Summary

Rask fabrikasjon av skikk og bruk Mikrovæskebasert anordninger for forskning og utdanning pedagogisk søknadene

Published: November 20, 2019
doi:

Summary

Her presenterer vi en protokoll for å designe og dikte tilpassede mikrovæskebasert enheter med minimal finansiell og tids investering. Målet er å tilrettelegge for innføringen av mikrovæskebasert teknologi i biomedisinsk forskningslaboratorier og utdanningsmiljøer.

Abstract

Mikrovæskebasert enheter tillater manipulering av væsker, partikler, celler, mikro-sized organer eller organismer i kanaler som spenner fra nano til submillimeter skalaer. En rask økning i bruken av denne teknologien i biologiske vitenskaper har bedt om et behov for metoder som er tilgjengelige for et bredt spekter av forskningsgrupper. Aktuelle fabrikasjon standarder, som PDMS bånd, forlange dyr og tid forbruker litografiske og bånd teknikker. Et levedyktig alternativ er bruk av utstyr og materialer som er lett rimelig, krever minimal kompetanse og gir mulighet for rask gjentakelse av design. I dette arbeidet beskriver vi en protokoll for design og produksjon av PET-laminat (PETLs), mikrovæskebasert enheter som er billig, lett å dikte, og forbruke betydelig mindre tid til å generere enn andre tilnærminger til materialer teknologi. De består av termisk limt film ark, der kanaler og andre funksjoner er definert ved hjelp av en Craft cutter. PETLs løse felt-spesifikke tekniske utfordringer samtidig dramatisk redusere hindringer for adopsjon. Denne tilnærmingen forenkler tilgjengeligheten av materialer enheter i både forskning og pedagogiske innstillinger, og gir en pålitelig plattform for nye metoder for forespørsel.

Introduction

Materialer muliggjør væske kontroll ved små skalaer, med volumer som spenner fra mikroliter (1 x 10-6 l) til picoliters (1 x 10-12 l). Denne kontrollen har blitt gjort mulig delvis på grunn av anvendelsen av microfabrication teknikker lånt fra mikroprosessor industrien1. Bruk av mikro-sized nettverk av kanaler og kamre gjør at brukeren kan dra nytte av den distinkte fysiske fenomener karakteristisk for små dimensjoner. For eksempel, på mikrometer skala, kan væsker manipuleres ved hjelp av laminær flyt, hvor tyktflytende krefter dominerer treghet krefter. Som et resultat, blir diffusive transport det fremtredende trekk ved materialer, og kan bli studert kvantitativt og eksperimentelt. Disse systemene kan forstås riktig ved hjelp av Fick ‘ s lover, Brownske bevegelses teori, varme ligningen, og/eller Navier-Stokes ligninger, som er viktige avledninger innen væske mekanikere og transport fenomener2.

Fordi mange grupper i de biologiske vitenskaper studien komplekse systemer på mikroskopisk nivå, var det opprinnelig antatt at mikrovæskebasert enheter ville ha en umiddelbar og betydelig innvirkning på forskningsprogrammer i biologi2,3. Dette skyldes Diffusjon er dominerende i transport av små molekyler på tvers av membraner eller i en celle, og dimensjonene av celler og mikroorganismer er en ideell match for sub-millimeter systemer og enheter. Derfor var det betydelig potensial for å øke måten mobilnettet og molekylær eksperimentering er gjennomført. Men bred adopsjon av mikrovæskebasert teknologier av biologer har ligget bak forventningene4. En enkel grunn til mangelen på teknologioverføring kan være disiplinære grenser skille ingeniører og biologer. Tilpasset enhets design og fabrikasjon har forblitt like utenfor evnene til de fleste biologiske forskningsgrupper, noe som gjør dem avhengige av ekstern ekspertise og fasiliteter. Mangel på fortrolighet med muligheter søknadene, bekostning, og klokken krevde for tegning-gjentakelse er likeledes betydelig barriere for ny adoptert. Det er sannsynlig at disse barrierene har hatt effekten av å forstyrre innovasjon og forebygge utbredt anvendelse av materialer for å løse utfordringene i de biologiske vitenskaper.

Et eksempel på dette: siden slutten av 1990-tallet Soft-Foto litografi har vært metoden for valg for fabrikasjon av mikrovæskebasert enheter. PDMS (Polydimethylsiloxan, en silikon-basert økologisk polymer) er en mye brukt materiale på grunn av dens fysiske egenskaper, som gjennomsiktighet, fleksibilitet, og biokompatibilitet5. Teknikken har hatt stor suksess, med Lab-on-a-chip og organ-on-a-chip enheter kontinuerlig utvikles på denne plattformen6. De fleste av gruppene som arbeider med disse teknologiene, men finnes i engineering avdelinger eller har sterke bånd til dem4. Litografi krever vanligvis Clean-rom for fabrikasjon av muggsopp og spesialisert bonding utstyr. For mange grupper, dette gjør standard PDMS enheter mindre enn ideelt på grunn av deres kapitalkostnader og ledetid, spesielt når det er behov for å gjøre gjentatte design modifikasjoner. Videre er teknologien for det meste utilgjengelige for den gjennomsnittlige biolog og studenter uten tilgang til spesialiserte tekniske laboratorier. Det har blitt foreslått at for mikrovæskebasert enheter å være allment vedtatt, må de etterligne noen av de kvaliteter av materialer som vanligvis brukes av biologer. For eksempel polystyren brukes for cellekultur og bioassays er billig, disponibel, og mottagelig for masseproduksjon. I kontrast, industriell produksjon av PDMS-baserte materialer har aldri vært realisert på grunn av sin mekaniske mykhet, overflatebehandling ustabilitet, og gass permeabilitet5. På grunn av disse begrensningene, og med mål om å løse tekniske utfordringer ved hjelp av tilpassede enheter bygget “in-House”, beskriver vi en alternativ metode som utnytter xurography-7,8,9 protokoller og termisk laminering. Denne metoden kan vedtas med lite kapital og tid investering.

PETLs er fabrikkert ved hjelp av polyetylen polyetylentereftalat (PET) film, belagt med thermoadhesive etylen-vinyl acetate (EVA). Begge materialene er mye brukt i forbrukerprodukter, er biokompatible og er lett tilgjengelig på minimal kostnad10. PET/EVA film kan fås i form av laminering poser eller ruller. Ved hjelp av en datastyrt håndverket cutter vanligvis finnes i hobby eller håndverket butikker, er kanalene kuttet ut av en enkelt film ark for å definere enhetens arkitektur11. Kanalene blir deretter forseglet ved å bruke ekstra film (eller glass) lag som er limt ved hjelp av en (kontor) termisk lamineringsmaskinen (figur 1A). Perforert, selvklebende vinyl støtfangere er lagt til for å lette tilgangen til kanalene. Fabrikasjon timene omfang fra 5 å 15 min, hvilke innrømmer rask tegning gjentakelse. Alt utstyr og materialer som brukes til å lage PETLs er kommersielt tilgjengelig og rimelig (< 350 USD startkostnad, sammenlignet med tusenvis av USDs for litografi). Derfor PETLs gi en ny løsning på to hovedproblemer som utgjøres av konvensjonelle materialer: rimelig og tids effektivitet (se PDMS/PETL sammenligning i supplerende tabeller 1, 2).

I tillegg til å gi forskere muligheten til å designe og dikte opp sine egne enheter, kan PETLs enkelt vedtas i klasserommet fordi de er enkle og intuitive å bruke. PETLs kan inngå i videregående skole og høyskole læreplaner8, hvor de brukes til å hjelpe elevene bedre forstå fysiske, kjemiske og biologiske konsepter, som diffusjon, laminær flyt, mikromixing, nanopartikkel syntese, gradient dannelse og chemotaxis.

I dette arbeidet illustrerer vi den generelle arbeidsflyten for fabrikasjon av modellen PETLs chips med ulike nivåer av kompleksitet. Den første enheten brukes til å forenkle bildebehandling av celler og mikro-organer i et lite kammer. Den andre, mer komplekse enheten består av flere lag og materialer, og brukes til forskning i mechanobiology9. Endelig har vi bygget en enhet som viser flere Fluid dynamikk konsepter (hydrodynamisk fokus, laminær flyt, diffusive transport og mikromixing) for pedagogiske formål. Arbeidsflyten og enhets designene som presenteres her, kan enkelt skreddersys for et stort utvalg formål både i innstillingene for forskning og klasserom.

Protocol

1. utforming Identifiser en applikasjon for enhetene, og oppgi kanal/kammer-komponentene som skal være nødvendige.Merk: alle enheter vil kreve inn-og ut-kanaler. Enheter som brukes til mikroskopi vil kreve et bilde kammer. Mer komplekse enheter vil kreve kanaler og kamre som ligger i flere lag. Start med hånd-tegning hvert lag, med tanke på hvordan enhetens funksjonalitet påvirkes av superposisjon av lagene. Tegn de endelige utformingene på en datamaskin ved hjelp av programvare so…

Representative Results

I tillegg til lave kostnader og raske gjentakelser, kan PETL-teknologi enkelt tilpasses for å løse spesifikke utfordringer. Først beskriver vi en enkel enhet bestående av et glass dekkglass, et kammer lag, et kanal lag, og et innløp/utløp lag (figur 2). Denne enheten ble utformet for å lette Imaging av celler og mikro-organer under konstant flyt. Kultur medium etterfylles ved lave strømningsrater for å oppmuntre til nærings-og gassutveksling. Den runde kammer har en glassbunn, som …

Discussion

Mens materialer er stadig til stede i verktøykassen av laboratorier rundt om i verden, har tempoet i vedtaket vært skuffende, gitt potensialet for sin positive innvirkning16. Lave kostnader og høy effektivitet av mikrovæskebasert enhet fabrikasjon er avgjørende for å akselerere innføringen av denne teknologien i gjennomsnittlig forskningslaboratorium. Metoden beskrevet her bruker flere film lag for å lage to og tredimensjonale enheter til en brøkdel av tiden og kostnadene som kreves av li…

Disclosures

The authors have nothing to disclose.

Acknowledgements

Arbeidet i dette manuskriptet ble støttet delvis av National Science Foundation (NSF) (Grant no. CBET-1553826) (og tilhørende ROA supplement) og National Institutes of Health (NIH) (Grant no. R35GM124935) til J.Z., og Notre Dame Melchor Visiting fakultet fondet til F.O. Vi vil gjerne takke Jenna Sjoerdsma og basar Bilgiçer for å gi pattedyrceller og kultur protokoller og Fabio Sacco for å få hjelp med supplerende tall.

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

  1. Xia, Y., Whitesides, G. M. SOFT LITHOGRAPHY. Annual Review of Materials Science. 28 (1), 153-184 (1998).
  2. 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).
  3. 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).
  4. 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).
  5. 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).
  6. 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).
  7. 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).
  8. Martínez-Hernández, K. J., Rovira-Figueroa, N. D., Ontiveros, F. . Implementation and Assessment of Student-Made Microfluidic Devices in the General Chemistry Laboratory. , (2016).
  9. 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).
  10. Subramaniam, A., Sethuraman, S. Chapter 18 – Biomedical Applications of Nondegradable Polymers. Natural and Synthetic Biomedical Polymers. , 301-308 (2014).
  11. 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).
  12. 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).
  13. 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).
  14. Suh, Y. K., Kang, S. A Review on Mixing in Microfluidics. Micromachines. 1 (3), 82-111 (2010).
  15. 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).
  16. Weibel, D., Whitesides, G. Applications of microfluidics in chemical biology. Current Opinion in Chemical Biology. 10 (6), 584-591 (2006).
  17. 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).
  18. 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).

Play Video

Cite This Article
Levis, M., Ontiveros, F., Juan, J., Kavanagh, A., Zartman, J. J. Rapid Fabrication of Custom Microfluidic Devices for Research and Educational Applications. J. Vis. Exp. (153), e60307, doi:10.3791/60307 (2019).

View Video