研究・教育応用用カスタムマイクロ流体デバイスの迅速な製造
Summary
ここでは、最小限の財務および時間投資でカスタムマイクロ流体デバイスを設計および製造するためのプロトコルを紹介します。バイオメディカル研究所や教育現場でのマイクロ流体技術の採用を促進することを目的としています。
Abstract
マイクロ流体デバイスは、ナノスケールからサブミリスケールに至るまでのチャネルで流体、粒子、細胞、マイクロサイズの器官または生物の操作を可能にします。生物科学におけるこの技術の使用の急速な増加は、幅広い研究グループにアクセス可能な方法の必要性を促している。PDMSボンディングなどの現在の製造規格では、高価で時間のかかるリソグラフィおよびボンディング技術が必要です。実行可能な代替手段は、簡単に手頃な価格で、最小限の専門知識を必要とし、設計の迅速な反復を可能にする機器や材料の使用です。本研究では、安価で製造が容易で、マイクロ流体技術に対する他のアプローチよりも生成時間が大幅に短いマイクロ流体デバイスであるPETラミネート(PETL)を設計・製造するためのプロトコルについて述べています。それらは、チャネルおよび他の特徴がクラフトカッターを使用して定義される熱結合されたフィルムシートから成っている。Petlは現場固有の技術的課題を解決すると同時に、導入の障害を劇的に軽減します。このアプローチは、研究と教育の両方の設定でマイクロ流体デバイスのアクセシビリティを容易にし、新しい問い合わせ方法のための信頼性の高いプラットフォームを提供します。
Introduction
マイクロ流体は、マイクロリットル(1 x 10-6 L)からピコリットル(1 x 10-12 L)までの容積で、小さなスケールで流体制御を可能にします。この制御は、マイクロプロセッサ産業1から借用された微細加工技術の応用により、部分的に可能になった。チャネルおよびチャンバーのマイクロサイズのネットワークの使用はユーザーが小さい次元の特徴の明確な物理的な現象の特徴を利用することを可能にする。たとえば、マイクロメートルスケールでは、粘性力が慣性力を支配する層流を使用して流体を操作できます。その結果、拡散輸送はマイクロ流体学の顕著な特徴となり、定量的および実験的に研究することができる。これらのシステムは、流体力学および輸送現象2の分野における重要な導出であるフィックの法則、ブラウン運動理論、熱方程式、および/またはナビエ・ストークス方程式を使用して適切に理解することができる。
生物科学の多くのグループは微視的なレベルで複雑なシステムを研究しているので、マイクロ流体デバイスは生物学2、3の研究アプリケーションに即座かつ重要な影響を与えると考えられていました。これは、膜または細胞内の小分子の輸送において拡散が支配的であり、細胞や微生物の寸法は、サブミリメートルシステムやデバイスに最適です。そのため、細胞実験や分子実験の方法を高める可能性が大きかった。しかし、生物学者によるマイクロ流体技術の広範な採用は、期待に遅れています4.技術移転の欠如の単純な理由は、エンジニアと生物学者を分離する規律的な境界である可能性があります。カスタムデバイスの設計と製造は、ほとんどの生物学的研究グループの能力のすぐ外にとどまっており、外部の専門知識や設備に依存しています。潜在的なアプリケーション、コスト、および設計の反復に必要な時間に精通していないことも、新しい導入者にとって重要な障壁です。これらの障壁は、イノベーションを混乱させ、生物科学の課題に対処するためのマイクロ流体の広範な適用を妨げる効果を持っていた可能性が高い。
ポイントのケース:1990年代後半以来、マイクロ流体デバイスの製造のための選択の方法となっています。PDMS(ポリジメチルシロキサン、シリコーン系有機ポリマー)は、透明性、変形性、生体適合性5などの物理的性質を有するため、広く使用されている材料である。この技術は、ラボ・オン・ア・チップとオルガン・オン・チップデバイスがこのプラットフォーム6で継続的に開発され、大きな成功を収めています。しかし、これらの技術に取り組んでいるグループのほとんどは、エンジニアリング部門で見つかるか、それらに強い関係を持っています4.リソグラフィーは、通常、金型や特殊な接合装置の製造のためのクリーンルームを必要とします。多くのグループにとって、標準のPDMSデバイスは、特に設計を繰り返し変更する必要がある場合に、資本コストとリードタイムにより理想的ではありません。さらに、この技術は、主に平均的な生物学者や専門の工学研究室にアクセスできない学生にはアクセスできません。マイクロ流体デバイスが広く採用されるためには、生物学者が一般的に使用する材料の性質の一部を模倣しなければならないことが提案されています。例えば、細胞培養やバイオアッセイに用いられるポリスチレンは、安価で使い捨てであり、大量生産に適しています。これに対し、PDMS系マイクロ流体の工業製造は、その機械的柔らかさ、表面処理不安定性、ガス透過性5のために実現されたことがない。これらの制限があり、カスタマイズされたデバイスを使用して技術的な課題を解決することを目標に、「社内」に構築され、xurography7、8、9プロトコルおよび熱ラミネートを利用する代替方法について説明します。この方法は、少ない資本と時間投資で採用することができます。
PETLは、ポリエチレンテレフタレート(PET)フィルムを用いて製造され、熱接着性エチレンビニル酢酸(EVA)で被覆される。両方の材料は、消費者製品に広く使用され、生体適合性であり、最小限のコストで容易に入手可能です。PET/EVAフィルムは、ラミネートパウチまたはロールの形態で得ることができる。愛好家や工芸品店で一般的に見られるコンピュータ制御のクラフトカッターを使用して、チャネルは、デバイスのアーキテクチャ11を定義するために、単一のフィルムシートから切り取られます。チャンネルは、(オフィス)サーマルラミネータ(図1A)を使用して結合された追加のフィルム(またはガラス)層を適用することによってシールされます。チャネルへのアクセスを容易にするために、穿状の自己接着ビニールバンパーが追加されます。製造時間は5~15分で、迅速な設計反復が可能です。Petlを作るために使用されるすべての機器と材料は、商業的にアクセス可能で手頃な価格です(リソグラフィのための何千ものUSDと比較して、<350 USD開始コスト)。したがって、Petlsは、従来のマイクロ流体によってもたらされる2つの主要な問題に対する新しい解決策を提供します: 手頃な価格と時間の有効性 (補足表 1, 2の PDMS/PETL 比較を参照)。
研究者に独自のデバイスを設計し、製造する機会を提供することに加えて、Petlは使いやすく直感的なので、教室で簡単に採用できます。PETLは、拡散、層流、マイクロミキシング、ナノ粒子合成、勾配形成および化学タクシスのような物理的、化学的、生物学的概念をよりよく理解するのに役立つ高校および大学のカリキュラム8に含めることができます。
この作業では、複雑さのレベルの異なるモデル Petls チップを製造するための全体的なワークフローを示します。最初の装置は小さい部屋の細胞およびマイクロ器官のイメージ投射を促進するために使用される。第2に、より複雑な装置は、いくつかの層と材料から成り、メカノバイオロジー9の研究に使用される。最後に、教育目的のために、いくつかの流体力学の概念(流体力学的焦点集め、層流、拡散輸送、マイクロミミックス)を表示するデバイスを構築しました。ここで紹介するワークフローとデバイスの設計は、研究と教室の両方の設定で、さまざまな目的に合わせて簡単に調整できます。
Protocol
Representative Results
Discussion
マイクロ流体は、世界中の実験室のツールボックスにますます存在しているが、その肯定的な影響の可能性を考えると、採用のペースは失望している16.マイクロ流体デバイス製造の低コストと高効率は、平均的な研究所でこの技術の採用を加速するために不可欠です。ここで説明する方法では、複数のフィルム層を使用して、リソグラフィ法に必要な時間とコストのほんの?…
Disclosures
The authors have nothing to disclose.
Acknowledgements
この原稿の作品は、国立科学財団(NSF)(グラントNo.)によって一部支援されました。CBET-1553826)(および関連するROAサプリメント)および国立衛生研究所(NIH)(補助金番号)R35GM124935)からJ.Z.、ノートルダム・メルチョル・ビデンティカル・ファンド・オンフ・レオ哺乳類の細胞と培養プロトコルとファビオ・サッコに補足的な数字を提供してくれたジェナ・ジョルズマとバサール・ビルギサーに感謝します。
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
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