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.
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.
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.
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…
The authors have nothing to disclose.
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.
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 |