Summary
Nous présentons ici un protocole visant à construire une pompe à seringue sous pression contrôlée pour être utilisé dans les applications de la microfluidique. Ce pousse-seringue est issu d’un corps additivement manufacturés et matériel sur étagère électronique open source. Le système est peu coûteux et simples à générer et délivre le fluide bien réglementé pour activer la recherche rapide microfluidiques.
Abstract
La microfluidique est devenu un outil essentiel dans la recherche biologique, chimique, et en sciences physiques. Un élément important de l’expérimentation de la microfluidique est un fluide stable système capable de fournir avec précision un débit d’aspiration ou la pression à l’entrée de manutention. Ici, nous avons développé un système de pompe seringue capable de contrôler et de réguler la pression d’admission du fluide livré à un dispositif microfluidique. Ce système a été conçu à l’aide de matériaux peu coûteux et les principes de fabrication additive, exploitant en trois dimensions (3D) impression de matériaux thermoplastiques et composants sur étagère, lorsque cela est possible. Ce système est composé de trois éléments principaux : un pousse-seringue, un capteur de pression et un microcontrôleur programmable. Dans cet article, nous détaillons un ensemble de protocoles de fabrication, montage et programmation de ce système de pompe à seringue. En outre, nous avons inclus les résultats représentatifs qui démontrent la haute-fidélité, régulation de pression d’admission à l’aide de ce système. Nous attendons ce protocole permettra aux chercheurs fabriquer des systèmes de pompe seringue de faible coût, en abaissant la barrière à l’entrée pour l’utilisation de la microfluidique en biomédical, chimique et la recherche sur les matériaux.
Introduction
Outils de microfluidique sont devenus utiles pour les scientifiques dans la recherche biologique et chimique. En raison de l’utilisation de faible volume, les capacités de mesure rapide et profils d’écoulement bien définis, la microfluidique a gagné traction en génomique et protéomique recherche, criblage à haut débit, diagnostic médical, nanotechnologie et unicellulaires analyse1,2,3,4. En outre, la flexibilité de la conception du dispositif microfluidique permet aisément des recherches scientifiques fondamentales, telles que l’enquête sur la dynamique spatio-temporelle des colonies bactériennes cultivées5.
Plusieurs types de systèmes d’injection de fluide ont été développés pour soutenir avec précision la circulation Dispositifs microfluidiques. Exemples de tels systèmes d’injection péristaltique et pompes de recirculation6, contrôleur de pression systèmes7et seringue pompes8. Ces systèmes d’injection, y compris les pompes à seringue, sont souvent constituées de composants coûteux précision machinée. Augmenter ces systèmes avec asservissement en boucle fermée de la pression dans le flux de sortie augmente le coût de ces systèmes. En réponse, nous avons précédemment développé un système de pompe seringue robuste et peu coûteux qui utilise l’asservissement à boucle fermée pour réguler la pression en sortie. En utilisant le contrôle de la pression du circuit fermé, le besoin de composants de haute précision chers est abrogée9.
La combinaison de matériel d’impression 3D abordable et une croissance importante dans les logiciels open source associés réalise la conception et la fabrication des dispositifs microfluidiques plus accessibles aux chercheurs de diverses disciplines,10. Cependant, les systèmes utilisés pour fluide en voiture par le biais de ces dispositifs restent chers. Pour répondre à cette nécessité d’un système de contrôle des fluides peu coûteux, nous avons développé un design qui peut être fabriqué par des chercheurs dans le laboratoire, qui exige seulement un petit nombre d’étapes de l’assemblage. Malgré son assemblage simple et peu coûteux, ce système peut fournir le contrôle de flux précis et offre une alternative aux systèmes de pompe seringue disponible dans le commerce, circuit fermé, qui peut être prohibitif.
Ici, nous fournissons des protocoles pour la construction et l’utilisation de la boucle fermée contrôlée seringue système de pompe, nous avons développé (Figure 1). Le liquide de système de gestion se compose d’une pompe à seringue physique inspirée par une précédente étude11, un microcontrôleur et un capteur de pression piézorésistif. Lors de l’assemblé et programmé avec un contrôleur de proportionnel-intégral-dérivé (PID), le système est capable de délivrer un débit bien réglementé et par la pression de dispositifs microfluidiques. Ceci fournit une alternative souple et peu coûteuse au coût élevé des produits commerciaux, permettant à un plus large groupe de chercheurs d’utiliser microfluidics dans leur travail.
Subscription Required. Please recommend JoVE to your librarian.
Protocol
1. 3D-impression et montage de pompe à seringue
-
Préparer et impression 3D la seringue pompe composants
- Télécharger le. Fichiers STL conception des Fichiers supplémentaires du présent document.
Remarque : Il y a six. Les fichiers STL, intitulés « 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 », et ' JoVE_Syringe_Pump_Traveler_ Push.STL', dans les fichiers complémentaires. Ces fichiers correspondent aux composants de la pompe à seringue imprimés 3D. - Préparer ces fichiers pour l’impression de les ouvrir en un progiciel dédié à la conversion des. Fichiers de modèle STL pour les jeux d’instructions exécutables pour l’imprimante 3D utilisé. S’assurer que le logiciel approprié est utilisé comme certaines imprimantes exigera un logiciel propriétaire, tandis que d’autres peuvent être en mesure d’imprimer directement à partir de la. Fichier STL.
- Imprimer les composants en plastique à l’aide d’acrylonitrile butadiène styrène (ABS) avec un réglage d’imprimante 3D de haute qualité. Si d’autres matériaux d’impression 3D communs est utilisés, tels que l’acide polylactique (PLA) ou autres élastomères thermoplastiques, assurez-vous que les propriétés mécaniques finies (p. ex., élasticité, limite d’élasticité) sont comparables à l’ABS.
- Détacher les parties imprimées de la plate-forme d’impression de l’imprimante 3D. Retirer la structure portante imprimée les pièces finies.
Remarque : La structure portante est conçue par le logiciel d’imprimante spécifique utilisé pour convertir les. Fichiers de modèles STL à l’instruction exécutable définissent pour l’imprimante 3D. Le montant et la structure du matériau support peuvent varier en fonction du logiciel utilisé. - Lisser les composants imprimés en ponçant les bords rugueux à l’aide de papier de verre. Pour de meilleurs résultats, utilisez du papier de verre avec une granulométrie d’environ 220. Assurez-vous que tous les composants sont lisses avant l’assemblage.
- Veiller à ce que toutes les parties de sept ont été imprimés.
Remarque : Ces pièces ont été nommés ce qui suit : (I) connecteur moteur, pousser de voyageur (II), (III) fin arrêter, plate-forme de seringue (IV), (V) seringue pince, connecteur mâle du piston de seringue (VI) et connecteur femelle de la seringue de plongeur (VII). Le chiffre romain pour chacun des composants est dénommé dans la Figure 2 a. Une liste détaillée des pièces mécaniques pour l’assembly se trouve dans la Table des matières.
- Télécharger le. Fichiers STL conception des Fichiers supplémentaires du présent document.
-
Assembler le pousse-seringue (Figure 2)
- Fixez le moteur pas à pas pour une tige filetée à l’aide d’un arbre moteur coupleur flexible de l’axe z avec vis de fixation. Avant de continuer, assurez-vous que tournant les lecteurs d’arbre du moteur pas à pas la tige filetée, sans glissement.
- Connecter la plate-forme de la seringue sur le moteur en appuyant fermement les fiches de connexion de la plate-forme de la seringue dans les trous d’accouplements sur le connecteur du moteur.
- Fixez la partie Assemblée à l’étape 1.2.1 avec la partie en étape 1.2.2 en serrant les quatre vis de 16 mm à travers le connecteur du moteur.
- Insérer les deux roulements à billes linéaires et un écrou hexagonal de 0,8 mm dans les ouvertures situées sur la partie inférieure de la poussée du voyageur.
- Aligner la tige filetée sur le connecteur du moteur par l’intermédiaire de l’écrou hexagonal de 0,8 mm à la push de voyageur.
- Insérez les deux arbres linéaires grâce à la poussée du voyageur et le connecteur du moteur.
- Placer les deux écrous hexagonaux dans les espaces hexagonales de la pièce de raccord moteur et ensuite utiliser deux vis de 16 mm pour serrer les raccords, fixer les axes linéaires de se déplacer.
- Insérez le roulement à billes dans l’ouverture centrale de la butée.
- Connectez la butée avec les composants assemblés à l’étape 1.2.7.
- Deux écrous hexagonaux de place dans les espaces hexagonales de la fin arrêter la pièce et ensuite utilisent deux vis de 16 mm pour serrer les raccords d’apposer la butée à l’Assemblée.
- Fixer la pièce de connecteur femelle de piston de seringue pour le poussoir de voyageur à l’aide de deux écrous de serrage en acier et deux vis de 16 mm.
- Placez une seringue de 10 mL sur le dessus de la pompe. S’assurer que la tête du piston est alignée dans l’encoche de la pièce de connecteur femelle de piston de seringue et le haut de la seringue est fixé dans la fente du connecteur du moteur.
- Insérez la pièce de connecteur mâle de piston de seringue dans le connecteur femelle de piston de seringue. Veiller à ce qu’il y ait un ajustement serré entre les éléments mâles et femelles, sécuriser le piston en place.
- Brancher la pince de la seringue à la plate-forme de la seringue à l’aide de deux écrous et deux vis de 35 mm, assurer que la seringue est fixée dans la fente de la pince de la seringue.
2. préparation du dispositif microfluidique
-
Fabriquer des moules maîtres à l’aide de la photolithographie
Remarque : Une procédure décrivant la conception et la fabrication de maîtres moules pour la fabrication de dispositifs microfluidiques trouvera dans anciens littérature12.- En utilisant le logiciel de conception assistée par ordinateur (CAD), créer les dessins nécessaires pour un photomasque et imprimez-le sur une plaque de verre ou en quartz.
Remarque : Autres matériaux peut être acceptable basée sur les exigences de l’aligneur de masque utilisé. L’impression de ces masques photographiques est généralement réalisée par un fournisseur tiers. - Méthodes de photolithographie permettent de créer un moule maître de la photolithographie. Exécutez cette procédure dans un environnement de salle blanche.
- Exposer le moule principal fabriqué à une vapeur de fluorosilane dans un dessiccateur à vide.
Remarque : Ce processus facilite la libération de polydiméthylsiloxane (PDMS) du maître moule lorsque la fabrication des dispositifs microfluidiques. Pour traiter le moule principal, ajoutez trois gouttes de fluorosilane dans un bécher et placer le bécher dans une chambre à vide. - Appliquer un vide pendant 1 min. fermer la chambre à vide, mais garder le moule principal dans l’hémicycle pendant 30 min afin de permettre le dépôt de fluorosilane. Par mesure de précaution, effectuez cette procédure sous une hotte pour limiter l’exposition à la vapeur de fluorosilane dangereux.
- En utilisant le logiciel de conception assistée par ordinateur (CAD), créer les dessins nécessaires pour un photomasque et imprimez-le sur une plaque de verre ou en quartz.
-
Fabrication d’engins PDMS
- Peser le prépolymère PDMS dans un bateau de pesée. Mais l’épaisseur désirée du dispositif PDMS final peut varier, 30 g de prépolymère fonctionne bien pour un maître moule de 100 mm de diamètre.
- Mesurer et ajouter un adjuvant de salaison dans un 01:10 ratio pour le prépolymère. Pour un moule de maître de 100 mm de diamètre, ajouter 3 g d’un adjuvant de salaison.
- Mélanger vigoureusement l’agent prépolymère et séchage à la main à l’aide d’une spatule jetable. Après 30 s, vérifiez qu’il existe des petits, séparées régulièrement des bulles d’air dans la solution, indiquant le prépolymère et agents de polymérisation sont bien mélangés.
- Placer le moule principal dans une plaque de culture et verser délicatement le mélange PDMS sur le dessus le moule principal.
Remarque : L’épaisseur désirée du dispositif PDMS peut varier selon sa demande. - Dégazer le mélange dans un dessiccateur à vide pour 1 hr. veiller à ce qu’aucune bulle n’est observables dans le mélange. Si il n’y a aucune bulles présents, relâchez la pression de vide rapidement et puis réappliquez un vide. Laissez le mélange reposer pendant au moins 10 min après cette procédure.
- Passer le mélange PDMS à un four réglé à 90 ° C. Laissez le mélange pendant 30 min.
- Retirez le PDMS le moule principal. Couper le PDMS dans les dimensions souhaitées à l’aide d’une lame de rasoir. Porter des gants pour limiter l’exposition PDMS aux contaminants.
- Percez les trous pour les orifices d’entrée et de sortie avec une aiguille de distribution 23 G. Pour faciliter ce processus, déposer l’aiguille avec une lime ou du papier de verre pour affûter les extrémités franches. Veiller à ce que le cylindre ponctué de PDMS est supprimé de l’aiguille après chaque piqûre.
NOTE : Les aiguilles de différentes tailles peuvent être utilisés pour percer des trous. Assurez-vous que la taille est légèrement plus grosse que les aiguilles utilisées à l’étape 3 du présent protocole. - Laver le PDMS avec de l’eau désionisée filtrée et sécher le PDMS en utilisant une source d’air ou d’azote munie d’un filtre de 0,2 µm.
Remarque : La pression exacte n’est pas critique, et une source de gaz sous pression du système central du bâtiment fonctionne bien pour cette étape. - Nettoyer un substrat de couvercle en verre de borosilicate n° 1 avec un agent tensio-actif, comme un détergent en poudre et sécher à l’air à l’aide d’une source d’air comprimé munie d’un filtre à 0,2 µm. Nettoyez-la soigneusement comme couvercle en verre est souvent enduite d’un lubrifiant hydrophobe et est incapable de se lier au PDMS, sauf s’il est correctement nettoyé.
- À l’aide de bandes adhésives, effleurent le PDMS pour enlever la poussière résiduelle. Afin d’assurer que les fonctions moulées ne soient pas compromises, n’appuyez pas avec de grandes quantités de force sur la bande.
- Placez l’appareil PDMS et un couvercle en verre nettoyé dans un plasma oxygène nettoyeur pendant 1 min. s’assurer que la couleur de la chambre plus propre de plasma est magenta vif au cours du processus. S’assurer que le dispositif PDMS a ses caractéristiques moulés exposées, face vers le haut, dans le plasma nettoyant.
- Prenez le PDMS et le couvercle en verre du plasma cleaner et placez le couvercle en verre, face cachée, sur le périphérique PDMS.
Remarque : Ceci entraînera le couvercle en verre et le PDMS pour coller presque immédiatement. Si la liaison n’est pas visible, appuyez doucement sur le couvercle en verre pour le PDMS dans une section du PDMS dépourvu de fonctionnalités moulées. Cela devrait poser la liaison entre le PDMS et le couvercle en verre. - Mettez l’appareil PDMS dans un four à 90 ° C pendant au moins 12 heures pour que le PDMS et le couvercle en verre soient bien collés.
3. seringue rétroaction contrôlée par système de pompe
- Enlever une quantité appropriée de la longueur de l’isolant des fils et le blindage du câble électrique d’un capteur pression à l’aide d’un rasoir. Soyez doux lors de la coupe afin de s’assurer que les fils ne soient pas compromises au-dessus de la longueur désirée. Une fois l’isolant et le blindage sont enlevés, branchez les câbles aux connecteurs rectangulaires mâles.
- En utilisant une approche similaire à l’étape précédente, enlever 1 à 2 cm de l’isolant des fils des câbles d’un moteur pas à pas et connecter les fils sur les connecteurs rectangulaires mâles.
- Fixer la seringue sur le côté d’arrivée de la sonde de pression. Connecter une aiguille de 22 G distribution sur le côté de la sortie de la sonde de pression.
- Faites glisser une extrémité du tuyau de diamètre de 0,51 cm sur l’aiguille de 22 G distribution attaché à la sonde de pression.
- Faites glisser l’autre extrémité du tuyau de diamètre de 0,51 cm sur une aiguille de 22 G distribution qui peut être connectée au dispositif microfluidique. Se connecter à l’aiguille à l’orifice d’entrée du dispositif microfluidique.
- Connectez le port de sortie d’un dispositif microfluidique à un réservoir d’élimination des déchets à l’aide d’une aiguille de 22 G et le tube de diamètre de 0,51 cm, similaire à la connexion de l’orifice d’entrée.
- Assembler le circuit électronique sur une maquette de prototypage selon le schéma de la Figure 3.
Remarque : Cette maquette permet de conditionner le signal du capteur de pression à être contrôlés par un microcontrôleur. Autres microcontrôleurs compatibles peuvent servir à contrôler le signal de capteur de pression. - Connectez les fils du moteur pas à pas avec le conducteur de moteur pas à pas. Branchez les fils de la sonde de pression et le moteur pas à pas avec le montage d’essai selon le schéma de la Figure 3. Les fils dénudés du capteur de pression sont à codes de couleur et doit être connectés comme suit : rouge doit se connecter à V +, noir doit se connecter sur V-, vert doit se connecter au Signal + et blancs doivent se connecter sur Signal-.
- Connectez le signal de sortie de la maquette avec la broche d’entrée analogique sur le microcontrôleur.
- Connecter les broches d’entrée logique du conducteur moteur pas à pas avec les broches numériques sur le microcontrôleur. Le signal d’entrée progressif sur le conducteur de moteur pas à pas est lié à un port pulse width modulé (PWM) broches numériques sur le microcontrôleur, précédé d’un ' ~' sign.
- Branchez l’alimentation électrique avec le montage d’essai selon le schéma de la Figure 3. Affectez à l’alimentation 10 V pour la maquette et le conducteur de moteur pas à pas.
4. étalonnage du capteur de pression
NOTE : Basé sur l’ampli choisi dans cet article, la formule pour calculer le gain est G = 5 + (200k/RG) avec RG = R1 et G = gain de l’amplificateur. Le gain de l’amplificateur ici est environ 606. Cette valeur peut être modifiée en changeant la résistance utilisée pour R1. En outre, comme le niveau de la logique des membres du microcontrôleur est 5 V et l’instrumentation est équipée de 10 V, un circuit diviseur de tension simple, R2 et R3, est utilisé pour sauvegarder le signal de sortie à pas plus de 5 V.
- Téléchargez et installez l’environnement approprié de développement intégré (IDE) pour le microcontrôleur.
- Télécharger le code du contrôleur intitulé « Pressure_Sensing.ino » des fichiers supplémentaires. Utilisez ce code est d’acquérir le signal de pression de capteurs de pression double.
Remarque : Le code microcontrôleur et contrôleur utilisé dans le présent document comprend des broches d’entrée analogiques avec une résolution de 10 bits qui lire les signaux analogiques du capteur de pression chaque 200 ms afin d’actionner les moteurs pas à pas. Le nombre dans le support de analogRead() correspond à la broche d’entrée analogique connectée au signal de sortie d’un circuit diviseur de tension dans le circuit de capteur de pression à la Figure 3. La variable delay représente l’intervalle à laquelle le signal est réévalué et la sortie en conséquence, en ms. - Appliquer des pressions connues à l’entrée du capteur avec la sortie plafonnée et mesurer le signal de sortie qui en résulte.
Remarque : Une méthode simple pour calibrer le capteur de pression utilise un réservoir avec de l’eau qui s’est tenue à différentes hauteurs. La pression gravitationnelle résultante détectée permettra d’étalonner le capteur de pression. - Tracer le diagramme avec la pression de calibrage appliquée (Pa) sur l’axe des abscisses et le signal de pression (V) sur l’axe y pour obtenir une valeur numérique de l’ordonnée à l’origine.
- Appliquer cette valeur numérique dans le code du contrôleur, tels que les variables sensor1Offset et sensor2Offset dans le code « Dual_Pump_PID_Control.ino » des Fichiers supplémentaires, pour calibrer la valeur de la pression dans le système de contrôle de rétroaction.
5. capture d’Images à partir du dispositif microfluidique
- Connecter un microcontrôleur pour un ordinateur monocarte d’open source via une interface série pour que l’image capturée par les mesures de pression de déclencheurs de micro-ordinateur à prendre par le microcontrôleur.
- Connecter un module de caméra fait pour l’ordinateur monocarte à l’une des pièces-oeil d’un stéréomicroscope. Ici, un grossissement de X 20 est utilisé afin d’imager les dispositifs microfluidiques.
6. contrôler la pression pompes à seringue
- Ouvrir l’IDE pour le microcontrôleur de l’open source. Télécharger les Timer.h13 AccelStepper.h14 bibliothèques au répertoire de bibliothèque IDE du micro-contrôleur.
- Télécharger le code du contrôleur intitulé « Dual_Pump_PID_Control.ino » des Fichiers supplémentaires. Ce code est utilisé pour contrôler le système de pompe seringue de rétroaction contrôlée avec deux pompes.
- Programmer le code du contrôleur afin qu’il tienne l’expérience en cours. Modifier les paramètres de contrôle ou les paramètres de synchronisation pour adapter la réponse désirée et la durée de l’expérience. Compiler et télécharger le code pour le microcontrôleur avant d’exécuter l’expérience.
Remarque : Dans le code du contrôleur, setPoint1/2 valeurs sont utilisées pour modifier le niveau de pression et stepper1/2Sort valeurs servent à ajuster la vitesse de la pompe. Les deux dernières valeurs dans la colonne de stepper1/2 AccelStepper correspondent au numéro de port sur le microcontrôleur. La variable milliTiming dicte la fréquence de lire le signal analogique des capteurs de pression, et la variable printTiming dicte la fréquence de sortie des valeurs de vitesse et de pression à un serial monitor for inspection. Toutes les unités sont dans le ms. que la variable maxError est déterminée à partir du niveau de la logique des membres du microcontrôleur. Une valeur de 5 est utilisée ici comme le microcontrôleur dans le présent protocole est de 5 V. - Allumez l’alimentation électrique pour le système de pompes à seringue. Régler la tension de 10 V pour l’alimentation du moteur pas à pas.
7. réglage des paramètres du régulateur PID
Remarque : Les valeurs de paramètre du contrôleur idéal peuvent varier selon l’application et la géométrie du dispositif microfluidique. Par exemple, pour les études à long terme (heures), une constante proportionnelle inférieur (Kp) peut être préférable de réduire au minimum le dépassement au détriment des temps de réponse. Ces compromis dépendant des objectifs et des conditions expérimentales.
- Régler le contrôleur, en utilisant une méthode manuelle, en premier, ajustant la constante proportionnelle (Kp) pour améliorer le temps de réponse d’une fonction en escalier.
Remarque : Même si les approches algorithmiques peuvent utilisé, manuel réglage fonctionne pour les applications de microfluidique montré dans cet article. - Ensuite, modifier les integral (Ki) et différentiels (Kd) paramètres à minimiser le dépassement et assurent une stabilité de la consigne.
- Définissez les valeurs de PID pour les variables Kp, Ki et Kd dans le code du contrôleur des Fichiers supplémentaires.
Subscription Required. Please recommend JoVE to your librarian.
Representative Results
Nous présentons ici un protocole pour la construction d’une seringue de rétroaction contrôlée par système de pompe et de démontrer ses utilisations potentielles pour les applications de la microfluidique. La figure 1 illustre le système connecté des pousse-seringue, capteur de pression, dispositif microfluidique, microcontrôleur, circuit de capteur de pression et conducteur de moteur pas à pas. Des légendes détaillées pour l’ensemble de pompe seringue sont indiquées à la Figure 2 et le circuit électronique schématique pour la détection de pression est présenté à la Figure 3. Le processus des commande paramètres de réglage est illustré à la Figure 4. Enfin, un résultat représentatif de contrôler la pression à l’entrée dans un dispositif microfluidique de deux-entrée en forme de Y est montré dans la Figure 5.
Figure 1 : configuration de l’installation de pompe seringue contrôlée par rétroaction. Cette image illustre la configuration du système de pompe à seringue. La seringue contient la solution pour injection et est actionnée par la pompe à seringue imprimés 3D. Comme A. le capteur de pression piézorésistif est connecté avec B. le pousse-seringue et C. le dispositif microfluidique, la pression de l’appareil est détecté et converti en un signal électrique au D. le circuit de capteur de pression avec amplificateur d’instrumentation une fois le liquide est livré par l’intermédiaire de la tubulure. Le signal du capteur de pression est lu par E. le microcontrôleur libres à bord qui puis transmet le signal nécessaire à F. le conducteur de moteur pas à pas pour contrôler l’actionnement de la pompe à seringue. G. une alimentation et H. un ordinateur portable est nécessaire pour exploiter et programmer le système. S’il vous plaît cliquez ici pour visionner une version agrandie de cette figure.
Figure 2 : photo montage de la pompe à seringue imprimés 3D. Cette figure montre les étapes à suivre pour l’ensemble de pompe seringue 3D-imprimés, avec des photos correspondant à la procédure à l’étape 1.2 du protocole. A. cette image montre les matériaux pour l’ensemble de pompe de seringue. B. cette image montre comment le moteur pas à pas est relié à la tige filetée (1.2.1 étape). C. cette image montre comment la partie de l’étape 1.2.1 du protocole est reliée à la partie de l’étape 1.2.2 du protocole (étape 1.2.3). D. Cette image montre l’Assemblée de la pièce de pousser de voyageur (étape 1.2.5). E. cette image montre comment la butée est connectée (étape 1.2.10). F. cette image montre comment le morceau de connecteur femelle de piston de seringue est relié aux composants assemblés (étape 1.2.11). G. cette image montre le montage de la pièce de connecteur mâle de piston de seringue (étape 1.2.13). H. cette image montre comment la pince de la seringue est connectée (étape 1.2.14). S’il vous plaît cliquez ici pour visionner une version agrandie de cette figure.
Figure 3 : Illustration pour le circuit capteur pression et microcontrôleur. Le circuit permet au jury de microcontrôleur mesurer des signaux de pression amplifié par le capteur de pression. A. c’est la photo de l’Assemblée pour le circuit. B. cette figure montre les schémas de circuit imprimé. Les fils dénudés du capteur de pression sont à codes de couleur et doit être connectés comme suit : rouge doit se connecter à V +, noir doit se connecter sur V-, vert doit se connecter au Signal + et blancs doivent se connecter sur Signal-. S’il vous plaît cliquez ici pour visionner une version agrandie de cette figure.
Figure 4 : réglage des paramètres de la commande. Le contrôleur de PID utilisé pour réguler la pression du fluide pompe seringue peut être réglé en modifiant la proportionnelle (Kp), integral (Ki) et différentiels (Kd) paramètres. Ici, nous montrons comment tuning (à l’aide de Kp) contribuera à réduire le temps de réponse. Tuning plus loin (à l’aide de Ki et Kd) peut aider à assurer une stabilité de la valeur de consigne et réduire la remise des gaz. Dans ce protocole, les contrôleurs sont principalement réglés en utilisant une approche essais-erreurs manuelle. S’il vous plaît cliquez ici pour visionner une version agrandie de cette figure.
Figure 5 : contrôle de la pression d’entrée pour un dispositif microfluidique de flux laminaire. Un dispositif microfluidique en forme de Y est fabriqué suivant la procédure décrite à l’étape 2 du présent protocole. L’appareil dispose de deux ports d’entrée et une sortie. Deux systèmes de pompe à seringue sont assemblés pour contrôler la pression à l’arrivée. Une des seringues est chargée avec un colorant bleu et l’autre est chargé avec de l’eau. A. ces images de l’écoulement du fluide dû à la même pression fournie par les deux pompes sont capturées à l’aide de l’approche détaillée à l’étape 6 du présent protocole. B. ce chiffre montre comment la pression à l’arrivée est surveillée et contrôlés à l’aide du contrôleur de PID à l’écoute à la Figure 4. Adhérence étroite à la valeur de consigne peut être observée. (S) plus courtes et plus longues expériences (h) ont montré des résultats similaires. S’il vous plaît cliquez ici pour visionner une version agrandie de cette figure.
Subscription Required. Please recommend JoVE to your librarian.
Discussion
Ici, nous avons présenté un nouveau design pour un système de pompe seringue avec controle de pression de la boucle fermée. Cela a été accompli en intégrant une pompe à seringue imprimés 3D avec un capteur de pression piézorésistif et un microcontrôleur open source. En utilisant un régulateur PID, nous avons pu précisément contrôler la pression d’admission et fournir des temps de réponse rapides tout en maintenant simultanément la stabilité sur un point de consigne.
De nombreuses expériences à l’aide de dispositifs microfluidiques nécessitent un contrôle fluidique précis et exploitent un profil laminaire bien caractérisés. Exemples où un profil d’écoulement stable est important d’expériences qui explorent les gradients de concentration temporelle et spatiale15 et génèrent les encapsulations fluidiques précises plus loin l’analyse16. En utilisant un régulateur PID pour maintenir la réponse de hautes performances, le système décrit dans le présent protocole produit la régulation du débit et la stabilité à long terme nécessaire d’étudier de telles expériences de flux laminaire.
Toutefois, il est important de reconnaître que les dispositifs microfluidiques et expériences portant sur eux ont des différences et des variations subtiles. Par exemple, microfluidique de différentes géométries (largeur et hauteur) peuvent nécessiter des profils d’écoulement différents. Par conséquent, les paramètres pour les contrôleurs de PID doivent être réglés en conséquence. En outre, certaines expériences peuvent exiger un règlement serré des gammes de pression. Dans ces cas, le dépassement de la pression ne peut pas être acceptable. Par conséquent, les paramètres de régulation PID doivent être réglés pour que la remise des gaz sont réduite au minimum, généralement au détriment des temps de réponse.
En raison de la production à faible coût de ce système de pompe seringue, les chercheurs devraient être en mesure de développer rapidement des expériences de microfluidique. Le coût estimatif d’un microcontrôleur et imprimés 3D pousse-seringue, circuit de capteur de pression est environ 130$ US. À la différence des solutions de rechange disponibles dans le commerce, tels que péristaltique et pompes de recirculation, ce système de pompe seringue fournit une plate-forme flexible et simple qui peut être adaptée à une variété d’utilisations en laboratoire. Bien que non évoqué ici, les stratégies de contrôle plus simples, comme le contrôleur de bang-bang, peuvent servir pour des études à long terme de microfluidique. En outre, les systèmes de pompe seringue peuvent servir à exercer une pression sous vide sur un volume de contrôle.
Une des limites possibles de ce système de pompe seringue en utilisant un régulateur PID sont le recours à une alimentation électrique constante. Parce que la méthode de contrôle PID nécessite la mise sous tension constante du moteur pas à pas, il y a une exigence de puissance relativement importante. En revanche, le contrôleur de bang-bang seulement dynamise le moteur pas à pas lorsque cela est nécessaire, en utilisant beaucoup moins d’énergie. Cette exigence de puissance peut être atténuée en développant une structure de contrôle hybride qui implémente un régulateur PID pour atteindre initialement une gamme de point de consigne et puis se désexcite les bobines de moteur pas à pas, une fois que la valeur de la pression se situant dans une consigne donnée. Alternativement, un contrôleur de bang-bang simple peut être utilisé aussi bien.
En outre, ce système de pompe seringue permet une performance souple et contrôle en modifiant la taille de la commande de moteur et la seringue lui-même. Dans des expériences antérieures, nous avons utilisé des seringues de 1 mL, 5 mL, 10 mL et 30 mL. Naturellement, chaque pousse-seringue peut nécessiter des paramètres légèrement différents de contrôleur PID et, par conséquent, nécessiterait réglage de paramètre individualisé. Toutefois, cette souplesse permet au système de pompe de seringue décrit dans le présent protocole pour être utilisé dans une variété d’applications.
Il est à noter qu’un espace commun de MICRODISPOSITIF échec est une incapacité à se lier efficacement les PDMS de la lamelle couvre-objet. Pour la fabrication de dispositifs microfluidiques, la puissance du plasma cleaner doit être optimisée si la liaison est inefficace. En outre, des lubrifiants ou impuretés sur la surface de la couverture du verre doivent être retirées avant le collage pour assurer un lien fort avec le PDMS. Bien laver et enlever toute poussière de la composante PDMS devraient contribuer à garantir qu'une bonne étanchéité est formée entre le PDMS et le verre.
Le système de pompe seringue de faible coût, rétroaction contrôlée présenté ici permet aux chercheurs de manipuler le profil fluid avec un degré élevé de stabilité de manière flexible. En intégrant le module de détection de pression avec des méthodes simples de contrôle PID, le système est en mesure de fournir le contrôle de flux par la pression de haute performance. Cet outil peut être largement appliqué dans des domaines de recherche très où microfluidics outils sont utilisés.
Subscription Required. Please recommend JoVE to your librarian.
Disclosures
Les auteurs n’ont rien à divulguer.
Acknowledgments
Les auteurs reconnaissent le soutien de l’Office of Naval Research awards 12306-17-N00014 et N00014-15-1-2502, ainsi que de l’Air Force Office of Scientific Research award FA9550-13-1-0108 et la National Science Foundation Grant no 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).
