol. B. deze afbeelding ziet u hoe de inlaat druk worden gemonitord en gecontroleerd met behulp van de PID-regelaar afgestemd in Figuur 4. Nauwe aanhankelijkheid aan de set-punt kan worden waargenomen. Kortere (s) en langere (h) experimenten hebben aangetoond vergelijkbare resultaten. Klik hier voor een grotere versie van dit cijfer.
Subscription Required. Please recommend JoVE to your librarian.
Discussion
Hier, voorgesteld ons een nieuw ontwerp voor een pompsysteem spuit kringloopsysteem drukregeling. Dit werd bereikt door de integratie van een 3D-gedrukte spuitpomp met een piºzoresistieve druksensor en een open-source-microcontroller. Door gebruik te maken van een PID-regelaar, konden we precies controle van de inlaatdruk en bieden snelle responstijden gelijktijdig behoud van de stabiliteit over een set punt.
Vele experimenten met behulp van microfluidic-apparaten vereisen een nauwkeurige fluidic controle en exploiteren van een goed gekarakteriseerd laminaire flow-profiel. Voorbeelden waar een stabiele stroom profiel belangrijk is zijn experimenten die Verken de temporele en ruimtelijke concentratie verlopen15 en creëer precieze fluidic Encapsulaties voor verdere analyse16. Met behulp van een PID-regelaar te handhaven van de krachtige reactie, produceert het systeem beschreven in dit protocol de stroom verordening en de stabiliteit op lange termijn nodig zijn om te studeren van dergelijke experimenten laminaire flow.
Het is echter belangrijk om te erkennen dat microfluidic apparaten en experimenten met hen subtiele variaties en verschillen hebben. Bijvoorbeeld, kunnen verschillende microfluidic geometrieën (kanaal breedte en hoogte) verschillende verhanglijnen vergen. Dientengevolge, moeten de parameters voor de PID-controllers dienovereenkomstig worden afgestemd. Bovendien, vereisen sommige experimenten een strakke regelgeving van de druk bereiken. In deze gevallen kan de druk overschrijding niet aanvaardbaar zijn. De afstellingsparameters PID moeten als zodanig worden afgestemd zodat de overschrijding is geminimaliseerd, meestal ten koste van de reactietijd.
Als gevolg van de goedkope productie van deze spuit pompsysteem, moeten onderzoekers zitten kundig voor snel ontwikkelen microfluidic experimenten. De geschatte kosten voor een 3D-gedrukte-spuitpomp, microcontroller en druk sensor circuit is ongeveer US$ 130. In tegenstelling tot commercieel beschikbare alternatieven, zoals peristaltische en recirculatie pompen, deze spuit pompsysteem biedt een flexibele en eenvoudig platform dat aangepast aan een verscheidenheid van laboratorium toepassingen worden kan. Hoewel hier niet besproken, kunnen eenvoudiger bestrijdingsstrategieën, zoals de bang-bang-controllers, worden gebruikt voor microfluidic langetermijnstudies. Bovendien kunnen de spuit pomp systemen worden gebruikt om een vacuüm druk uitoefenen op een volume controle.
Een mogelijke beperking van deze spuit pompsysteem met behulp van een PID-regelaar is de afhankelijkheid van een constante voeding. Omdat de methode voor de controle van PID de constante energization van de stappenmotor vereist, is er een relatief grote machtsvereiste. In tegenstelling, energizes de controller bang-bang alleen de stappenmotor wanneer dat nodig is, met aanzienlijk minder stroom. De eis van deze macht kan worden opgevangen door het ontwikkelen van een hybride controlestructuur dat implementeert een PID-regelaar in eerste instantie tot een set-punt bereik, en vervolgens de energizes de stepper motor spoelen als de waarde van de druk zich binnen een bepaald bereik van de set-punt bevindt. Een eenvoudige bang-bang-controller kan ook, zo goed worden gebruikt.
Bovendien, deze spuit pompsysteem zorgt voor een flexibele prestaties en controle door het veranderen van de grootte van zowel de stappenmotor en het spuiten zelf. In eerdere experimenten, hebben wij spuiten van 1 mL, 5 mL en 10 mL 30 mL gebruikt. Natuurlijk, elke spuitpomp lichtjes verschillend PID controller parameters kan vergen en zou daarom vereisen geïndividualiseerde parameter tuning. Deze flexibiliteit staat echter de spuit pompsysteem zoals beschreven in dit protocol moet worden gebruikt in een waaier van toepassingen.
Opgemerkt moet worden dat een gemeenschappelijke ruimte van microdevice mislukking een onvermogen is om effectief de PDMS aan het glas cover band. Voor de fabricage van microfluidic apparaat, moet de kracht van het plasma schoner worden geoptimaliseerd als de binding ineffectief is. Ook, smeermiddelen en de eventuele onzuiverheden op het glasoppervlak dekking moeten worden verwijderd vóór de bonding om een sterke band met de PDMS. Grondig wassen en stof te verwijderen uit het onderdeel PDMS moeten ertoe bijdragen dat een goede afdichting tussen het PDMS en het glas wordt gevormd.
De laaggeprijsde, feedback-gecontroleerde spuit pompsysteem hier gepresenteerd kunnen onderzoekers te manipuleren van de vloeistof profiel met een hoge mate van stabiliteit op een flexibele manier. Door de druk sensor module te integreren met eenvoudige PID controlemethoden, is het systeem kunnen bieden krachtige druk-gedreven datatransportbesturing. Dit hulpprogramma kan in grote lijnen worden toegepast op vele onderzoeksgebieden waar microfluidics tools in gebruik zijn.
Subscription Required. Please recommend JoVE to your librarian.
Disclosures
De auteurs hebben niets te onthullen.
Acknowledgments
De auteurs erkennen ondersteuning vanuit de Office of Naval Research awards N00014-17-12306 en N00014-15-1-2502, alsook van de Air Force Office of wetenschappelijke Research award FA9550-13-1-0108 en de National Science Foundation Grant nr. 1709238.
Materials
| Name | Company | Catalog Number | Comments |
| Arduino IDE | Arduino.org | Arduino Uno R3 control software | |
| Header Connector, 2 Positions | Digi-Key | WM4000-ND | |
| Header Connector, 3 Positions | Digi-Key | WM4001-ND | |
| Header Connector, 4 Positions | Digi-Key | WM4002-ND | |
| Hook-up Wire, 22 Gauge, Black | Digi-Key | 1528-1752-ND | |
| Hook-up Wire, 22 Gauge, Blue | Digi-Key | 1528-1757-ND | |
| Hook-up Wire, 22 Gauge, Red | Digi-Key | 1528-1750-ND | |
| Hook-up Wire, 22 Gauge, White | Digi-Key | 1528-1768-ND | |
| Hook-up Wire, 22 Gauge, Yellow | Digi-Key | 1528-1751-ND | |
| Instrumentation Amplifier | Texas Instruments | INA122P | |
| Microcontroller, Arduino Uno R3 | Arduino.org | A000066 | |
| Mini Breadboard | Amazon | B01IMS0II0 | |
| Power Supply | BK Precision | 1550 | |
| Pressure Sensor | PendoTech | PRESS-S-000 | |
| Rectangular Connectors, Housings | Digi-Key | WM2802-ND | |
| Rectangular Connectors, Male | Digi-Key | WM2565CT-ND | |
| Resistors, 10k Ohm | Digi-Key | 1135-1174-1-ND | |
| Resistors, 330 Ohm | Digi-Key | 330ADCT-ND | |
| Stepper Motor Driver, EasyDriver | Digi-Key | 1568-1108-ND | |
| USB 2.0 Cable, A-Male to B-Male | Amazon | PC045 | |
| 3D Printed Material, Z-ABS | Zortrax | A variety of colors are available | |
| 3D Printer | Zortrax | M200 | Printing out the syringe pump components |
| Ball Bearing, 17x6x6mm | Amazon | B008X18NWK | |
| Hex Machine Screws, M3x16mm | Amazon | B00W97MTII | |
| Hex Machine Screws, M3x35mm | Amazon | B00W97N2UW | |
| Hex Nut, M3 0.5 | Amazon | B012U6PKMO | |
| Hex Nut, M5 | Amazon | B012T3C8YQ | |
| Lathe Round Rod | Amazon | B00AUB73HW | |
| Linear Ball Bearing | Amazon | B01IDKG1WO | |
| Linear Flexible Coupler | Amazon | B010MZ8SQU | |
| Steel Lock Nut, M3 0.5 | Amazon | B000NBKLOQ | |
| Stepper Motor, NEMA-17, 1.8o/step | Digi-Key | 1568-1105-ND | |
| Syringe, 10mL, Luer-Lok Tip | BD | 309604 | |
| Threaded Rod | Amazon | B01MA5XREY | |
| 1H,1H,2H,2H-Perfluorooctyltrichlorosilane | FisherScientific | AAL1660609 | |
| Camera Module | Raspberry Pi Foundation | V2 | |
| Compact Oven | FisherScientific | PR305220G | Baking PDMS pre-polymer mixture and the device |
| Dispensing Needle, 22 Gauge | McMaster-Carr | 75165A682 | |
| Dispensing Needle, 23 Gauge | McMaster-Carr | 75165A684 | |
| Fisherbrand Premium Cover Glasses | FisherScientific | 12-548-5C | |
| Glass Culture Petri Dish, 130x25mm | American Educational Products | 7-1500-5 | |
| Plasma Cleaner | Harrick Plasma | PDC-32G | Binding the cover glass with the PDMS device |
| Razor Blades | FisherScientific | 7071A141 | |
| Scotch Magic Tape | Amazon | B00RB1YAL6 | |
| Single-board Computer | Raspberry Pi Foundation | Raspberry Pi 2 model B | |
| Smart Spatula | FisherScientific | EW-06265-12 | |
| Sylgard 184 Silicone Elastomer Kit | FisherScientific | NC9644388 | |
| Syringe Filters | Thermo Scientific | 7252520 | |
| Tygon Tubing | ColeParmer | EW-06419-01 | |
| Vacuum Desiccator | FisherScientific | 08-594-15C | Degasing PDMS pre-polymer mixture and coating fluorosilane on the master mold |
| Weighing Dishes | FisherScientific | S67090A |
References
- Sackmann, E. K., Fulton, A. L., Beebe, D. J. The present and future role of microfluidics in biomedical research. Nature. 507 (7491), 181-189 (2014).
- Duncombe, T. A., Tentori, A. M., Herr, A. E. Microfluidics: reframing biological enquiry. Nature Reviews Molecular Cell Biology. 16 (9), 554-567 (2015).
- Prakadan, S. M., Shalek, A. K., Weitz, D. A. Scaling by shrinking: empowering single-cell 'omics' with microfluidic devices. Nature Reviews Genetics. 18 (6), (2017).
- Kim, Y., Langer, R. Microfluidics in nanomedicine. Reviews in Cell Biology and Molecular Medicine. 1, 127-152 (2015).
- Rusconi, R., Garren, M., Stocker, R. Microfluidics expanding the frontiers of microbial ecology. Annual Review of Biophysics. 43, 65-91 (2014).
- Skafte-Pedersen, P., Sabourin, D., Dufva, M., Snakenborg, D. Multi-channel peristaltic pump for microfluidic applications featuring monolithic PDMS inlay. Lab on a Chip. 9 (20), 3003-3006 (2009).
- Heo, Y. J., Kang, J., Kim, M. J., Chung, W. K. Tuning-free controller to accurately regulate flow rates in a microfluidic network. Scientific Reports. 6, 23273 (2016).
- Kuczenski, B., LeDuc, P. R., Messner, W. C. Pressure-driven spatiotemporal control of the laminar flow interface in a microfluidic network. Lab on a Chip. 7 (5), 647-649 (2007).
- Lake, J. R., Heyde, K. C., Ruder, W. C. Low-cost feedback-controlled syringe pressure pumps for microfluidics applications. PLoS One. 12 (4), (2017).
- Kong, D. S., et al. Open-source, community-driven microfluidics with metafluidics. Nature Biotechnology. 35 (6), 523-529 (2017).
- Wijnen, B., Hunt, E. J., Anzalone, G. C., Pearce, J. M. Open-source syringe pump library. PLoS One. 9 (9), e107216 (2014).
- Ferry, M. S., Razinkov, I. A., Hasty, J. Microfluidics for synthetic biology: from design to execution. Methods in Enzymology. , 295-372 (2011).
- Christensen, J. Arduino Libraries for Timer.h. , Available from: https://github.com/JChristensen/Timer (2018).
- Adafruit Industries. Arduino Libraries for AccelStepper.h. , Available from: https://github.com/adafruit/AccelStepper (2018).
- Lin, F., et al. Generation of dynamic temporal and spatial concentration gradients using microfluidic devices. Lab on a Chip. 4 (3), 164-167 (2004).
- Korczyk, P. M., Cybulski, O., Makulska, S., Garstecki, P. Effects of unsteadiness of the rates of flow on the dynamics of formation of droplets in microfluidic systems. Lab on a Chip. 11 (1), 173-175 (2011).
