Summary
여기에서 우리는 최소한의 재정적 및 시간 적 투자로 맞춤형 미세 유체 장치를 설계하고 제작하는 프로토콜을 제시합니다. 목표는 생물 의학 연구 실험실 및 교육 환경에서 미세 유체 기술의 채택을 용이하게하는 것입니다.
Abstract
미세 유체 장치는 나노에서 서브 밀리미터 저울에 이르기까지 채널에서 유체, 입자, 세포, 마이크로 크기의 장기 또는 유기체의 조작을 허용합니다. 생물 과학에서이 기술의 사용의 급속 한 증가 연구 그룹의 광범위 한 범위에 액세스할 수 있는 방법에 대 한 필요성을 자극 했다. PDMS 본딩과 같은 현재 의 제조 표준에는 비용이 많이 들고 시간이 많이 소요되는 리소그래피 및 본딩 기술이 필요합니다. 가능한 대안은 쉽게 저렴하고 최소한의 전문 지식이 필요하며 설계의 신속한 반복을 허용하는 장비 및 재료의 사용입니다. 이 작품에서 우리는 저렴하고 제작하기 쉽고 미세 유체 공학 기술에 대한 다른 접근 법보다 생성 시간이 훨씬 적은 PET 라미네이트 (PETL)를 설계하고 생산하기위한 프로토콜을 설명합니다. 그들은 수로 및 기타 피처가 공예 커터를 사용하여 정의되는 열 결합 필름 시트로 구성되어 있습니다. PETL은 현장별 기술적 과제를 해결하는 동시에 채택에 대한 장애물을 획기적으로 줄입니다. 이 접근 법은 연구 및 교육 설정 모두에서 미세 유체 장치의 접근성을 용이하게하여 새로운 조사 방법에 대한 신뢰할 수있는 플랫폼을 제공합니다.
Introduction
미세 유체학적 은 마이크로 리터 (1 x 10-6 L)에서 피콜리터 (1 x 10-12 L)에 이르는 부피를 가진 작은 규모로 유체 제어를 가능하게합니다. 이러한 제어는 마이크로프로세서 산업에서 차용한 마이크로 제조 기술의 적용으로 인해 부분적으로 가능해졌습니다1. 채널 과 챔버의 마이크로 크기의 네트워크의 사용은 사용자가 작은 차원의 독특한 물리적 현상특성을 활용할 수 있습니다. 예를 들어 마이크로미터 눈금에서 점성력이 관성력을 지배하는 층류를 사용하여 유체를 조작할 수 있습니다. 그 결과, 확산 수송은 미세 유체학의 두드러진 특징이 되고, 정량적이고 실험적으로 연구될 수 있다. 이러한 시스템은 Fick의 법칙, 브라운 운동 이론, 열 방정식 및/또는 유체 역학 및 운송 현상 분야에서 중요한 파생되는 Navier-Stokes 방정식을 사용하여 적절하게 이해할 수 있습니다2.
생물과학의 많은 그룹이 현미경 수준에서 복잡한 시스템을 연구하기 때문에, 원래 미세 유체 장치가 생물학2,3의연구 응용 프로그램에 즉각적이고 중요한 영향을 미칠 것이라고 생각되었다. 이것은 막에 걸쳐 또는 세포 내의 작은 분자의 수송에 있는 지배적인 확산 때문이고, 세포와 미생물의 치수는 서브 밀리미터 시스템 및 장치에 대한 이상적인 일치입니다. 따라서, 세포와 분자 실험이 수행되는 방식을 향상시키기위한 상당한 잠재력이 있었다. 그러나 생물학자에 의한 미세 유체 기술의 광범위한 채택은 기대에 뒤쳐졌습니다4. 기술 이전이 부족한 간단한 이유는 엔지니어와 생물학자를 분리하는 징계 경계일 수 있습니다. 맞춤형 장치 설계 및 제작은 대부분의 생물학적 연구 그룹의 기능 밖에 남아 있어 외부 전문 지식과 시설에 의존하게 되었습니다. 잠재적인 응용 프로그램, 비용 및 설계 반복에 필요한 시간에 대한 친숙함이 부족한 것도 새로운 채택자에게 중요한 장애물입니다. 이러한 장벽은 혁신을 방해하고 생물 과학의 과제를 해결하기 위해 미세 유체학의 광범위한 적용을 방지하는 효과가 있었을 가능성이 높습니다.
한 가지 예: 1990년대 후반부터 소프트 포토리소그래피는 미세 유체 장치의 제조를 위한 선택 방법이었습니다. PDMS(폴리디메틸실록산, 실리콘계 유기 중합체)는 투명성, 변형성 및 생체 적합성5와같은 물리적 특성 때문에 널리 사용되는 재료이다. 이 기술은 이 플랫폼6에서지속적으로 개발되고 있는 랩 온 어 칩 및 오르간 온 칩 장치로 큰 성공을 거두었습니다. 그러나 이러한 기술을 연구하는 대부분의 그룹은 엔지니어링 부서에서 발견되거나 그들과 강한 유대관계를 맺고있습니다 4. 리소그래피는 일반적으로 금형 및 특수 접합 장비의 제조를위한 클린 룸이 필요합니다. 많은 그룹의 경우, 특히 반복적인 설계 수정이 필요한 경우 자본 비용과 리드 타임으로 인해 표준 PDMS 장치가 이상적이지 않습니다. 또한, 이 기술은 일반 생물학자와 전문 공학 실험실에 액세스하지 않고 학생들에게 주로 액세스 할 수 없습니다. 미세 유체 장치가 널리 채택되려면 생물학자가 일반적으로 사용하는 재료의 일부 품질을 모방해야한다고 제안되었습니다. 예를 들어, 세포 배양 및 바이오아세이에 사용되는 폴리스티렌은 저렴하고 일회용이며 대량 생산에 적합합니다. 대조적으로, PDMS 기반 미세 유체학의 산업 제조는 기계적 부드러움, 표면 처리 불안정성 및 가스 투과성5로 인해 실현되지 않았습니다. 이러한 한계와 "사내"로 구축된 맞춤형 장치를 사용하여 기술적 과제를 해결하는 것을 목표로, 우리는 xurography7,8,9프로토콜 및 열 라미네이션을 활용하는 대체 방법을 설명합니다. 이 방법은 적은 자본과 시간 투자로 채택 될 수있다.
PETL은 폴리에틸렌 테레프탈레이트(PET) 필름을 사용하여 제조되고, 열접착제 에틸렌-비닐 아세테이트(EVA)로 코팅된다. 두 재료는 소비자 제품에 널리 사용되며 생체 적합성이며 최소한의 비용으로 쉽게 사용할 수있습니다 10. PET /EVA 필름은 라미네이팅 파우치 또는 롤의 형태로 얻을 수 있습니다. 취미 또는 공예 상점에서 흔하게 발견되는 컴퓨터 제어 크래프트 커터를 사용하여, 채널은 장치의 아키텍처를 정의하기 위해 단일 필름 시트에서절단된다 11. 그런 다음 채널은 (사무실) 열 라미네이터(그림1A)를사용하여 접합되는 추가 필름(또는 유리) 층을 적용하여 밀봉된다. 채널에 쉽게 접근할 수 있도록 천형, 자체 접착성 비닐 범퍼가 추가됩니다. 제작 시간은 5분에서 15분사이로, 신속한 설계 반복이 가능합니다. PETL을 만드는 데 사용되는 모든 장비와 재료는 상업적으로 접근 가능하고 저렴합니다 ($350 USD 시작 비용, 리소그래피용 USD의 수천 달러에 비해). 따라서 PETL은 기존의 미세 유체학적 특성에 의해 야기되는 두 가지 주요 문제에 대한 새로운 솔루션을 제공합니다: 경제성 및 시간 효율성(보충 표 1, 2의PDMS/PETL 비교 참조).
연구자에게 자신의 장치를 설계하고 제작할 수 있는 기회를 제공할 뿐만 아니라, PETL은 사용하기 쉽고 직관적이기 때문에 교실에서 쉽게 채택할 수 있습니다. PETL은 고등학교 및 대학 교육 과정이 포함 될 수 있습니다8,그들은 더 나은 확산, 층류, 마이크로 믹싱, 나노 입자 합성, 그라데이션 형성 및 화학 변균과 같은 물리적, 화학적 및 생물학적 개념을 이해하는 데 사용되는 곳.
이 작업에서는 서로 다른 수준의 복잡성을 가진 모델 PETLs 칩의 제작에 대한 전반적인 워크플로우를 설명합니다. 첫 번째 장치는 작은 챔버에서 세포와 미세 장기의 이미징을 용이하게하는 데 사용됩니다. 두 번째, 더 복잡한 장치는 여러 층과 재료로 구성되어 있으며, 메카노생물학9의연구에 사용된다. 마지막으로, 우리는 교육 목적을 위해 여러 유체 역학 개념 (유체 역학 초점, 층류 흐름, 확산 수송 및 마이크로 믹싱)을 표시하는 장치를 구축했습니다. 여기에 제시된 워크플로우 및 장치 설계는 연구 및 강의실 설정 모두에서 다양한 목적에 맞게 쉽게 조정할 수 있습니다.
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Protocol
1. 디자인
- 장치에 대한 응용 프로그램을 식별하고 필요한 채널/챔버 구성 요소를 나열합니다.
참고: 모든 장치에는 입력 및 출력 채널이 필요합니다. 현미경 검사법에 사용되는 장치는 이미징 챔버가 필요합니다. 더 복잡한 장치는 여러 층으로 배치 된 채널과 챔버가 필요합니다. - 먼저 각 레이어를 직접 그리면서 장치의 기능이 레이어의 중첩에 의해 영향을 받는 방식을 고려합니다.
- 선과 모양을 그릴 수 있는 소프트웨어를 사용하여 컴퓨터에서 최종 디자인을 그립니다.
- 음영이 없는 검은색, 실선 및 모양을 사용하여 각 레이어를 개별적으로 그립니다. 6점 이상의 선 두께를 권장합니다. 이 단계에서 채널 및 챔버 피처의 치수는 전체 비율보다 덜 중요합니다.
- 피처를 작성하고 레이어를 중첩할 때 복사 및 붙여넣기 기능을 사용합니다. 도면도면의 예는 그림 1B를 참조하십시오.
- 각 레이어를 크래프트 커터 소프트웨어로가져옵니다(그림 1C). 그려진 디자인의 화면 캡처를 만들고 드래그 앤 드롭 접근 방식을 사용하여 이 작업을 수행합니다.
- 크래프트 커터 소프트웨어(무료 다운로드)에서 새 문서를 만듭니다. 표시된 매트에 이미지 파일을 놓습니다. 소프트웨어는 대부분의 이미지 파일을 인식합니다.
- 모서리에서 당겨서 처리를 용이하게 하기 위해 이미지를 확대합니다. 이제 추적 기능을 사용하여 소프트웨어에서 설계를 인식할 수 있습니다.
참고 : 사용자는이 소프트웨어에 직접 de novo 디자인을 생성 할 수 있습니다 (디자인 팔레트에서 그리기 도구를 사용).
- 디자인을 추적하려면 창 오른쪽에 있는 추적 아이콘(나비 모양)을 선택하고 가져온 디자인을 완전히 선택합니다.
- 윤곽선으로레이블이 지정된 추적 미리 보기 옵션을 선택합니다. 필요한 경우 임계값 및 배율 설정을 조정하여 설계에 맞게 노란색 추적을 조정합니다.
- 노란색 추적이 디자인과 일치하면 추적 메뉴에서 추적을 선택합니다. 이제 채널이 빨간색 윤곽선으로 표시됩니다. 빨간색 등고선이 디자인과 일치하면 가져온 이미지를 선택하고 삭제할 수 있습니다. 이제 디자인을 가져오고 크기 조정을 할 준비가 되었습니다.
- 추적된 설계를 선택하고 소프트웨어에서 제공하는 그리드를 사용하여 장치의 크기를 조정합니다. 채널 및 챔버의 폭과 길이를 변경하려면 당깁니다.
참고 : 소프트웨어는 측정을 제공하고, 작은 라인을 일시적으로 그릴 수 있습니다 (창의 왼쪽에 디자인 팔레트를 사용) 장치 내에서 치수를 측정하기 위해. 기능적 채널 폭 치수는 100 μm에서 900 μm범위입니다. 어셈블리 중에 적절한 정렬을 보장하려면 모든 도면층의 크기를 비례적으로 조정하는 것이 중요합니다.- 디자인의 크기가 적절하게 조정된 후 셰이프 드로잉 메뉴에서 정사각형 도구를 선택하여 장치의 각 레이어 주위에 사각형/사각형을 그립니다. 이 셰이프는 모든 레이어에 대해 크기가 같아야 합니다. 예제는 그림 1C를 참조하십시오.
- 채널에 대한 액세스 포트가 포함된 별도의 최상위 레이어를 만듭니다. 간단한 디자인은 메인 (중간) 채널 층, 하단 밀봉 층 (종종 유리) 및 채널 (입구 / 콘센트)에 액세스하기 위해 원형 천포를 포함해야하는 상단 층으로 구성됩니다.
참고: 3개 이상의 레이어를 포함하는 설계에는 여러 레이어의 입구/출구 천공과 필요합니다(그림 1C, 그림 5A참조). 이러한 천공은 이미 설계에 포함되거나 현재 추가될 수 있습니다.- 화면 왼쪽에 있는 그리기 도구를 선택합니다. 디자인의 입구 및 출구 포트 위에 원을 그립니다.
- 원본 디자인과 원을 복사하여 붙여넣습니다. 기본 장치에서 채널을 지웁습니다.
참고: 이렇게 하면 원래 설계에 해당하는 올바른 위치에 입구/출구 포트가 남습니다. 셰이프는 정렬을 돕기 위해 각 레이어의 주변에 추가할 수도 있습니다.
- 표시된 매트에서 잘라낼 모든 레이어를 정렬합니다. 이제 장치를 절단할 준비가 되었습니다.
2. 절단
- 접착제 절단 매트에 선호하는 두께의 단일 PET/EVA 필름(또는 기타 재료)을 적용합니다(3mil은 표준). 접착제(매트) 면이 위를 향하고 플라스틱(반짝이는) 면이 아래를 향해야 합니다.
참고: 깨끗한 장갑을 사용하여 오일과 미세 입자가 층에 들어가지 않도록 하십시오. - 매트에 필름을평평하게(그림 1D)갇혀 있을 수 있는 모든 공기를 제거합니다. 이것은 장갑을 낀 손이나 롤러를 사용하여 수행 할 수 있습니다.
- 절단 매트의 모서리를 커터에 표시된 선에 맞춥습니다. 커터에 로드 매트를 눌러 매트를 로드합니다. 필름 두께에 따라 절삭 날의 설정을 3에서 5 사이로 유지합니다.
- 커터 USB 케이블을 컴퓨터에 연결합니다.
- 보내기 탭을 선택하고 절단 설정을 선택합니다.
참고: 캐스케이드 메뉴에서 다양한 설정을 사용할 수 있습니다. -스티커 용지, 지우기- 3-5 mil (75-125 μm)의 두께를 가진 PET / EVA 필름과 잘 작동하는 설정입니다. 다른 재질에 대한 설정을 수정하고 나중에 사용할 수 있는 사용자 지정 설정을 저장합니다.
- 보내기 탭을 선택하고 절단 설정을 선택합니다.
- 보내기를 클릭합니다. 절단이 시작됩니다(그림1E). 커터 뒷면에 매트가 방해받지 않고 움직일 수 있는 공간이 충분한지 확인합니다. 커터가 완료되면 커터에서 언로드를 선택하여 매트를 언로드합니다. 언로드하기 전에 매트를 당기지 마십시오.
3. 정렬
- 커팅 매트를 깨끗한 표면 옆에 놓습니다. 장갑을 낀 손으로 핀셋을 사용하여 미세 유체 장치의 각 층을 절단 매트에서 들어 올립니다(그림 1F). 특히 채널의 회전과 굴곡에 주의하십시오. 이들은 특히 섬세하고 찢어지고 뒤틀릴 수 있습니다.
- 미세 유체 장치의 층을 깨끗한 표면에 놓습니다. 장치의 상하 위치에 따라 주문합니다(그림1G, 그림 2A, 그림 5A 및 그림 7A).
- 레이어를 일시적으로 함께 부착하는 데 사용할 양면 테이프의 작은 조각(~3mm x 10mm)을 잘라냅니다.
- 아래쪽 레이어부터 시작하여 레이어를 하나씩 중첩합니다. 레이어 사이의 모서리에 작은 양면 테이프조각을 추가하여 채널이나 입구/콘센트에서 멀리 떨어진 곳에있습니다(그림 1G, 화살표). 테이프는 필요하지는 않지만 레이어를 고정시키고 적층 중에 이동하지 않도록 합니다. 와이어 지그를 사용하여 4개 이상의 레이어가 있는 장치에서 레이어정렬을 용이하게합니다(추가 그림 3).
- 필름의 접착제(매트-EVA) 면이 항상 장치의 내부(층 내 부분)를 향하도록 합니다.
주의 : 노출 된 접착제는 라미네이터의 내부 부분에 녹아 장치를 손실뿐만 아니라 라미네이터의 미래 성능에 영향을 미치는 결과, 그들을 부착합니다. - 모든 레이어가 중첩되면 장치를 검사합니다. 모든 레이어 사이에 적어도 하나의 EVA 면이 있어야 하며 EVA가 노출되지 않아야 합니다. 비EVA 코팅 물질(예를 들어, 폴리염화비닐(PVC) 필름, 유리)을 도입할 때, 양면에 EVA로 코팅된 필름이 필요할 수 있으며, 특히 더 복잡한 장치의경우(그림 5).
4. 라미네이션
- 라미네이터를 켜고 원하는 두께 설정으로 설정합니다. 일부 라미네이터는 3 및 5 mil 설정을 제공하지만 일부는 그렇지 않습니다. 레이어가 4개 이상인 모든 장치의 경우 5밀 설정을 사용합니다.
- 라미네이터가 준비되면 라미네이팅 롤러를 통해 장치를 실행합니다(그림 1H-I). 최상의 결과를 얻으려면 양면 테이프가 추가된 끝을 놓습니다.
참고 : 다섯 개 이상의 층의 장치를 제조 할 때, 그들은 두 번 이상 라미네이터를 통해 실행 될 수있다. - 적층 장치를 복구합니다.
참고 : 라미네이터에서 쉽게 복구 할 수 있도록 장치가 충분히 큰 것이 좋습니다. 이러한 고려 사항은 채널 또는 칩 아키텍처의 크기에 영향을 미치지 않으며 내부에 남아 있지 않고 라미네이터를 쉽게 통과 할 수있는 "프레임"을 요구합니다.
5. 입구/출구 포트
- 로터리 도구와 1/32 in. 드릴 비트를 사용하여 가구 범퍼의 중앙을 통해 작은 구멍을 자릅니다. 또는 1mm 생검 펀치를 사용하여 범퍼를 천공하십시오.
참고: 드릴 프레스를 권장합니다. 크기는 다양하지만 2mm x 6mm 직경의 범퍼를 권장합니다. 단순히 범퍼를 "찌르지"않도록하십시오. 물질을 제거하지 않으면 범퍼가 다시 밀봉됩니다(추가 그림 1). 위에 표시된 천천은 폴리에테르케톤(PEEK) 튜브, 피펫 및 팁 또는 무딘 바늘(16-18G)과 인터페이스하기 위한 것입니다. 회전 펀치 플라이어를 사용하여 더 큰 천공을 얻을 수 있습니다(보조 그림 1). 범퍼가 액체 또는 기타 생물학의 "저장소"로 사용될 때 유용합니다. - 작은 핀셋으로 (드릴링 또는 펀칭으로 인한) 파편을 제거하여 오리피스가 완전히 명확해졌는지 확인하십시오.
- 입구/출구 포트가 성공적으로 지워진 후 적층 장치의 입구/출구 포트에 범퍼를 조심스럽게정렬합니다(그림 1J-K). 이 단계는 장치 안팎으로 액체가 적절하게 흐르는 데 필수적입니다. 범퍼를 장치 뒤에 놓고 장치의 열린 입구/출구를 향한 접착제 면을 놓은 다음 정렬하고 부착합니다. 이제 장치 어셈블리가 완료되었습니다.
6. 테스트
- 천수 범퍼(포트)를 통해 채널/챔버 아키텍처에 액세스할 수 있습니다. 장치에 유체 및 생물학을 도입하는 방법에 관한 몇 가지 옵션이 있습니다.
- 플라스틱 커넥터(예: Luer 어댑터)에 부착하거나 무딘 바늘에 부착하여 실험실 또는 의료/수술용 튜브를 사용하십시오. 어댑터가 없는 표준 파이펫 및 팁 또는 PEEK 튜브도 사용할 수있습니다(추가 그림 2).
- 주사기 또는 연동 펌프를 사용하여 주사기 및 튜브로 유체를 주입하거나 그림을 그립니다.
참고 : 작성 시 ~ 300 USD에서 시작하여 시장에 많은 옵션이 있습니다. - 장치 및 실험에 따라 다른 유량 설정을 설정합니다.
참고: 0.01~100μL/min 범위의 유량 설정을 정기적으로 사용하지만 다른 요금은 사용할 수 있습니다.
그림 1: 제작. (A)사무용 라미네이터와 크래프트 커터는 제작에 필요한 장비의 두 가지 조각입니다. 둘 다 온라인 또는 공예/사무용품 매장에서 구입할 수 있습니다. 다른 필수 도구에는 가위와 핀셋이 포함됩니다. (B)채널 및 챔버 아키텍처는 드로잉 툴을 포함하는 임의의 소프트웨어 프로그램을 사용하여 디지털방식으로 구성될 수 있다(벡터 그래픽은 일부 사용자가 선호할 수 있지만, 필수는 아님). 선과 모양은 흰색 배경이 있는 검은색으로 그려집니다. 설계의 파일 또는 화면 캡처를 드래그 앤 드롭하여 크래프트 커터 소프트웨어로 가져올 수 있습니다. (C)크래프트 커터 소프트웨어는 무료로 다운로드 할 수 있으며 커터를 제어하는 데 필요합니다. 이 소프트웨어는 설계를 획득하고 크기 조정과 같은 수정을 허용합니다. 또한 그리기 도구도 제공합니다. (D)절단 매트는 절단용 필름을 운반합니다. 그것은 약간 접착제, 절단 될 재료의 고정을 허용한다. 그림은 로딩 준비가 된 4개의 다른 재료(상단), 5mil 두께의 PET/EVA 필름(가운데), 6mil 두께의 EVA/PET/EVA(왼쪽 아래) 및 PVC 필름(오른쪽 아래)을 보여줍니다. (E)커터가 열려 블레이드(검은색) 유닛과 로드매트를 표시합니다. (F)절단 후 핀셋을 사용하여 개별 레이어를 들어 올릴 수 있습니다. 채널과 챔버의 잘라낸 매트에 부착 된 상태로 유지하고 나중에 제거하고 폐기된다. (G)개별 레이어가 정렬되고 라미네이션을 위해 중첩됩니다. 양면 테이프 (화살표)의 작은 조각은 종종 정렬에 도움과 라미네이션 동안 층 이동을 방지하는 데 사용됩니다. (H, I) 장치는 라미네이터의 상단에 공급하고 슬롯을 통해 복구됩니다. 라미네이션은 강력한 씰을 제공하여 채널 경로를 열어 둡습니다. (J, K) 채널에 액세스하려면 천포 형 자체 접착성 비닐 범퍼를 추가해야합니다. 이미지 in(J)에는범퍼가 뒤에서 배치되는 정렬을 위한 "역방향" 접근 방식을 표시하여 범퍼 천공과 입구/출구를 시각적으로 정렬할 수 있습니다. 이 그림의 더 큰 버전을 보려면 여기를 클릭하십시오.
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Representative Results
저렴한 비용과 신속한 반복 외에도 PETL 기술을 쉽게 사용자 지정하여 특정 문제를 해결할 수 있습니다. 먼저, 유리 커버슬립, 챔버 층, 채널 층 및 입구/출구 층으로 구성된 간단한 장치를 설명합니다(그림2). 이 장치는 일정한 흐름하에서 세포와 마이크로 장기의 이미징을 용이하게하도록 설계되었습니다. 배양 배지는 영양분과 가스 교환을 장려하기 위해 낮은 유량으로 보충됩니다. 둥근 챔버는 반전 된 현미경을 사용하여 이미징을 할 수있는 유리 바닥을 갖추고 있습니다. 이 장치에 유리를 사용하는 데는 적어도 두 가지 이유가 있습니다. 첫 번째는 광학입니다. PET 및 EVA는 광학 투명성과 유연성에 사용되는 열가소성 수지이며 이미징용 인터페이스로사용할 수 있습니다(특히 낮은 배율 9에서). 가시 스펙트럼에서 PET의 광 투과범위는 87에서 90%12까지입니다. 유리는, 그러나, 더 나은 광학 특성을 가지고 있고 생물학 화상 진찰에서 이용된 표준입니다. 유리를 사용하는 두 번째 이유는 지금까지 테스트된 세포(포유류 세포주)가 (치료되지 않은) PET/EVA보다 더 쉽게 부착되는 경향이 있기 때문입니다.
그림 2: 반전된 현미경 검사법을 위한 간단한 약실. (A)이 장치는 유리 층 1개, PET/EVA 층 3개(두께 3밀)로 구성됩니다. 유리 커버 슬립(24mm x 60mm)은 바닥 층입니다. 다음 층은 이미징 챔버의 바닥을 특징으로합니다. 다음 레이어는 챔버의 상단 절반을 특징으로 하고 인/출구 채널에 연결합니다. 따라서, 채널의 높이는 단지 75 μm, 챔버의 높이는 150 μm 동안. 채널의 폭은 사용자에 의해 결정됩니다(500 μm은 여기에 도시됨). 상단 레이어는 챔버/채널 경로를 밀봉하고 입구/콘센트에 대한 액세스를 제공합니다. 중첩된 레이어가 오른쪽에 표시됩니다. (B)완성된 장치가 시각화를 위해 빨간색 염료가 주입된 것으로 표시됩니다. 그림과 같이 마이크로파이펫 및 팁, 실험실 또는 의료/수술용 튜브를 사용하여 무딘 바늘 또는 PEEK 튜브를 사용하여 로딩을 수행할 수 있습니다. (C)채널/챔버 설계는 하나의 단일 장치(예: 여러 개별 표본의 관찰을 용이하게 하기 위해)에서 반복할 수 있습니다. 이 그림의 더 큰 버전을 보려면 여기를 클릭하십시오.
이 장치의 채널과 챔버의 크기는 설명 할 가치가있다. PETL의 높이는 항상 필름 또는 레이어 두께의 함수입니다. 시판되는 PET/EVA는 1인치(1mil μm)의 천분의 단위로 측정된 두께를 가합니다. 따라서 채널 및 챔버 높이는 일반적으로 25 μm의 배수입니다. 표준 PETL은 3 또는 5 mil PET/EVA 필름을 사용하여 제작되어 75 또는 125 μm의 높이를 갖는 특징을 초래합니다. 그림 2에 표시된 장치는 75 μm의 고지와 2개의 층으로 정의된 챔버, 총 높이 150 μm의 채널을 가미합니다. 그러나 층은 다양한 재료(예: 유리, 호일, PVC, 종이)로 구성될 수 있으며 일반적으로 25~250μm에 이르는 다양한 두께를 제시할 수 있다는 점에 유의해야 합니다.
그림 3: 세포 이미징. (a)간단한 챔버 PETL은 부착 세포의 단기 배양에 사용될 수 있다. 세포는 챔버에 노출 된 유리에 부착하고 반전 된 현미경을 사용하여 관찰 할 수있다. (B)쥐 호소필은 거꾸로 된 공초점 현미경상에서 가시화를 위해 Hoechst(청색) 및 혈장막(적색) 형광 염료로 염색하였다. (C)간단한 챔버 장치에서 세포의 밝은 필드 이미지. (D)위상 대비 이미지. 흰색 눈금 막대는 200 μm입니다.
PETL 제작의 특성상 유체 경로 설계의 복잡성이 크게 허용됩니다. 간단한 챔버 장치는 z 축의 두 수준에서 특징을 포함하는 네 개의 층으로 구성되어 있습니다 (채널과 챔버의 상단은 한 수준에서, 두 번째 수준에서 챔버의 바닥). PETL이 제공하는 장점은 3차원 채널/챔버 아키텍처를 쉽게 구축할 수 있다는 것입니다. 냉각 또는 가열 채널, 투석 멤브레인, 전기 회로 또는 압력 라인과 같은 기능(그림 5참조)은 여러 레이어를 3차원으로 연결하여 얻을 수 있습니다. 지금까지 발생한 주의 사항은 적층할 수 있는 레이어 수의 제한입니다. EVA 큐레이션에 필요한 열 전달은 전체 두께가 800 μm 이상인 장치에서 불충분한 것으로 나타났습니다. 이 제한은 일부 장치에서 해결할 수 있습니다. 많은 경우에, 새로운 층이 추가 될 때마다 적층 할 수있다. 새로운 층이 장치의 외부를 향하기 위해 열접착제(EVA)를 필요로 하는 경우는 불가능합니다.
그림 4: 마이크로 장기 이미징. (A)간단한 챔버 PETL은 초파리 멜라노가스터(2배 배율)의 배아의 날개 디스크를 이미지화하는 데사용된다. 날개 디스크 치수는 약 90 μm x 250 μm x 500 μm입니다. 하나 또는 여러 장기커버슬립 창을 통해 이미지화할 수 있습니다. 다른 날개 디스크의 증가된 배율은(B)20x/0.75-air, (C) 40x/1.30-오일 및 (D)100x/1.49-오일 목표에 방적 디스크 공초점 현미경을 사용하여 표시됩니다. 이 그림의 더 큰 버전을 보려면 여기를 클릭하십시오.
배양에서 세포의 연구는 일정한 흐름 또는 기계적 자극과 같은 동적 상태 조건을 제공하는 도구에서 유익합니다. 도 3은 포유동물 세포주의 배양 및 간단한 챔버 디바이스에서 이미지화되는 예를 제공한다. 배지는 이미징 중에 지속적으로 교환될 수 있어 이상적인 성장 조건을 유지할 뿐만 아니라 실시간으로 이미징하는 동안 화학 자극의 제어된 도입을 허용합니다. 이는 그림 4에나타난 바와 같이 생체 내 마이크로 장기의 이미징에도 해당됩니다. 채널 및 챔버 구조는 장기 또는 조직에서 전체 유기체에 이르기까지 상이한 생물학적 표본에 맞게 특정 치수로 설계될 수 있다(예를 들어, Drosophila 배아 및 상상 디스크 또는 C. 예쁜꼬마선충).
그림 5: 메카노-페틀. 간단한 챔버 PETL은 압축 챔버를 추가하여 수정된다. (A)장치는 유리 바닥 층 (커버 슬립, 도시되지 않음), 4 개의 PET / EVA 3 mil 층 (채널 / 챔버 층, 스페이서 층 및 입구 / 출구 층), EVA / PET / EVA 6 mil 층 (채널 / 챔버 밀봉 및 PVC 접착) 및 변형 가능한 PVC 층 (압축)의 4 개의 다른 재료를 특징으로하는 7 개의 레이어로 구성됩니다. (B, C) 표본 채널/챔버 경로는 적색 염료를 사용하여 시각화됩니다. 압축 채널/챔버 경로에는 공기만 포함되어 있습니다. (D)공기 압압은 압축 경로에 수동으로(또는 기계적으로) 가해져 챔버 상단에 PVC 필름이 팽창합니다. 팽창은 챔버의 염료를 대체합니다. 이 그림의 더 큰 버전을 보려면 여기를 클릭하십시오.
생물학적 표본의 기계적 교란은 세포 생리학에 대한 우리의 이해를 향상시키고 배아 발달 및 분화와 같은 과정에 빛을 비추고 있습니다. 도 5는 간단한 채널/챔버 어레이 및 압축 챔버로 구성된 PETL 디바이스를 설명한다. 그것은 PVC 필름 중 하나 인 6 개의 층으로 구성된 (가장 간단한 형태로) 구성되어 있습니다. PVC 필름은 공기 압력이 가해지면 편향되어 챔버 내의 시편을 압축합니다. 이 장치는 PET/EVA 이외의 재료 사용의 예이며, Drosophila 마이크로 장기13에 기계적 부하를 연구하는 데 사용되는 PDMS / 유리 장치를 대체하는 데9를 성공적으로 채택했습니다 (그림6참조). PETL 장치는 재사용할 수 있습니다. 그러나 제작 비용이 낮고 설치 공간이 줄어들며 지속적인 조작이나 세척 후 의외로 비하할 수 있기 때문에 모든 절차가 시작될 때 새로운 장치를 사용하는 것이 좋습니다.
그림 6: 메카노생물학 이미징. (A)DE-cadherin::GFP 발현 Drosophila 날개 디스크는 20배 배율에서 회전 디스크 공초점 현미경을 사용하여 메카노-PETL 내에서 이미지화된다. (B)챔버 위의 멤브레인을 통한 압력은 공기 충전 된 주사기를 수동으로 작동시키는 또는 주사기 펌프를 사용하여 적용 할 수 있습니다. 이상적인 가스 법칙은 멤브레인9에가해지는 힘의 양을 추정하는 데 사용됩니다. 디스크 파우치 영역 (흰색 점선)은 ~ 4 psi의 적용과 함께 약 30 % (빨간색 점선)에 의해 증가했다. 이 그림의 더 큰 버전을 보려면 여기를 클릭하십시오.
PETL 장치의 제조의 용이성 때문에, 우리는 화학, 생물학 및 공학 교실 및 교육 실험실과 같은 교육 환경에서 의 사용을 탐구했다. 교육 PETL의 예는 그림 7에나와 있습니다. 이 장치는 미세 스케일(예: 층류)에서 유체 흐름의 기본 기능 중 일부를 표시하도록 설계되었습니다. 5 mil PET/EVA필름(그림 7A)의4개 레이어와 3개의 수렴 입력 채널과 뱀 구조를 포함하는 채널 아키텍처로 구성됩니다. 순환 "우울증" 또는 "다운" 단계는 마이크로믹싱을 촉진하는 경로에 추가되었습니다14. 주사기 펌프를 사용하여 페놀 레드 용액은 외부 포트를 통해 주입되고 pH 9 용액은 중앙 포트를 통해 주입됩니다. 유체역학적포커싱(15)은 외부 유체 흐름으로 가시화되어 내부 흐름을 더 작은 스트림으로 강제한다(도7C). 디바이스내의 층류는 대류 혼합을 방지하고, 점진적인 확산 혼합은 채널(arrows)의 길이를 따라 도시된다. 도시된 것과 같은 장치는 유체 역학 및 생체 수송의 개념(예를 들어, 확산, 층류 흐름)을 가르치는 데 사용될 수 있다. 또는, 학생들은 자신의 장치를 설계하고 제작하도록 초대 받을 수 있으며, 이 프로젝트는 2~3시간8시간지속되는 정기 실험실 세션에서 수행될 수 있습니다.
그림 7: 교실에서 의자. (A)이 장치는 5 mil PET/EVA 필름의 4층을 사용하여 제작됩니다. 두 번째 레이어(오른쪽에서 왼쪽)에는 채널 경로 아래에 배치되는 원형 챔버가 있습니다. (B)완성된 장치는 pH 표시기 페놀 레드(2 mM, 노란색) 및 투명 pH 9 용액(중앙 채널)을 로 적재하였다. 페놀 레드는 기본 솔루션과 접촉할 때 마젠타를 돌립니다. 상자는(C)에서(F)를통해 표시된 영역을 나타냅니다. (C)유체 역학 초점. (D, E)층류 및 확산. (E, F)마이크로 믹싱. 흰색 눈금 바는 모든 패널에서 2mm입니다. 이 그림의 더 큰 버전을 보려면 여기를 클릭하십시오.
보조 그림 1: 범퍼/포트 천공. (A)회전 공구를 들고 있는 드릴 프레스 설정은 범퍼 천공을 용이하게 합니다. 크기의 드릴 비트1/32"와 3/64"가 사용됩니다. (B)공정이 효율적이며 짧은 시간 내에 많은 수의 범퍼를 처리할 수 있습니다. (C)생검 펀치 천공은 드릴링의 대안입니다. (D)더 큰 천공에 회전 펀치 플라이어가 사용됩니다. 이러한 천조는 큰 표본을 로드하는 데 사용할 수 있습니다 (주입 대신 액체 철수에 의해) 또는 미디어 저장소로. 이 그림을 다운로드하려면 여기를 클릭하십시오.
보조 그림 2: 튜브. (A)실험실 또는 의료/수술 용 튜브 (1/32 "ID, 3/32"OD)는 더 간단한 옵션입니다. 그것은 유연하고 절단하기 쉽습니다. 그것은 (18G) 무딘 바늘의 사용을 필요로한다. (B)바늘 중 하나는 (분홍색) 루어 어댑터를 사용하여 주사기에 부착되어, 이는 튜브에 장착될 수 있도록 두 번째 바늘로부터 제거된다. (C)PEEK 튜브 (0.010"ID, 1/32"OD)에 이미 익숙한 연구원은 PETL과 함께 사용할 수 있습니다. (D)PEEK 피팅. (E)주사기 펌프를 설정 하는 튜빙의 두 종류에 대 한 동일 합니다. (F)실험실 또는 의료/수술 용 튜브 설정은 3/64 "드릴 비트와 천공이 필요합니다, PEEK 튜브는 1/32 "천공이 필요합니다 동안. 1mm 생검 펀치로 만든 천공은 두 가지 튜브 세트를 모두 수용 할 수 있습니다. 이 그림을 다운로드하려면 여기를 클릭하십시오.
보조 그림 3: 와이어 지그를 사용하여 정렬합니다. 장치의 설계는 여러 층의 정렬을위한 가이드 역할을 할 수있는 천공을 포함 할 수있다. 와이어 지그는 약 20 USD에 상업적으로 사용할 수 있습니다. 이 그림을 다운로드하려면 여기를 클릭하십시오.
추가 그림 4: 크기 제한. 크래프트 커터는 폭이 ~100 μm(A)인 직선채널을 절단할 수 있지만, 150 μm이하(B)를측정하는 피쳐의 경우 절단 패턴의 정확도가 크게 저하됩니다. 셰이프 옆의 치수는 채널 너비를 나타냅니다. 이 그림을 다운로드하려면 여기를 클릭하십시오.
보충 표 1: PDMS의 미세 유체 칩 제조에 소요된 시간과 비용. * 웨이퍼 / 금형을 쉽게 사용할 수 있고 오븐을 사용하여 PDMS를 경화 할 수있는 제조 시간. 모든 설계 수정은 며칠지연을 나타냅니다. 이 표를 다운로드하려면 여기를 클릭하십시오.
보충 표 2: PETL 미세 유체 칩의 제조에 대한 시간과 비용. 이 표를 다운로드하려면 여기를 클릭하십시오.
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Discussion
미세 유체는 전 세계 실험실의 도구 상자에 점점 더 존재하지만, 채택의 속도는 긍정적 인 영향에 대한 잠재력을 감안할 때 실망하고있다16. 미세 유체 장치 제조의 저렴한 비용과 높은 효율성은 평균 연구 실험실에서이 기술의 채택을 가속화하는 데 필수적입니다. 여기서 설명하는 방법은 여러 필름 레이어를 사용하여 석판화 방법에 필요한 시간과 비용의 일부만으로 2차원 및 3차원 장치를 만듭니다. 표준 리소그래피는 스타트업에 수천 달러(USD)의 비용이 들며, 제작에 며칠이 소요되며 PETL 제작 시동 비용은 350달러 미만이며 장치는 몇 분 만에 제작할 수 있습니다. 이를 통해 연구 실험실뿐만 아니라 빠른 반복이 유리한 설정(예: 표준 PDMS 장치의 프로토타이핑) 또는 저렴한 일회용 장치의 산업 생산이 필요한 환경에서도 채택이 용이합니다. 예를 들어, PETL은 생분해성 재료를 사용하여 제조될 수 있으며, 의료 분야에서 사용하기 위해 조정될 수 있으므로 진단 도구로 이상적입니다. 미리 제작된 학습 자료또는 학생들이 자신의 장치를 설계, 제작 및 테스트하는 창의적인 도전과제로 교실에서 사용할 수 있습니다.
PETL 제작은 복잡하지 않은 것입니다. 그러나 이 기술의 중요한 단계와 현재 의 한계를 식별하는 것이 도움이 됩니다. 일부 사용자는 PETL 장치의 가스 교환이 PDMS 장치에 비해 감소한다는 것을 발견 할 것이다, 이는 실험 중에 미디어의 지속적인 흐름을 함으로써 보상된다. 또 다른 제한은 크기 조정입니다. 150 μm보다 작은 채널 및 기타 피쳐는 커터의 해상도 한계보다 낮습니다(보조도 4). 폭이 200~900μm인 채널로 작업하는 것이 좋습니다. 이러한 제한은 유연하며 특히 상한값에서 다양합니다. 예를 들어 높이가 75μm인 채널의 폭이 950μm 이상일 때는 축소되지만 높이가 증가하면 열린 상태로 유지됩니다. 장치의 아키텍처는 응용 프로그램에 따라 다를 수 있지만, 우리는 정기적으로 75 또는 125 μm의 높이와 400-600 μm의 폭채널을 사용합니다.
레이어와 범퍼를 정렬할 때 세부 사항에 주의하는 것이 중요합니다. PETL 제조에서 발생하는 몇 가지 합병증의 대부분은 정렬 문제의 결과입니다. 라미네이팅 시 노출된 EVA는 내부 롤러에 부착되어 사용할 수 없게 만들 수 있습니다. 유체 주입은 잘못된 위치에 있는 범퍼에 의해 차단될 수 있습니다. 다행히 PETL은 저렴할 뿐만 아니라 빠르게 구축되므로 결함이 있는 장치를 쉽게 교체하거나 수정할 수 있습니다.
PETL은 다른 미세 유체 장치에 사용되는 것과 유사한 주입 유량을 견딜 수 있습니다. 0.01 ~ 100 μL/min이 당사 그룹에서 사용하는 범위이지만 최대 500 μL/min의 유량(수동 작동 마이크로파이펫을 사용할 때 더 높을 수 있음)을 사용할 수 있습니다. 우리는 PETL이 30 ~ 57 psi8의범위에서 압력을 견딜 수 있음을 발견했습니다. 주사기 펌프는 절대적인 요구 사항은 아니지만 대부분의 실험 설정에 권장됩니다. 교실에서, burettes는 학생의 장치를 테스트하는 데 사용되었다15. 연동 펌프는 특히 PETL에서 가스 교환이 제한되기 때문에 세포 배양과 같은 특정 설정에서 유용합니다. PDMS는 침출이 우려 될 수 있지만, 이 점에서 더 유리할 수 있습니다5. 우리는 하이브리드 PET / EVA-PDMS를 생산하려고 시도했지만 EVA는 PDMS를 직접 준수하지 않습니다. 후자의 표면 변형(예를 들어, 혈장 처리 또는 계면활성제 처리)이 이 문제를 해결할 수 있다. PETL과 비교될 수 있는 또 다른 접근법은 PMMA의CO2 레이저 절제17,18을 사용하는 채널의 마이크로 가공이다. 우리는 레이저 절단이 PET / EVA 필름과 호환되지 않는 것으로 나타났습니다, 생성 된 열은 EVA를 치료하고 고르지 채널 가장자리를 생산하는 경향이 있기 때문에. 적절한 레이저 장비의 사용은 또한 크게 제조 비용을 증가시킬 수있다.
요약하자면, PETL은 현재 기술에 비해 여러 가지 이점을 제공합니다: (i) 소비자 등급 재료 및 장비의 사용으로 인해 비용은 기존 방법보다 훨씬 낮기 때문에 연구원과 학생 모두 쉽게 접근 할 수 있습니다. (ii) 장치는 몇 분 안에 설계, 절단 및 조립할 수 있으므로 신속한 프로토타입 반복이 가능하고 시간 효율적인 실험이 용이합니다. (iii) 여러 장치를 동시에 제작할 수 있어 처리량이 높은 생산이 가능합니다. (iv) 다양한 재료를 통합하여 다양성을 추가하고 광범위한 사용자 정의를 허용할 수 있습니다. 이 기술을 사용하는 새로운 기능의 현재와 미래의 개발은 새로운 사용자의 창의성과 요구 사항에 달려 있습니다. PETL 미세 유체 장치를 광범위하게 채택하면 사용자가 특정 요구에 맞는 새로운 설계 및 접근 방식을 개발함에 따라 새로운 재료와 구성이 포함될 수 있습니다.
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Disclosures
페르난도 온티베로스는 이 기술에 대한 컨설팅 서비스를 상용화하고 제공할 회사인 PETL FLUIDICS(LLC)를 출시하는 중입니다. 공동 저자는 공개 할 것이 없습니다.
Acknowledgments
이 원고의 작품은 국립 과학 재단 (NSF)에 의해 부분적으로 지원되었다 (그랜트 번호. CBET-1553826) (및 관련 ROA 보충) 및 건강의 국가 학회 (NIH) (그랜트 번호. R35GM124935) J.Z.에, 그리고 F.O에 노틀담 멜코르 방문 학부 기금. 포유류 세포와 배양 프로토콜을 제공한 제나 Sjoerdsma와 바사르 빌기세르에게 감사드리며, 파비오 사코는 보조 수치를 지원해 주실 수 있습니다.
Materials
| Name | Company | Catalog Number | Comments |
| Biopsy punch (1mm) | Miltex | 33-31AA | Optional, replaces rotary tool set up |
| Blunt needles | Janel, Inc. | JEN JG18-0.5X-90 | Remove plastic and attach to Tygon tubing |
| Coverslips | Any | 24 x 60 mm are preferred | |
| Cutting Mat and blades | Silhouette America or Nicapa | www.silhouetteamerica.com/shop/blades-and-mats | Re-use/Disposables |
| Double-sided tape | Scotch/3M | 667 | Small amounts, any width or brand |
| PEEK tubing | IDEX/any | 1581L | Different configurations available. Consider using Tygon tubing intead, if not already using PEEK |
| PET/EVA thermal laminate film | Scotch/3M & Transcendia | TP3854-200,TP5854-100 & transcendia.com/products/trans-kote-pet | 3 - 6 mil (mil = 1/1000 inch) laminating pouches or rolls. |
| PVC film - Cling Wrap | Glad / Any | Food wrapping | |
| Rotary tool-drill | Dremel/Any | 200-121 or other | 1/32 and 3/64" drill bits from Dremel recommended |
| Rubber Roller | Speedball | 4126 | To facilitate adhesion, any brand will work |
| Scissors & tweezers | Any | Fiskars-Inch-Titanium-Softgrip-Scissors |Cole-Parmer –# UX-07387-12 | Quality brands are recommended |
| Silhouette CAMEO Craft cutter | Silhouette America | www.silhouetteamerica.com/shop/cameo/SILHOUETTE-CAMEO-3-4T | Preferred craft cutter |
| Silhouette Studio software | Silhouette America | www.silhouetteamerica.com/software | Controls the craft cutter and provides drawing tools (free download MAC and PC) |
| Syringe Pump | Harvard Apparatus or New Era | 70-4504 or NE-300 | Pumps are ideal, pipettes or burettes can be used. |
| Syringes | Any | 1-3mL | |
| Thermal laminator | Scotch/3M | TL906 | Standard home/office model |
| Tygon tubing (E-3603) | Cole-Parmer | EW-06407-70 | Use with blunt needle tips |
| Vinyl furniture bumpers | DerBlue/3M/ Everbilt | Clear, self-adhesive (6 x 2 mm and 8 x 3 mm) | Round bumpers are recommended |
References
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