Summary
Her presenterer vi en protokoll for å konstruere en trykk-kontrollerte Sprøytepumpe brukes i microfluidic programmer. Denne sprøytepumpen er laget av en additively produserte kroppen, sokkel maskinvare og åpen kildekode elektronikk. Den resulterende systemet er rimelig, enkel å bygge, og leverer godt regulert strømning for å aktivere rask microfluidic forskning.
Abstract
MicroFluidics har blitt en betenkelig verktøyet i forskning på den biologiske, kjemiske og naturvitenskap. En viktig del av microfluidic eksperimentering er en stabil væske håndteringssystem kan nøyaktig gi en vik strømningshastighet eller innløp press. Her har vi utviklet en sprøyte pumpesystem kan styre og regulere innløp væsketrykk levert til en microfluidic enhet. Dette systemet ble utformet med rimelige materialer og additiv produksjon prinsipper, utnytte tredimensjonale (3D) utskrift av termoplastisk materiale og sokkel komponenter når det er mulig. Dette systemet består av tre hovedkomponenter: en sprøytepumpe og en trykktransduceren en programmerbar microcontroller. I dette papiret detalj vi et sett med protokoller for fabrikasjon, montering og programmering sprøyte pumpe systemet. Videre har vi inkludert representant resultater som viser høy-troskapen, tilbakemeldinger kontrollen innløp press med dette systemet. Vi forventer denne protokollen tillater forskere å dikte rimelig sprøyte pumpesystemer, redusere oppføring barrieren for bruk av microfluidics i biomedisinske, kjemiske, og materiale.
Introduction
Microfluidic verktøy har blitt nyttig for forskere i biologiske og kjemiske forskning. På grunn av lavt volum utnyttelse, rask måling funksjoner og veldefinert flyt profiler, microfluidics har fått trekkraft in genomisk og proteomic forskning, høy gjennomstrømming screening, medisinsk diagnostikk, nanoteknologi, og én celle analyse1,2,3,4. Videre fleksibiliteten til microfluidic konstruksjon gir enkel grunnleggende forskning, som undersøker spatiotemporal dynamikken i kulturperler bakteriell koloniene5.
Mange typer fluid innsprøytningen systemer er utviklet for å nøyaktig leverer strøm til microfluidic enheter. Eksempler på slike injeksjon systemer på en peristaltiske og resirkulering pumper6, trykk-kontrolleren systemer7og sprøyte pumper8. Disse injeksjon system, inkludert sprøyte pumper består ofte av dyre presisjonsnivå utviklet komponenter. Forsterke disse systemene med lukket tilbakemelding kontroll av trykket i produksjonen flyt legger kostnadene for disse systemene. Svar utviklet vi robuste, rimelige sprøyte pumpe systemer som bruker lukket tilbakemelding kontroll for å regulere outputted flyt press. Ved lukket trykkontroll er behovet for kostbare presisjon-utviklet komponenter avskaffet9.
Kombinasjonen av rimelig 3D-utskrift maskinvare og en betydelig vekst i tilhørende åpen kildekode programvare har gjort design og fabrikasjon av microfluidic enheter stadig tilgjengelig for forskere fra en rekke disipliner10. Imidlertid være den som brukes til å kjøre væske gjennom disse enhetene dyrt. For å løse dette behovet for en rimelig væske kontrollsystem, utviklet vi et design som kan være fabrikasjon av forskere i laboratoriet, krever bare et lite antall montering trinn. Til tross for sin lave kostnader og enkel montering, dette systemet kan gi nøyaktig flytkontroll og gir et alternativ til kommersielt tilgjengelige, lukket sprøyte pumpesystemer, som kan være uoverkommelig dyrt.
Her gir vi protokoller for bygging og bruk av closed-loop kontrollert sprøyte pumpesystem vi utviklet (figur 1). Væsken håndteringssystem består av en fysisk sprøytepumpe som er inspirert av en tidligere studie11, en microcontroller og et piezoresistive press sensor. Når samlet og programmert med en proporsjonal-integrert-derivat (PID) kontroller, er systemet i stand til å levere en velordnet, trykk-drevet flyt til microfluidic enheter. Dette gir et rimelig og fleksibelt alternativ til høye kostnader kommersielle produkter, som muliggjør en bredere gruppe forskere å bruke microfluidics i sitt arbeid.
Subscription Required. Please recommend JoVE to your librarian.
Protocol
1. 3D-utskrift og montering av sprøytepumpe
-
Forberede og 3D-print sprøytepumpe komponenter
- Last ned den. STL design filer fra Tilleggsfiler til notatet.
Merk: Det er seks. STL-filer, med tittelen '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', og ' JoVE_Syringe_Pump_Traveler_ Push.STL ", i tilleggsfiler. Disse filene tilsvarer 3D-trykt komponentene for sprøytepumpe. - Forberede filene for trykking ved å åpne dem i en programvarepakke som er dedikert til konvertering av. STL modell filer til kjørbare undervisning sett for 3D-skriver brukes. Kontroller at den riktige brukes programvaren som noen skrivere krever proprietær programvare, mens andre kan være i stand til å skrive ut direkte fra den. STL-filen.
- Skrive ut plast komponenter akrylonitril butadien styren (ABS) med en høy kvalitet 3D-printer innstilling. Hvis andre vanlige 3D-utskrift materialer blir brukt, som polylactic syre (PLA) eller andre termoplastiske elastomerer, kontrollerer du at de ferdig mekaniske egenskapene (f.eks, elastisitet, ytelse styrke) er sammenlignbare med ABS.
- Koble de trykte delene fra utskrift plattformen av 3D-skriveren. Fjern den trykte bærende strukturen fra de ferdige delene.
Merk: Den bærende strukturen er designet av skriverspesifikke programvaren brukes til å konvertere den. STL modell filer til kjørbare instruksjon sett for 3D-skriver. Mengden og strukturen i støtte materialet kan variere basert på programvaren brukes. - Jevne trykte komponentene ved sliping noen ujevnheter bruker sandpapir. For best resultat bruk sandpapir grus størrelse ca 220. Kontroller at alle komponenter er glatt før montering.
- Kontroller at alle sju deler er skrevet ut.
Merk: Disse delene er oppkalt følgende: (I) Motor kontakt, (II) Traveler Push, (III) slutt stoppe, (IV) sprøyte plattform, (V) sprøyteklemmen, (VI) sprøyte stempelet hankontakter og (VII) sprøyte stempelet tilkobling. Romertallet for hver komponent kalles i figur 2A. En detaljert oversikt over de mekaniske delene for montering finnes i Tabellen for materiale.
- Last ned den. STL design filer fra Tilleggsfiler til notatet.
-
Montere sprøytepumpen (figur 2)
- Fest stepper motor til en gjenget stang med en motorakselen z fleksibel coupler med festeskruene. Før du fortsetter, må du kontrollere at roterende stepper motorakselen stasjonene gjenget stang uten forsinkelse.
- Koble sprøyten plattformen til motor kontakten ved å trykke på sprøyten plattformens tilkobling pinnene fast hullene parring på motor koblingen.
- Fest den sammensatte delen i trinn 1.2.1 med del i trinn 1.2.2 ved festing fire 16 mm skruene via motor connector.
- Sette inn to lineær kulelager og en 0,8 mm Sekskantet mutter inn i åpningene på bunnen av reisende push.
- Juster den gjenget stangen på motor kontakten gjennom 0,8 mm Sekskantet mutter i reisende push.
- Sett inn to lineær sjakter gjennom reisende push og motor koblingen.
- Plassere to hex nøtter i sekskantede områder av motor kontakt stykke, og bruk deretter to 16 mm skruene for å stramme tilkoblinger, sikre lineær sjakter flyttes.
- Inn midt åpningen av endestasjonen kulelager.
- Koble endestasjonen samlet komponentene fra trinn 1.2.7.
- Sted to hex nøtter i sekskantede mellomrom med slutten stopper stykke, og bruk deretter to 16 mm skruene for å stramme tilkoblingene for å påføre slutten stopp til forsamlingen.
- Fest sprøyte stempelet tilkobling stykket til reisende stempelstangen bruker to stål lock nøtter og to 16 mm skruene.
- Plass en 10 mL sprøyte på pumpen. Sikre hodet av stempelet justeres inn i hakket til sprøyten stempelet tilkobling stykket og toppen av sprøytesylinderen er fast i sporet på motor koblingen.
- Sett inn sprøyten stempelet hankontakter stykket i sprøyten stempelet kvinnelige kontakten. Kontroller at det er trangt mellom mannlige og kvinnelige komponenter, sikre stempelet på plass.
- Koble sprøyteklemmen sprøyte plattformen med to heksadesimale nøtter og to 35 mm-skruer, sikre sprøytesylinderen er fast i sporet av sprøyteklemmen.
2. Microfluidic enheten forberedelse
-
Dikte master former med klima og jordsmonn
Merk: En prosedyre som detaljering design og fabrikasjon av master muggsopp microfluidic apparat fabrikasjon kan finnes i forrige litteratur12.- Bruker programmet foretrukket dataassistert konstruksjon (CAD), opprette de nødvendige tegningene for en photomask og skrive den ut på et glass eller kvarts tallerkenen.
Merk: Andre materialer kan være akseptabelt basert på kravene til maske aligner brukes. Utskrift av disse photomasks er vanligvis fullført av en tredjepartsleverandør. - Bruke klima og jordsmonn metoder for å lage en master mold fra photomask. Følg denne fremgangsmåten i et renrom miljø.
- Utsett fabrikkerte master mold å en fluorosilane damp i et vakuum desiccator.
Merk: Denne prosessen forenkler utgivelsen av polydimethylsiloxane (PDMS) fra master mold når fabrikere microfluidic enheter. Å behandle master mold, legge til tre dråper av fluorosilane i et beaker og plassere begeret i et vakuum kammer. - Bruke et vakuum for 1 min. nær vakuum kammeret men holde master mold i kammeret i 30 minutter til la ham av fluorosilane. Som en forholdsregel å utføre denne prosedyren i avtrekksvifte begrense eksponering for farlige fluorosilane damp.
- Bruker programmet foretrukket dataassistert konstruksjon (CAD), opprette de nødvendige tegningene for en photomask og skrive den ut på et glass eller kvarts tallerkenen.
-
Utvikle PDMS innretninger
- Veie PDMS pre polymer i veie båt. Selv om ønsket tykkelse på endelige PDMS enheten kan variere, fungerer 30 g av pre polymer bra for en master mold av 100 mm i diameter.
- Måle og legge en herding agent i en 1:10 forholdet mellom den pre polymer. For en master mold av 100 mm i diameter, legge 3 g av en herding agent.
- Bland den pre polymer og herding agenten kraftig for hånd med en engangs slikkepott. Etter 30 s, kontroller at det er små, regelmessig atskilt luftbobler i løsningen, som angir den pre polymer og herding agenter er godt blandet.
- Plasser master mold i en kultur plate og hell nøye PDMS blandingen over master mold.
Merk: Ønsket tykkelse PDMS enheten kan variere avhengig av anvendelsen. - Degas blandingen i et vakuum desiccator for 1 hr. sikrer at ingen bobler er observerbare i blandingen. Hvis det er bobler stede, slipp det tomrommet trykket raskt, og deretter bruke et vakuum. La blandingen til å sitte i minst 10 min etter denne fremgangsmåten.
- Flytte PDMS blandingen til en ovn satt til 90 ° C. La blandingen til kur for 30 min.
- Fjerne PDMS fra master mold. Kutt PDMS i ønsket dimensjoner med et barberblad. Bruke hansker for å begrense PDMS eksponering forurensninger.
- Hull for innløp og utløp porter med en 23 G dispensering nål. Denne prosessen, filen nålen med en metall- eller sandpapir å skjerpe de Butte endene. Kontroller at krydres sylinderen av PDMS fjernes fra nålen etter hver punktering.
Merk: Pinne med forskjellige størrelser kan brukes for punching hull. Kontroller størrelsen er litt større enn nålene brukes i trinn 3 i denne protokollen. - Vask PDMS med filtrert deionisert vann og air-dry PDMS med en luft eller nitrogen kilde utstyrt med en 0,2 µm filter.
Merk: Nøyaktig trykket er ikke kritisk, og noen trykksatt gass fra byggets sentrale systemet fungerer godt for dette trinnet. - Rengjør en nr. 1 borosilicate cover barometer substrate med en surfactant, for eksempel et pulverisert vaskemiddel, og air-dry den med en trykkluft kilde utstyrt med en 0,2 µm filter. Rengjør den grundig dekning glass er ofte belagt med en hydrofobe smøring og kan ikke binde til PDMS med mindre det er rengjort.
- Bruker trykkfølsomme tape, lett trykk PDMS for å fjerne gjenværende støv. For å sikre støpte funksjonene ikke er kompromittert, ikke trykk med store mengder kraft på båndet.
- Plasser PDMS enheten et renset cover glass i en oksygen plasma renset i 1 sikre fargen fra plasma renere kammeret er lys magenta under prosessen. Kontroller at PDMS enheten har støpt funksjonene utsatt, ansiktet opp i plasma renere.
- Ta av PDMS og dekke glass fra plasma renere og plassere dekket glasset, ansiktet ned på PDMS enheten.
Merk: Dette får dekket glasset og PDMS å obligasjonslån nesten umiddelbart. Hvis bindingen ikke er synlig, trykker du forsiktig dekket glasset til PDMS i en del av PDMS uten støpte funksjoner. Dette skal gi bonding oppstår mellom PDMS og dekke glass. - Satt PDMS enheten i en ovn ved 90 ° C i minst 12 h å sikre PDMS cover glasset er godt limt.
3. tilbakemelding-kontrollerte sprøyter System forsamlingen
- Fjerne en passende mengde wire isolasjon og skjerming en trykksensor elektriske kabler med en barberhøvel. Vær forsiktig når du at ledningene ikke er svekket over ønsket lengde. Når isolering og skjerming fjernes koble ledningene til rektangulær hankontakter.
- Bruker en lignende tilnærming til forrige trinn, fjerne 1-2 cm tråd isolasjon fra en stepper motor fører og koble ledningene til rektangulær hankontakter.
- Feste sprøyten ved inntak siden av Trykk-sensor. Koble en 22 G dispensering nål ved uttaket siden av Trykk-sensor.
- Skyv en ende av 0,51 cm diameter rør over 22 G dispensering nålen knyttet til Trykk-sensor.
- Skyv den andre enden av 0,51 cm diameter rør over en 22 G dispensering nål som kan kobles til den microfluidic enheten. Koble nålen til innløp porten på microfluidic enheten.
- Koble stikkontakt havnen i en microfluidic enhet til et avfallshåndtering reservoar med 22 G nål og 0,51 cm diameter rør, ligner på innløpet portens tilkobling.
- Samle elektronisk krets på en prototyping brødfjel ifølge diagram i Figur 3.
Merk: Denne brødfjel serverer på forfatning signalet fra trykksensor overvåkes ved en mikrokontroller. Andre kompatible microcontrollers kan brukes til å overvåke press sensorsignalet. - Koble ledningene fra stepper motor med stepper motor driveren. Koble ledningene fra trykksensor og stepper motor driveren med brødfjel i henhold til skjemaet i Figur 3. Utsatte ledningene fra press sensor er fargekodet og være koblet slik: rød skal koble til V +, svart skal koble til V-, grønn skal koble til Signal + og hvitt skal koble til Signal-.
- Koble utgangssignalet fra brødfjel med den analoge inndataflytpunkt på microcontroller.
- Koble logikk inngående pinnene stepper motor driveren med digitale pinnene på microcontroller. TRINN input på stepper motor driveren er forbundet med en puls bredde modulert (PWM) port av digitale pinnene på microcontroller, merket med en "~" tegn.
- Koble strømforsyningen brødfjel ifølge diagram i Figur 3. Angi strømforsyningen til 10 V for brødfjel og stepper motor driveren.
4. Trykk Sensor kalibrering
Merk: Basert på forsterkeren valgt i dette papiret, formelen for å kalkulere gevinst er G = 5 + (200k/RG) med RG = R1 og G = forsterker gevinst. Forsterker gevinsten her er omtrent 606. Denne verdien kan endres ved å endre sabotørene brukte R1. I tillegg logikk microcontroller styret er 5 V og instrumentering er drevet med 10 V, brukes en enkel spenning skillelinje krets, R2 og R3, til å beskytte utgangssignalet å være mer enn 5 V.
- Dataoverføre og installere det riktige integrert utviklingsmiljøet (IDE) for microcontroller.
- Last ned kontroller koden kalt 'Pressure_Sensing.ino' fra det tilleggsfiler. Bruk denne koden er å erverve press signalet fra dobbelt trykk sensorer.
Merk: Microcontroller og kontroller koden brukes i dette papiret inkluderer analog input pinner med 10-biters oppløsning som lese de analoge signalene fra trykksensor hver 200 ms for å betjene den stepper motorer. Antall i braketten analogRead() tilsvarer den analoge inndataflytpunkt koblet til utgangssignalet fra spenning skillelinjen krets i press sensor krets i Figur 3. Forsinkelse variabelen representerer hvilket intervall som signalet er reevaluated og output følgelig i ms. - Bruke kjente press i innløpet til sensoren med stikkontakt avkortet og måle resulterende utgangssignalet.
Merk: En enkel metode for å kalibrere trykksensor bruker et reservoar med vann holdt med varierende høyder. Det gravitasjons presset oppdaget vil tillate en å kalibrere den trykk sensoren. - Tegn diagrammet med kalibrering trykket brukes (Pa) på x-aksen og press signalet (V) på y-aksen til å få en numerisk verdi for y-skjæringspunktet.
- Bruk denne numeriske verdien i Kontroller koden, som sensor1Offset og sensor2Offset variablene i 'Dual_Pump_PID_Control.ino' koden Tilleggsfiler, kalibrere press verdien i kontrollen tilbakemeldingssystem.
5. ta bilder fra Microfluidic enheten
- Koble en microcontroller til en åpen kildekode enkelt bord datamaskinen via et serielt grensesnitt slik at bildet tatt av microcomputer utløsere press målinger tas av mikrokontrolleren.
- Koble en Kameramodul laget for enkelt bord datamaskinen til en av øye-deler av en stereomicroscope. Her, brukes en 20 X forstørrelse å image microfluidic enheter.
6. kontroll sprøyte press pumper
- Åpne IDE for åpen kildekode microcontroller. Last ned Timer.h13 og AccelStepper.h14 biblioteker til microcontroller er IDE bibliotekmappe.
- Last ned kontroller koden kalt 'Dual_Pump_PID_Control.ino' fra Tilleggsfiler. Denne koden brukes til å kontrollere pumpesystem tilbakemelding-kontrollerte sprøyter med to pumper.
- Programmet kontroller koden slik at den passer eksperimentet blir utført. Endre kontrollparameterne eller timing-parametere for å passe den ønskede responsen og varigheten av forsøket. Kompilere og laste opp koden til microcontroller før du kjører eksperimentet.
Merk: Kontroller koden, setPoint1/2 verdier brukes til å endre press og stepper1/2Out verdiene brukes til å justere pumpen fart. De to siste verdiene i kolonnen AccelStepper stepper1/2 tilsvarer portnummeret på microcontroller. Variabelen milliTiming dikterer hyppigheten av lesing det analoge signalet fra trykk sensorer og variabelen printTiming bestemmer hvor ofte sender fart og trykk verdier til en seriell skjerm for inspeksjon. Alle enhetene er i ms. variabelen maxError bestemmes fra logikk nivå av microcontroller. En verdi på 5 brukes her som mikrokontrolleren i denne protokollen er 5 V. - Slå på strømforsyningen sprøyte pumper systemet. Sett spenningen til 10 V for stepper motor strømforsyningen.
7. tuning parameterne PID-kontrolleren
Merk: Ideelle kontrolleren parameterverdiene kan variere etter programmet og microfluidic enheten geometrien. For eksempel for langsiktige studier (timer), kan en lavere proporsjonal konstant (Kp) være å foretrekke å minimere oppnås på bekostning av responstid. Disse avveiningene, avhenger av eksperimentelle og mål.
- Tune kontrolleren, bruke en manuell tilnærming, ved første justering proporsjonal konstant (Kp) for å forbedre responstid for en step-funksjonen.
Merk: Selv om algoritmisk tilnærminger kan brukes, manuell arbeider for microfluidic programmer vises i dette dokumentet. - Deretter endre integrert (Ki) og differensial (Kd) parametere for å minimere overshoot og sikre en set-punktet stabilitet.
- Angi PID verdier for variablene Kp og Ki Kd i Kontroller koden Tilleggsfiler.
Subscription Required. Please recommend JoVE to your librarian.
Representative Results
Her presenterer vi en protokoll for tilbakemelding-kontrollerte sprøyter pumpe systemet og viser potensiell bruk for microfluidic programmer. Figur 1 viser det tilkoblede systemet av sprøytepumpe, trykksensor, microfluidic enhet, microcontroller, press sensor krets og stepper motor driver. Detaljert bildeforklaringer for sprøyten pumpe montering er vist i figur 2 og elektronisk krets skjematisk for press sensing vises i Figur 3. Prosessen med tuning kontrollere parameterne er vist i Figur 4. Til slutt, et representativt resultat av kontrollere innløp press i en to-innløp Y-formet microfluidic enhet er vist i figur 5.
Figur 1: oppsett av tilbakemelding-kontrollerte sprøyter pumpesystem. Dette bildet viser oppsettet for pumpesystem sprøyten. Sprøyten inneholder løsningen for injeksjon og er trukket ut av 3D-trykt sprøytepumpen. Som A. den piezoresistive trykk sensoren er forbundet med B. sprøytepumpen og C. microfluidic enheten, trykket fra enheten oppdages og omgjort til et elektrisk signal til D. press sensor krets med instrumentering forsterker når væsken leveres gjennom slangen. Signalet fra trykksensor leses av E. åpen kildekode microcontroller bord som deretter overfører nødvendig signalet til F. stepper motor føreren å kontrollere aktivering av sprøytepumpen. G. en strømforsyning og H. en bærbar datamaskin er nødvendig å operere og program systemet. Klikk her for å se en større versjon av dette tallet.
Figur 2: montering bilde for 3D-trykt sprøytepumpen. Denne illustrasjonen viser trinnvise instruksjoner for samlingen 3D-trykt sprøyte pumpen med bilder tilsvarer fremgangsmåten i trinn 1.2 av protokollen. A. dette bildet viser materialet for den sprøyten forsamlingen. B. dette bildet viser hvordan stepper motor er koblet til den gjenget stangen (trinn 1.2.1). C. dette bildet viser hvordan delen fra trinn 1.2.1 protokollen er koblet til delen fra trinn 1.2.2 protokollen (trinn 1.2.3). D. Dette bildet viser montering av reisende stempelstangen (trinn 1.2.5). E. dette bildet viser hvordan endestasjonen er koblet (trinn 1.2.10). F. dette bildet viser hvordan sprøyte stempelet tilkobling stykket er koblet til samlet komponentene (trinn 1.2.11). G. dette bildet viser montering av sprøyte stempelet hankontakter stykket (trinn 1.2.13). H. dette bildet viser hvordan sprøyteklemmen er koblet (trinn 1.2.14). Klikk her for å se en større versjon av dette tallet.
Figur 3: illustrasjon til microcontroller og press sensor krets. Kretsen kan microcontroller styret å måle forsterket press signaler fra press sensor. A. dette er montering bildet for krets. B. denne illustrasjonen viser kretskortet oppsettene. Utsatte ledningene fra press sensor er fargekodet og være koblet slik: rød skal koble til V +, svart skal koble til V-, grønn skal koble til Signal + og hvitt skal koble til Signal-. Klikk her for å se en større versjon av dette tallet.
Figur 4: Tuning av kontrollparametere. PID kontrolleren brukes til å regulere væske pumpetrykk sprøyte kan stilles ved å endre den proporsjonal (Kp), integrert (Ki) og differensial (Kd)-parametere. Her viser vi hvordan tuning (med Kp) vil bidra til å redusere responstiden. Videre tuning (med Ki og Kd) kan bidra til å sikre en setpoint stabilitet og redusere overshoot. I denne protokollen stilles hovedsakelig kontrollere med en manuell prøving og feiling tilnærming. Klikk her for å se en større versjon av dette tallet.
Figur 5: kontroll innløp press for laminær strømning microfluidic enheter. En Y-formet microfluidic enhet er fabrikkert følge fremgangsmåten i trinn 2 av denne protokollen. Enheten har to innløp porter og en stikkontakt-port. To sprøyte pumpesystemer samlet for å kontrollere inngangstrykk. En av sprøyter er lastet med en blå farge og den andre er lastet med vann. A. disse bildene av væske fra samme presset fra begge pumpene er fanget ved hjelp av tilnærming i trinn 6 i denne protokollen. B. denne illustrasjonen viser hvordan inngangstrykk overvåkes og kontrolleres med PID kontrolleren innstilt i Figur 4. Lukk tilslutning til settpunkt kan observeres. Kortere (s) og lengre (h) eksperimenter har vist lignende resultater. Klikk her for å se en større versjon av dette tallet.
Subscription Required. Please recommend JoVE to your librarian.
Discussion
Her presentert vi en ny design for en sprøyte pumpesystem med lukket trykkontroll. Dette ble gjort ved å integrere en 3D-trykt sprøytepumpe med piezoresistive press sensor og en åpen kildekode mikrokontroller. Ved å bruke en PID-kontroller, var vi i stand til nettopp styre innløp trykket og gir raske svartider samtidig som stabiliteten om et angitt tidspunkt.
Mange eksperimenter med microfluidic enheter krever en presis fluidic kontroll og utnytte en godt karakterisert laminær strømning profil. Eksempler der en stabil profil er viktig er eksperimenter som utforske timelige og romlig konsentrasjon graderinger15 og generere nøyaktige fluidic encapsulations for videre analyse16. Ved å bruke en PID-kontroller til å opprettholde høy ytelse svaret, produserer systemet er beskrevet i denne protokollen flyt regulering og langsiktig stabilitet nødvendig å studere slike laminær strømning eksperimenter.
Det er imidlertid viktig å innse at microfluidic og eksperimenter dem har subtile variasjoner og forskjeller. For eksempel kan ulike microfluidic geometrier (kanal bredde og høyde) nødvendiggjøre forskjellige strømnings profiler. Som et resultat, må parametere for PID kontrollerne være innstilt tilsvarende. I tillegg kan noen eksperimenter krever en stram regulering av press områdene. I disse tilfellene kan press overshoot ikke være akseptabelt. Som sådan, må PID kontrollparameterne være innstilt slik at oppnås er minimert, vanligvis på bekostning av responstid.
På grunn av lavkost produksjon av denne sprøyte pumpesystem kunne forskerne raskt utvikle microfluidic eksperimenter. De beregnede kostnadene for 3D-trykt sprøytepumpe, microcontroller, og press sensor krets er omtrent US$ 130. I motsetning til kommersielt tilgjengelige alternativer, slik som peristaltiske og resirkulering pumper, sprøyte pumpe systemet gir en fleksibel og enkel plattform som kan tilpasses en rekke laboratorium bruker. Selv om ikke diskutert her, kan enklere kontroll strategier, som bang bang kontrolleren, bli brukt for langsiktig microfluidic studier. I tillegg kan pumpesystemer sprøyte brukes til å legge et vakuum trykk en volumkontroll.
En potensiell begrensning av dette sprøyte pumpe systemet bruker en PID-kontroller er avhengigheten av en konstant strømforsyning. PID kontroll metoden krever konstant energigivende i stepper motor, er det en relativt stor makt behov. I kontrast, energizes bang bang kontrolleren bare stepper motor når det er nødvendig, bruker vesentlig mindre strøm. Dette makt kravet kan begrenses ved å utvikle en hybrid strukturen som implementerer en PID-kontroller for å først nå mange set-punktet, og deretter de energizes stepper motor spoler når trykket verdien er innenfor et gitt set-punktet. Alternativt kan en enkel smell-bang kontroller brukes også.
I tillegg denne sprøyte pumpesystem gir en fleksibel ytelse og kontroll ved å endre størrelsen på både stepper motor og sprøyten selv. Tidligere eksperimenter, har vi brukt sprøyter 1 mL, 5 mL, 10 mL og 30 mL. Naturligvis, hver sprøytepumpe kan nødvendiggjøre litt annerledes PID kontrolleren parametere og ville derfor krever individuell parameteren tuning. Men kan denne fleksibiliteten sprøyte pumpesystem beskrevet i denne protokollen skal brukes i en rekke applikasjoner.
Det bør bemerkes at et felles område for microdevice svikt er en manglende evne til å effektivt bånd PDMS til dekket glasset. Microfluidic apparat fabrikasjon, bør kraften i plasma renere optimaliseres hvis bindingen er ineffektivt. Også må noen smøremidler eller urenheter på dekket glasset overflate fjernes før liming å sikre et sterkt bånd med PDMS. Grundig vask og fjerne støv fra komponenten PDMS bør bidra til å sikre en god tetning er dannet mellom PDMS og glass.
Rimelig, tilbakemelding-kontrollerte sprøyter pumpesystem presenteres her kan forskere til å manipulere flytende profilen med en høy grad av stabilitet på en fleksibel måte. Ved å integrere modulen press sensing med enkel PID metoder, er systemet kjøpedyktig skaffe høy ytelse press-drevet flytkontroll. Dette verktøyet kan grovt brukes på mange forskningsfelt der microfluidics verktøy er i bruk.
Subscription Required. Please recommend JoVE to your librarian.
Disclosures
Forfatterne ikke avsløre.
Acknowledgments
Forfatterne bekrefter støtte fra Office of Naval Research awards N00014-17-12306 og N00014-15-1-2502, så vel som fra Luftforsvaret Office av vitenskapelig forskning prisbelønte FA9550-13-1-0108 og 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).
