Här presenterar vi ett protokoll för att designa och fabricera anpassade mikroflödessystem enheter med minimal ekonomisk och tid investeringar. Syftet är att underlätta införandet av mikrofluidic teknologier i biomedicinska forskningslaboratorier och pedagogiska miljöer.
Microfluidic enheter möjliggör manipulation av vätskor, partiklar, celler, mikro-storlek organ eller organismer i kanaler som sträcker sig från nano till submillimeter skalor. En snabb ökning av användningen av denna teknik i de biologiska vetenskaperna har föranlett ett behov av metoder som är tillgängliga för ett brett spektrum av forskargrupper. Nuvarande tillverkningsnormer, såsom PDMS limning, kräver dyra och tidskrävande litografi och limning tekniker. Ett lönsamt alternativ är användningen av utrustning och material som är lätt överkomliga, kräver minimal expertis och möjliggör en snabb iteration av mönster. I detta arbete beskriver vi ett protokoll för att designa och producera PET-laminat (petls), mikroflödessystem enheter som är billiga, lätt att fabricera, och konsumerar betydligt mindre tid att generera än andra metoder för mikrofluidics teknik. De består av termiskt bundna film ark, där kanaler och andra funktioner definieras med hjälp av en Craft Cutter. PETLs lösa Fältspecifika tekniska utmaningar och samtidigt dramatiskt minska hindren för antagande. Den här metoden underlättar tillgängligheten för mikrofluidics-enheter i både forsknings-och utbildningsmiljöer, vilket ger en tillförlitlig plattform för nya undersökningsmetoder.
Mikrofluidik möjliggör vätske kontroll i små skalor, med volymer som sträcker sig från mikroliter (1 x 10-6 l) till picoliter (1 x 10-12 l). Denna kontroll har möjliggjorts delvis på grund av tillämpningen av mikrofabrikationsmetoder lånade från mikroprocessor industrin1. Användningen av mikro-stora nätverk av kanaler och kammare gör det möjligt för användaren att dra nytta av de distinkta fysiska fenomen karakteristiska för små dimensioner. Till exempel, i mikrometerskalan, kan vätskor manipuleras med laminärt flöde, där trögflytande krafter dominerar tröghetskrafter. Som ett resultat, diffusiv transport blir framträdande inslag i mikrofluidik, och kan studeras kvantitativt och experimentellt. Dessa system kan förstås med hjälp av fick lagar, Brownian rörelse teori, värme ekvation, och/eller Navier-Stokes ekvationer, som är viktiga derivationer inom områdena strömningsmekanik och Transportfenomen2.
Eftersom många grupper i biologisk vetenskap studera komplexa system på mikroskopisk nivå, var det ursprungligen tänkt att mikroflödessystem enheter skulle ha en omedelbar och betydande inverkan på forskningstillämpningar i biologi2,3. Detta beror på diffusion är dominerande i transporten av små molekyler över membran eller i en cell, och dimensionerna av celler och mikroorganismer är en idealisk matchning för sub-millimeter system och enheter. Därför fanns det en betydande potential för att förbättra det sätt på vilket cellulära och molekylära experiment bedrivs. Men, brett antagande av mikroflödessystem teknik av biologer har släpat bakom förväntningarna4. En enkel orsak till bristen på tekniköverföring kan vara de disciplinära gränser som separerar ingenjörer och biologer. Anpassad enhet design och tillverkning har varit precis utanför de möjligheter som de flesta biologiska forskargrupper, vilket gör dem beroende av extern expertis och anläggningar. Brist på förtrogenhet med potentiella tillämpningar, kostnad, och den tid som krävs för design-iteration är också betydande hinder för nya adopterare. Det är troligt att dessa hinder har påverkat innovationen och hindrat den utbredda tillämpningen av mikrofluidik att ta itu med utmaningarna i de biologiska vetenskaperna.
Ett exempel: sedan slutet av 1990-talet Soft-Photolithography har varit den metod som val för tillverkning av mikrofluidic enheter. PDMS (Polydimetylsiloxan, en silikonbaserad organisk polymer) är ett allmänt använt material på grund av dess fysikaliska egenskaper, såsom transparens, deformerbarhet och biokompatibilitet5. Tekniken har haft stor framgång, med Lab-on-a-chip och orgel-on-a-chip enheter ständigt utvecklas på denna plattform6. De flesta av de grupper som arbetar med dessa tekniker, dock finns i ingenjörs avdelningar eller har starka band till dem4. Litografi kräver vanligtvis rena rum för tillverkning av formar och specialiserade bindningsutrustning. För många grupper, detta gör standard PDMS enheter mindre än perfekt på grund av deras kapitalkostnader och ledtid, särskilt när det finns ett behov av att göra upprepade konstruktionsändringar. Dessutom är tekniken mestadels otillgänglig för den genomsnittlige biologen och för studenter utan tillgång till specialiserade laboratorier. Det har föreslagits att för mikrofluidiska anordningar som skall antas allmänt, måste de efterlikna några av de kvaliteter av material som vanligen används av biologer. Till exempel, polystyren används för cellkultur och bioassays är billig, disponibel, och mottaglig för massproduktion. Däremot har industriell tillverkning av PDMS-baserade mikrofluidik aldrig realiserats på grund av dess mekaniska mjukhet, ytbehandling instabilitet, och gas permeabilitet5. På grund av dessa begränsningar, och med målet att lösa tekniska utmaningar med hjälp av kundanpassade enheter byggda “in-House”, beskriver vi en alternativ metod som utnyttjar xurography7,8,9 protokoll och termisk laminering. Denna metod kan antas med lite kapital och tid investeringar.
PETLs är tillverkade med polyetylentereftalat (PET) film, belagd med den termoadhesiva etylen-vinylacetat (EVA). Båda materialen används ofta i konsumentprodukter, är biokompatibla och är lätt tillgängliga till minimal kostnad10. PET/EVA film kan erhållas i form av laminering påsar eller rullar. Med hjälp av en datorstyrd hantverk fräs som vanligtvis finns i hobby eller hantverk butiker, kanaler skärs ut ur en enda film blad för att definiera enhetens arkitektur11. Kanalerna förseglas sedan genom att använda ytterligare film (eller glas) skikt som är bundna med en (kontor) termisk laminatorn (figur 1A). Perforerade, självhäftande vinylstötfångare tillsätts för att underlätta tillgången till kanalerna. Fabrication Times sträcker sig från 5 till 15 min, vilket möjliggör snabb design iteration. All utrustning och material som används för att göra PETLs är kommersiellt tillgängliga och överkomliga (< 350 USD start kostnad, jämfört med tusentals USDs för litografi). Därför, PETLs ge en ny lösning på två huvudsakliga problem som orsakas av konventionella mikrofluidik: överkomliga priser och tidseffektivitet (se PDMS/PETL jämförelse i kompletterande tabeller 1,2).
Förutom att ge forskarna möjlighet att designa och tillverka sina egna produkter, kan PETLs enkelt antas i klassrummet eftersom de är enkla och intuitiva att använda. Petls kan ingå i gymnasiet och högskolans läroplaner8, där de används för att hjälpa eleverna bättre förstå fysiska, kemiska och biologiska begrepp, som diffusion, laminärt flöde, micromixing, nanopartiklar syntes, lutning formation och chemotaxis.
I detta arbete illustrerar vi det övergripande arbetsflödet för tillverkning av modell PETLs marker med olika komplexitetsnivåer. Den första enheten används för att underlätta avbildning av celler och mikro organ i en liten kammare. Den andra, mer komplexa enheten består av flera lager och material, och används för forskning i Mekanobiologi9. Slutligen byggde vi en enhet som visar flera Fluid Dynamics begrepp (hydrodynamisk fokusering, laminärt flöde, diffus transport och micromixing) för utbildningsändamål. Arbetsflödet och enhets designen som presenteras här kan enkelt skräddarsys för ett stort antal syften i både forsknings-och klassrums inställningarna.
Medan mikrofluidik är alltmer närvarande i verktygslådan av laboratorier runt om i världen, har takten i antagandet varit en besvikelse, med tanke på potentialen för dess positiva inverkan16. Låg kostnad och hög verkningsgrad av mikroflödessystem enhet tillverkning är avgörande för att påskynda antagandet av denna teknik i det genomsnittliga forskningslaboratoriet. Metoden som beskrivs här använder flera skikt för att skapa två och tredimensionella enheter till en bråkdel av den …
The authors have nothing to disclose.
Arbetet i detta manuskript stöddes delvis av National Science Foundation (NSF) (Grant No. CBET-1553826) (och tillhörande ROA tillägg) och National Institutes of Health (NIH) (Grant No. R35GM124935) till J.Z., och Notre Dame Melchor gästar fakultets fonden för att F.O. Vi vill tacka Jenna Sjoerdsma och basar Bilgiçer för att tillhandahålla däggdjursceller och kultur protokoll och Fabio Sacco för hjälp med kompletterande siffror.
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 |