التصنيع السريع للاجهزه المخصصة Microfluidic للبحوث والتطبيقات التعليمية
Summary
هنا نقدم بروتوكول لتصميم وتصنيع الاجهزه المخصصة ميكروفلويديك مع الحد الأدنى من الاستثمار المالي والوقت. والهدف من ذلك هو تيسير اعتماد تكنولوجيات ميكروفلوريك في مختبرات البحوث الطبية الحيوية والبيئات التعليمية.
Abstract
تسمح الاجهزه المجهرية بالتلاعب بالسوائل والجزيئات والخلايا والاجهزه الصغيرة الحجم أو الكائنات الحية في القناات التي تتراوح من النانو إلى المقاييس تحت الملليمتر. وقد أدت الزيادة السريعة في استخدام هذه التكنولوجيا في العلوم البيولوجية إلى الحاجة إلى أساليب يمكن لمجموعه واسعه من المجموعات البحثية الوصول اليها. تتطلب معايير التصنيع الحالية ، مثل الترابط PDMS ، تقنيات الطباعة الحجرية والترابط المكلفة والمستهلكة للوقت. ومن البدائل القابلة للاستمرار استخدام المعدات والمواد الميسورة التكلفة بسهوله ، والتي تتطلب قدرا ادني من الخبرة وتسمح بالتكرار السريع للتصاميم. في هذا العمل ونحن وصف بروتوكول لتصميم وإنتاج PET-شرائح (petls) ، والاجهزه ميكروفلويديك التي هي غير مكلفه ، وسهله لافتعال ، وتستهلك وقتا اقل بكثير لتوليد من النهج الأخرى لتكنولوجيا ميكروفلويديكس. وهي تتالف من صفائح الأفلام المستعبدين حراريا ، والتي يتم تعريف القناات والميزات الأخرى باستخدام قطع الحرفية. ويحل المشروع التحديات التقنية الخاصة بالميدان مع الحد بشكل كبير من العقبات التي تعترض التبني. ويسهل هذا النهج امكانيه الوصول إلى أجهزه ميكروفلويديكس في كل من البيئات البحثية والتعليمية ، مما يوفر منصة موثوقه لأساليب التحري الجديدة.
Introduction
تمكن ميكروفلويديكس من التحكم في السوائل علي نطاقات صغيره ، مع احجام تتراوح من ميكروليتر (1 × 10-6 لتر) إلى بيدولتر (1 × 10-12 لتر). وقد أصبحت هذه السيطرة ممكنة جزئيا بسبب تطبيق تقنيات التصنيع المجهري المقترضة من صناعه المعالجات الدقيقة1. ويتيح استخدام الشبكات الصغيرة الحجم من القناات والغرف للمستعمل الاستفادة من الظواهر الفيزيائية المميزة التي تتميز بها الابعاد الصغيرة. علي سبيل المثال ، عند مقياس الميكرومتر ، يمكن التلاعب بالسوائل باستخدام التدفق الصفي ، حيث تهيمن القوي اللزجة علي القوي القصوره. ونتيجة لذلك ، يصبح النقل غير المدروس السمة البارزة للميكروفلويديكس ، ويمكن دراسته كميا وتجريبيا. ويمكن فهم هذه الانظمه بشكل صحيح باستخدام قوانين Fick ، ونظرية الحركة البراونية ، ومعادله الحرارة ، و/أو معادلات Navier-ستوكس ، التي هي اشتقاقات هامه في مجالات ميكانيكا السوائل وظواهر النقل2.
لان العديد من المجموعات في العلوم البيولوجية دراسة نظم معقده علي المستوي المجهري ، كان يعتقد أصلا ان الاجهزه ميكروفلويديك سيكون لها تاثير فوري وكبير علي تطبيقات البحوث في علم الاحياء2،3. ويرجع ذلك إلى انتشار يجري المهيمنة في نقل جزيئات صغيره عبر الاغشيه أو داخل الخلية ، وابعاد الخلايا والكائنات الدقيقة هي مباراة مثاليه للانظمه والاجهزه الفرعية ملليمتر. ولذلك ، كانت هناك إمكانات كبيره لتعزيز الطريقة التي تجري بها التجارب الخلوية والجزيئية. ومع ذلك ، فان الاعتماد الواسع للتكنولوجيات الصغريه من قبل علماء البيولوجيا قد تخلفت وراء التوقعات4. قد يكون السبب البسيط لعدم نقل التكنولوجيا هو الحدود التاديبيه التي تفصل بين المهندسين وعلماء الاحياء. وظل تصميم الاجهزه المخصصة وتصنيعها خارج نطاق قدرات معظم مجموعات البحوث البيولوجية ، مما يجعلها تعتمد علي الخبرات والمرافق الخارجية. كما ان عدم إلمام بالتطبيقات المحتملة والتكلفة والوقت اللازم لتكرار التصميم يشكلان أيضا عائقين كبيرين امام المتبنيين الجدد. ومن المرجح ان تكون هذه الحواجز قد أثرت في تعطيل الابتكار ومنع التطبيق الواسع النطاق للميكروفلوات لمواجهه التحديات في العلوم البيولوجية.
والمثال علي ذلك: منذ أواخر عام 1990 كانت الصور الفوتوغرافية اللينة الطريقة المفضلة لتصنيع الاجهزه ميكروفلويدريك. PDMS (بوليميثيلسيلاوكسين ، بوليمر عضوي قائم علي السيليكون) هو ماده تستخدم علي نطاق واسع بسبب خصائصه الفيزيائية ، مثل الشفافية ، الخلايا ، والتوافق البيولوجي5. وقد تمتعت هذه التقنية نجاحا كبيرا ، مع مختبر علي رقاقه والجهاز علي رقاقه الاجهزه التي يتم تطويرها باستمرار علي هذا النظام الأساسي6. غير ان معظم المجموعات التي تعمل علي هذه التكنولوجيات موجودة في الإدارات الهندسية أو لها روابط قويه بها4. وعاده ما تتطلب الطباعة الحجرية غرفا نظيفه لتصنيع القوالب ومعدات الربط المتخصصة. للعديد من المجموعات ، وهذا يجعل الاجهزه PDMS القياسية اقل من المثالي بسبب تكاليفها الراسماليه والرصاص الوقت ، وخاصه عندما يكون هناك حاجه لاجراء تعديلات التصميم المتكررة. وعلاوة علي ذلك ، لا يمكن الوصول إلى التكنولوجيا في الغالب لمتوسط الاحياء وللطلبة المحرومين من المختبرات الهندسية المتخصصة. وقد اقترح انه لكي يتم اعتماد الاجهزه المجهرية علي نطاق واسع ، يجب ان تحاكي بعض صفات المواد التي يشيع استخدامها من قبل علماء البيولوجيا. علي سبيل المثال ، البوليسترين المستخدمة للثقافة الخلية والاختبارات الحيوية غير مكلفه ، يمكن التخلص منها ، وقابله للإنتاج الضخم. وعلي النقيض من ذلك ، فان التصنيع الصناعي للميكروفلويديكس القائم علي PDMS لم يتحقق أبدا بسبب نعومه الميكانيكية ، وعدم استقرار المعالجة السطحية ، ونفاذيه الغاز5. بسبب هذه القيود ، ومع الهدف من حل التحديات التقنية باستخدام أجهزه مخصصه بنيت “في المنزل” ، ونحن وصف طريقه بديله التي تستخدم xurography7،8،9 بروتوكولات والتصفيح الحراري. ويمكن اعتماد هذه الطريقة مع القليل من راس المال والاستثمار في الوقت.
هي ملفقه petls باستخدام البولي إيثيلين تيريفثاليت (PET) الفيلم ، والمغلفة مع الإيثيلين اللاصق الحراري-الفينيل خلات (ايفا). كلا المادتين تستخدم علي نطاق واسع في المنتجات الاستهلاكية ، وهي متوافقة بيولوجيا ومتاحه بسهوله بأقل تكلفه10. PET/EVA يمكن الحصول علي الفيلم في شكل الترقق الحقائب أو لفات. باستخدام قاطع الحرفية التي تسيطر عليها الكمبيوتر وجدت عاده في الهاوي أو الحرف مخازن ، يتم قطع القناات من ورقه فيلم واحد لتحديد الهندسة المعمارية الجهاز11. ثم يتم إغلاق القناات عن طريق تطبيق طبقات اضافيه من الأفلام (أو الزجاج) التي يتم المستعبدين باستخدام (مكتب) تغليف الحرارية (الشكل 1ا). يتم أضافه مصدات الفينيل المثقبة ذاتية اللصق لتسهيل الوصول إلى القناات. تتراوح أوقات التصنيع من 5 إلى 15 دقيقه ، مما يسمح بالتكرار السريع للتصميم. جميع المعدات والمواد المستخدمة لجعل PETLs يمكن الوصول اليها تجاريا وباسعار معقولة (< 350 دولار أمريكي تكلفه بدء التشغيل ، مقارنه بآلاف USDs للطباعة الحجرية). ولذلك ، توفر PETLs حلا جديدا لمشكلتين رئيسيتين تطرحهما ميكروفلويديكس التقليدية: القدرة علي تحمل التكاليف وفعالية الوقت (انظر مقارنه PDMS/PETLS في الجدولين التكميليين 1 و 2).
بالاضافه إلى تزويد الباحثين بالفرصة لتصميم وتصنيع أجهزتهم الخاصة ، يمكن اعتماد PETLs بسهوله في الفصول الدراسية لأنها بسيطه وبديهية للاستخدام. يمكن ادراج PETLs في المناهج الدراسية الثانوية والجامعية8، حيث يتم استخدامها لمساعده الطلاب علي فهم المفاهيم الفيزيائية والكيميائية والبيولوجية بشكل أفضل ، مثل الانتشار ، والتدفق الرقائقي ، والميكرومتر ، وتوليف جسيمات متناهي ، وتشكيل التدرج ، والمحور الكيميائي.
في هذا العمل ونحن نوضح سير العمل الشامل لتصنيع رقائق نموذج PETLs مع مستويات مختلفه من التعقيد. ويستخدم الجهاز الأول لتسهيل تصوير الخلايا والاجهزه الدقيقة في غرفه صغيره. الثاني ، والجهاز أكثر تعقيدا يتكون من عده طبقات ومواد ، ويستخدم للبحوث في البيولوجيا الميكانيكية9. وأخيرا ، قمنا ببناء جهاز يعرض العديد من المفاهيم الديناميكية السائلة (التركيز الهيدروديناميكي ، والتدفق الرقائقي ، والنقل المتعدد الطرق ، والميكرومتر) للأغراض التعليمية. يمكن تصميم سير العمل وتصاميم الاجهزه المعروضة هنا بسهوله لمجموعه كبيره من الأغراض في كل من إعدادات البحث والفصول الدراسية.
Protocol
Representative Results
Discussion
وفي حين ان الموائع الصغيرة موجودة بشكل متزايد في مجموعه أدوات المختبرات في جميع انحاء العالم ، فان وتيره الاعتماد كانت مخيبه للآمال ، نظرا لاحتمال تاثيرها الإيجابي16. التكلفة المنخفضة والكفاءة العالية لتصنيع الاجهزه ميكروفلويديك ضرورية لتسريع اعتماد هذه التكنولوجيا في مختب…
Disclosures
The authors have nothing to disclose.
Acknowledgements
تم دعم العمل في هذه المخطوطة جزئيا من قبل المؤسسة الوطنية للعلوم (المنحة رقم CBET-1553826) (وملحق ROA المرتبط) والمعاهد الوطنية للصحة (منح رقم R35GM124935) إلى J.Z. ، والصندوق الزائر لكليه نوتر دام ميلشور إلى F.O. ونود ان نشكر جينا سواردسما وبابار بيلجيكر علي توفير الخلايا الثديية والبروتوكولات الثقافية فابيو ساكو للحصول علي المساعدة مع الأرقام التكميلية.
Materials
| 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
- Xia, Y., Whitesides, G. M. SOFT LITHOGRAPHY. Annual Review of Materials Science. 28 (1), 153-184 (1998).
- Beebe, D. J., Mensing, G. A., Walker, G. M. Physics and Applications of Microfluidics in Biology. Annual Review of Biomedical Engineering. 4 (1), 261-286 (2002).
- Whitesides, G. M., Ostuni, E., Takayama, S., Jiang, X., Ingber, D. E. Soft Lithography in Biology and Biochemistry. Annual Review of Biomedical Engineering. 3 (1), 335-373 (2001).
- 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).
- Berthier, E., Young, E. W. K., Beebe, D. Engineers are from PDMS-land, Biologists are from Polystyrenia. Lab on a Chip. 12 (7), 1224 (2012).
- Zhang, B., Korolj, A., Lai, B. F. L., Radisic, M. Advances in organ-on-a-chip engineering. Nature Reviews Materials. 3 (8), 257-278 (2018).
- Bartholomeusz, D. A., Boutte, R. W., Andrade, J. D. Xurography: rapid prototyping of microstructures using a cutting plotter. Journal of Microelectromechanical Systems. 14 (6), 1364-1374 (2005).
- Martínez-Hernández, K. J., Rovira-Figueroa, N. D., Ontiveros, F. . Implementation and Assessment of Student-Made Microfluidic Devices in the General Chemistry Laboratory. , (2016).
- Levis, M., et al. Microfluidics on the fly: Inexpensive rapid fabrication of thermally laminated microfluidic devices for live imaging and multimodal perturbations of multicellular systems. Biomicrofluidics. 13 (2), 024111 (2019).
- Subramaniam, A., Sethuraman, S. Chapter 18 – Biomedical Applications of Nondegradable Polymers. Natural and Synthetic Biomedical Polymers. , 301-308 (2014).
- Yuen, P. K., Goral, V. N. Low-cost rapid prototyping of flexible microfluidic devices using a desktop digital craft cutter. Lab Chip. 10 (3), 384-387 (2010).
- Oya, K., et al. Surface Characteristics of Polyethylene Terephthalate (PET) Film Exposed to Active Oxygen Species Generated via Ultraviolet (UV) Lights Irradiation in High and Low Humidity Conditions. Journal of Photopolymer Science and Technology. 27 (3), 409-414 (2014).
- Narciso, C. E., Contento, N. M., Storey, T. J., Hoelzle, D. J., Zartman, J. J. Release of Applied Mechanical Loading Stimulates Intercellular Calcium Waves in Drosophila Wing Discs. Biophysical Journal. 113 (2), 491-501 (2017).
- Suh, Y. K., Kang, S. A Review on Mixing in Microfluidics. Micromachines. 1 (3), 82-111 (2010).
- Jahn, A., Vreeland, W. N., Gaitan, M., Locascio, L. E. Controlled Vesicle Self-Assembly in Microfluidic Channels with Hydrodynamic Focusing. Journal of the American Chemical Society. 126 (9), 2674-2675 (2004).
- Weibel, D., Whitesides, G. Applications of microfluidics in chemical biology. Current Opinion in Chemical Biology. 10 (6), 584-591 (2006).
- Chen, X., Li, T., Shen, J. CO2 Laser Ablation of Microchannel on PMMA Substrate for Effective Fabrication of Microfluidic Chips. International Polymer Processing. 31 (2), 233-238 (2016).
- Chen, X., Shen, J., Zhou, M. Rapid fabrication of a four-layer PMMA-based microfluidic chip using CO2-laser micromachining and thermal bonding. Journal of Micromechanics and Microengineering. 26 (10), 107001 (2016).
