Summary
El protocolo demuestra un método conveniente para producir flujo oscilatorio armónico de 10-1000 Hz en microcanales. Esto se realiza interconectando un diafragma de altavoz controlado por computadora con el microcanal de manera modular.
Abstract
La tecnología microfluídica se ha convertido en una herramienta estándar en los laboratorios químicos y biológicos tanto para el análisis como para la síntesis. La inyección de muestras líquidas, como reactivos químicos y cultivos celulares, se logra predominantemente a través de flujos constantes que generalmente son impulsados por bombas de jeringas, gravedad o fuerzas capilares. El uso de flujos oscilatorios complementarios rara vez se considera en aplicaciones a pesar de sus numerosas ventajas, como se ha demostrado recientemente en la literatura. La importante barrera técnica para la implementación de flujos oscilatorios en microcanales es probablemente responsable de la falta de su adopción generalizada. Las bombas de jeringa comerciales avanzadas que pueden producir flujo oscilatorio, a menudo son más caras y solo funcionan para frecuencias inferiores a 1 Hz. Aquí, se demuestra el montaje y operación de un aparato basado en altavoces de bajo costo, tipo plug-and-play, que genera flujo oscilatorio en microcanales. Se pueden lograr flujos oscilatorios armónicos de alta fidelidad con frecuencias que van desde 10-1000 Hz junto con un control de amplitud independiente. Se pueden lograr amplitudes que van desde 10-600 μm en todo el rango de operación, incluidas amplitudes > 1 mm a la frecuencia de resonancia, en un microcanal típico. Aunque la frecuencia de oscilación está determinada por el altavoz, ilustramos que la amplitud de oscilación es sensible a las propiedades del fluido y la geometría del canal. Específicamente, la amplitud de oscilación disminuye con el aumento de la longitud del circuito del canal y la viscosidad del líquido, y en contraste, la amplitud aumenta con el aumento del grosor y la longitud del tubo del altavoz. Además, el aparato no requiere características previas para ser diseñado en el microcanal y es fácilmente desmontable. Se puede utilizar simultáneamente con un flujo constante creado por una bomba de jeringa para generar flujos pulsátiles.
Introduction
El control preciso del caudal de líquido en microcanales es crucial para aplicaciones de laboratorio en un chip, como la producción de gotas y la encapsulación1, la mezcla 2,3 y la clasificación y manipulación de partículas en suspensión 4,5,6,7. El método predominantemente utilizado para el control de flujo es una bomba de jeringa que produce flujos constantes altamente controlados que dispensan un volumen fijo de líquido o un caudal volumétrico fijo, a menudo limitado a un flujo completamente unidireccional. Las estrategias alternativas para producir flujo unidireccional incluyen el uso de la cabeza gravitacional8, las fuerzascapilares 9 o el flujo electro-osmótico10. Las bombas de jeringa programables permiten un control bidireccional dependiente del tiempo de los caudales y los volúmenes dispensados, pero se limitan a tiempos de respuesta superiores a 1 s debido a la inercia mecánica de la bomba de jeringa.
El control de flujo a escalas de tiempo más cortas desbloquea una gran cantidad de 6,11,12,13,14,15 de posibilidades que de otro modo serían inaccesibles debido a cambios cualitativos en la física de flujo. El medio más práctico de aprovechar esta variada física de flujo es a través de ondas acústicas o flujos oscilatorios con períodos de tiempo que van desde 10-1- 10-9 s o 101 -109 Hz. Se accede al extremo superior de este rango de frecuencia utilizando dispositivos de onda acústica a granel (BAW; 100 kHz-10 MHz) y onda acústica superficial (SAW; 10 MHz-1 GHz). En un dispositivo BAW típico, todo el sustrato y la columna de fluido vibran aplicando una señal de voltaje a través de un piezoeléctrico unido. Esto permite rendimientos relativamente altos, pero también da como resultado un calentamiento a amplitudes más altas. En los dispositivos SAW, sin embargo, la interfaz sólido-líquido oscila aplicando voltaje a un par de electrodos interdigitados modelados sobre un sustrato piezoeléctrico. Debido a las longitudes de onda muy cortas (1 μm-100 μm), partículas tan pequeñas como 300 nm pueden ser manipuladas con precisión por la onda de presión generada en los dispositivos SAW. A pesar de la capacidad de manipular partículas pequeñas, los métodos SAW se limitan a la manipulación de partículas locales, ya que la onda se atenúa rápidamente con la distancia de la fuente.
En el rango de frecuencia de 1-100 kHz, los flujos oscilatorios generalmente se generan utilizando elementos piezoeléctricos que están unidos a un microcanal de polidimetilsiloxano (PDMS) sobre una cavidad diseñada16,17. La membrana PDMS por encima de la cavidad estampada se comporta como una membrana vibratoria o tambor que presuriza el fluido dentro del canal. En este rango de frecuencia, la longitud de onda es mayor que el tamaño del canal, pero las amplitudes de velocidad de oscilación son pequeñas. El fenómeno más útil en este régimen de frecuencias es la generación de flujos de flujo acústicos/viscosos, que son flujos constantes rectificados causados por la no linealidad inherente al flujo de líquidos con inercia18. Los flujos de flujo constante generalmente se manifiestan como vórtices contrarrotatorios de alta velocidad en las cercanías de obstáculos, esquinas afiladas o microburbujas. Estos vórtices son útiles para mezclar19,20 y separar partículas de 10 μm de tamaño de la corriente de flujo21.
Para frecuencias en el rango de 10-1000 Hz, tanto la velocidad del componente oscilatorio como su flujo viscoso constante asociado son considerables en magnitud y útiles. Los flujos oscilatorios fuertes en este rango de frecuencia se pueden utilizar para el enfoque inercial22, facilitar la generaciónde gotas 23 y pueden generar condiciones de flujo (números de Womersley) que imitan el flujo sanguíneo para estudios in vitro . Por otro lado, los flujos de transmisión son útiles para la mezcla, el atrapamiento de partículas y la manipulación. El flujo oscilatorio en este rango de frecuencias también se puede lograr utilizando un elemento piezoeléctrico unido al dispositivo como se describió anteriormente23. Un obstáculo importante para implementar flujos oscilatorios a través de un elemento piezoeléctrico unido es que requiere que las características se diseñen de antemano. Además, los elementos del altavoz enlazados no son desmontables, y se debe unir un nuevo elemento a cada dispositivo24. Sin embargo, tales dispositivos presentan la ventaja de ser compactos. Un método alternativo es el uso de una válvula de relé electromecánica20. Estas válvulas requieren fuentes de presión neumáticas y software de control personalizado para su operación y, por lo tanto, aumentan la barrera técnica para las pruebas y la implementación. Sin embargo, tales dispositivos permiten la aplicación de la amplitud y frecuencia de presión establecidas.
En este artículo, se describe la construcción, operación y caracterización de un método fácil de usar para generar flujos oscilatorios en el rango de frecuencia de 10-1000 Hz en microcanales. El método ofrece numerosas ventajas, como un montaje rentable, facilidad de operación y listo para interactuar con canales microfluídicos estándar y accesorios como bombas de jeringa y tubos. Además, en comparación con enfoques similares anteriores25, el método ofrece al usuario un control selectivo e independiente de las frecuencias y amplitudes de oscilación, incluida la modulación entre formas de onda sinusoidales y no sinusoidales. Estas características permiten a los usuarios implementar fácilmente flujos oscilatorios y, por lo tanto, facilitan la adopción generalizada en una amplia gama de tecnologías y aplicaciones microfluídicas actualmente existentes en los campos de la biología y la química.
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Protocol
1. Diseño y fabricación rápida de moldes de prototipos
- Abra AutoCAD en un PC. Seleccione Archivo en la barra de tareas, luego seleccione Abrir y busque y haga clic en un archivo de modelo tridimensional (3D) del molde de canal que tiene .dxf o .dwg extensión.
- Seleccione todo el modelo haciendo clic y arrastrando un cuadro a su alrededor. Exporte el diseño como un archivo .stl seleccionando Archivo | Exportar, luego Otros formatos y elegir .stl en el cuadro desplegable.
- Cargue el archivo en una impresora estereolitográfica de resina (SLA) de alta precisión como Formlabs FORM3. Vierta la resina en la cámara de resina e inicie la impresión y produzca el molde con los pasos más pequeños del eje Z (25 micras para la resina FORMLABS CLEAR).
- Espere a que se complete la impresión automática de piezas.
NOTA: Los moldes con características tan pequeñas como 0,1 mm se pueden fabricar de esta manera. - Después de retirar la pieza de la resina, agitarla en isopropanol durante 5 minutos para eliminar cualquier resina restante.
- Secar el molde con aire o gas nitrógeno durante 2 min.
NOTA: Las fabricaciones de moldes microfluídicos convencionales con obleas de silicio y la fotolitografía con cualquier fotorresistente SU8 o KMPR también se pueden utilizar para producir un molde con características más pequeñas. - Curar el molde seco a 60 °C en luz UV durante un máximo de 1 h.
2. Fabricación de microcanales PDMS
- Coloque el molde sobre una lámina de papel de aluminio. Para facilitar la delaminación de PDMS, cubra el molde con liberación de molde de silicona en 1 o 2 pasadas.
- Vierta la resina PDMS y el reticulante en una taza desechable en la proporción de 10: 1 por peso y mezcle con una cuchara desechable.
- Vierta la mezcla resultante sobre el molde para producir una película del espesor requerido. Para evitar la deformación de la pared del canal grande, mantenga el espesor pdmS de más de 5 mm o 3-4 veces el espesor máximo de la característica.
- Coloque el molde con PDMS vertido en la cámara de desgasificación y cierre la tapa. Asegúrese de que la junta tórica selle herméticamente la cámara.
- Cierre la válvula de escape y encienda la bomba de vacío para iniciar la desgasificación.
- Desgasifica la mezcla vertida en una bomba de vacío durante más de 4-6 ciclos con una duración aproximada de 5 minutos. Retire manualmente las burbujas restantes (en esquinas y zanjas) con un alambre fino.
- Ajuste la temperatura del horno a 80 °C y deje que se precaliente. Coloque la mezcla en el horno a 80 °C durante 2 h para curar.
- Retire el molde curado del horno y déjelo a temperatura ambiente durante 10 minutos para que se enfríe.
- Usando un bisturí, corte cuidadosamente los bordes del molde. Para una delaminación óptima, use una jeringa para inyectar isopropanol entre el molde y el PDMS curado.
- Despegue el PDMS curado del molde y córtelo en dispositivos individuales con una cuchilla de afeitar. El tamaño de cada dispositivo debe oscilar entre 10 mm x 10 mm y 30 mm x 70 mm para unirse con el portaobjetos de vidrio.
- Haga un orificio de 1.0-3.0 mm de diámetro en la entrada y salida usando un punzón de biopsia.
- Encienda el generador de plasma de radiofrecuencia (RF) de mano. Para activar el portaobjetos de vidrio, pase constantemente el electrodo de alambre sobre un portaobjetos de vidrio seco limpio varias veces durante 2 minutos. Mantenga un espacio de alambre a vidrio de aproximadamente 5 mm. Coloque el lado del dispositivo del PDMS curado en contacto con el portaobjetos de vidrio activado y luego colóquelo en un horno de 80 °C durante 2 h.
- Corte los tubos de entrada y salida de polietileno a la longitud requerida e insértelos en los orificios de entrada y salida.
- Para evitar el desprendimiento del tubo durante la operación, aplique sellador de silicona en la superficie de contacto y deje curar durante 2 h para asegurar el tubo.
3. Conjunto del controlador oscilatorio
- Sujete los extremos del clip de cocodrilo de un par de cables de cocodrilo a pasador a los terminales de un altavoz. Aquí se utilizó un altavoz de 15 W con un cono de 8 cm, aunque también se pueden usar otros altavoces.
- Coloque el chip controlador auxiliar en un contenedor aislante. Inserte los extremos del pasador en los zócalos de los tornillos del chip controlador auxiliar y apriete firmemente con un destornillador para garantizar la conectividad.
- Conecte un extremo de un cable auxiliar al chip controlador y el otro extremo a un puerto auxiliar en una computadora o teléfono inteligente.
- Conecte un adaptador de corriente continua (CC) de 12 V a la fuente de alimentación. Encienda el chip controlador conectando el extremo coaxial del adaptador de CC a la toma de corriente.
- Usando un navegador de Internet, navegue a un sitio web generador de tonos en línea (por ejemplo, https://www.szynalski.com/tone-generator/ ).
- Escriba la frecuencia deseada (5-1200 Hz) en la aplicación en línea. Desplácese por la barra de volumen hasta la cantidad requerida (por ejemplo, 100%).
- Haga clic en el símbolo generador de tipo de onda y seleccione la forma de onda deseada (seno, cuadrado, triángulo, diente de sierra). Tenga en cuenta que el valor predeterminado es una forma de onda sinusoidal. Pulse Reproducir para accionar el altavoz.
4. Conjunto del adaptador
NOTA: El conjunto completo del adaptador de altavoz a tubo se ilustra con el esquema de la Figura 1.
- Fije el altavoz (Figura 1(I)) en el soporte del altavoz impreso en 3D (Figura 1(II)) (consulte speakermount.stl en el archivo complementario 1) pegando una cinta sobre la superficie curva y a ambos lados del soporte.
- Oriente el altavoz verticalmente con la superficie del cono del altavoz hacia arriba. Coloque el adaptador impreso en 3D (Figura 1(III)) (consulte speakertubeadapter.stl en el archivo complementario 2) concéntricamente en el cono del altavoz.
- Aplique el sellador de silicona generosamente a lo largo de los bordes del adaptador y deje curar durante 2 h.
- Coloque el altavoz y el soporte del altavoz en el escenario del microscopio y coloque la cinta adhesiva para evitar el movimiento durante la operación.
- Corte una punta de micropipeta de 200 μL aproximadamente a 2 cm de su extremo estrecho y deseche la mitad más ancha de la punta. El extremo cónico estrecho servirá como un sello de cuña para la fijación reversible.
- Conecte el tubo de polietileno (Figura 1(V)) a la salida del microcanal (Figura 1(VI)) roscando primero a través de la punta de la micropipeta (Figura 1(IV)), y luego a través del extremo coaxial del adaptador y finalmente saliendo por el lateral.
- Cuña firmemente el extremo estrecho de la punta de la pipeta en el extremo coaxial del adaptador para crear un sello hermético desmontable.
5. Funcionamiento de la configuración experimental para flujos oscilatorios en microcanales
- Agregue partículas trazadoras en un vial de solución de glicerol al 22% en peso/peso (p/p) para producir una suspensión neutramente flotante con una fracción de volumen de poliestireno al 0,01%-0,1% en líquido a 20 °C. Mezclar vigorosamente agitando para producir una suspensión homogénea.
- Cargue una jeringa de entrada de 1 ml con 1 ml de muestra. Monte y sujete la jeringa cargada en una bomba de jeringa automática. Inserte la aguja de la jeringa en el tubo de entrada del dispositivo para crear un sello estanco.
- Asegúrese de que el tubo de salida se enruta a través del conjunto del adaptador y en un depósito (consulte la sección anterior sobre el conjunto del adaptador).
- Encienda la bomba de la jeringa. Usando la pantalla táctil, seleccione el tipo de jeringa como Becton-Dickinson 1 mL. A continuación, seleccione Infundir. A continuación, seleccione el caudal requerido (0-1 mL/min) o el volumen de caudal (< 1 mL).
- Inicie el flujo constante utilizando la bomba de jeringa. Espere hasta que haya fluido suficiente volumen de líquido y el tubo de salida se llene de líquido hasta el altavoz.
NOTA: La amplitud oscilatoria para un ajuste dado no variará con el flujo de transporte constante si el tubo de salida está cebado. - Seleccione una frecuencia, amplitud y forma de onda requeridas en la aplicación generador de tonos como se describe en el paso 3.5 y presione Reproducir para generar flujo oscilatorio dentro del microcanal.
6. Observación y medición de amplitud
- Monte el dispositivo en el microscopio. Configure la configuración óptica seleccionando una lente objetivo con un aumento entre 10x y 40x ajustando el plano focal y posicionando el escenario.
- Para obtener mediciones en un plano focal bien definido, asegúrese de que la profundidad de campo de la lente del objetivo sea menor que la profundidad del canal por un factor de 5 o más.
- Para observar el flujo oscilatorio, utilice una cámara de alta velocidad con una velocidad de fotogramas de al menos el doble de la frecuencia de oscilación calculada utilizando el teorema de muestreo de Nyquist. Para una resolución prácticamente útil de la forma de onda, mida al menos 10 puntos por período de tiempo utilizando una velocidad de fotogramas > 10 veces la de la frecuencia de oscilación.
- Alternativamente, para observar solo los efectos rectificados o a largo plazo de los flujos pulsátiles, realice imágenes estroboscópicas ajustando la frecuencia de observación a cualquier divisor perfecto de la frecuencia de oscilación.
- Para imágenes directas y estroboscópicas, utilice una cámara equipada con un obturador global para evitar el efecto gelatina. En cualquier caso, mantenga el tiempo de exposición considerablemente más pequeño que el período de tiempo de oscilación (por un factor de 10 o más) para evitar rayas.
- Para medir la amplitud de oscilación sin una cámara de alta velocidad, grabe a una velocidad de fotogramas mantenida cerca pero no igual a la velocidad de fotogramas estroboscópica (por ejemplo, 49 fotogramas/s para una señal de 50 Hz). Esto da como resultado una oscilación altamente ralentizada a partir de la cual se puede medir con precisión la amplitud.
- Observe y registre las mediciones de amplitud.
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Representative Results
Para ilustrar la capacidad y el rendimiento de la configuración anterior, se presentan resultados representativos del flujo oscilatorio en un microcanal lineal simple con una sección transversal cuadrada. El ancho y la altura del canal son de 110 μm y su longitud es de 5 cm. En primer lugar, describimos el movimiento de las partículas trazadoras de poliestireno esférico y cómo se pueden utilizar para comprobar la fidelidad de la señal oscilatoria, así como el rango de amplitudes de oscilación alcanzables. Luego discutimos el efecto de propiedades específicas del fluido o materiales microfluídicos sobre la amplitud de oscilación. Finalmente, ilustramos la capacidad para formas de onda no sinusoidales.
A modo de comparación, definimos el caso de referencia por las siguientes propiedades del fluido, geometría del canal y materiales microfluídicos. El líquido de trabajo es agua desionizada (μ = 1.00 mPa.s) con una fracción de volumen del 0.01% de partículas trazadoras que tienen diámetro, d = 1 μm y densidad, ρ = 1.20 kg / m3. El tiempo de respuesta de la partícula correspondiente, dado por ρd2/18μ, es de 70 ns, que es mucho menor que las escalas de tiempo oscilatorias correspondientes (1-100 ms). Las partículas se observan en el canal a media altura con un objetivo de 10x y una profundidad de enfoque de 10 μm. El tubo microfluídico tiene diámetros de 1,27 mm x 0,76 mm (exterior x interior) y una longitud de tubo de salida de 12 cm que se mantiene 5 cm por encima del nivel del canal.
Los desplazamientos rastreados de partículas trazadoras en el plano medio del canal para diferentes frecuencias de oscilación se muestran en la Figura 2. Se observa una señal armónica para todas las frecuencias de oscilación mostradas, que son 100 Hz, 200 Hz, 400 Hz y 800 Hz. La velocidad de fotogramas de la imagen fue mayor o igual a 20 veces la frecuencia de oscilación. El ajuste de amplitud (volumen del altavoz) se mantuvo constante en las diferentes frecuencias de oscilación. Para las frecuencias 100 Hz, 200 Hz, 400 Hz y 800 Hz, las amplitudes correspondientes son de aproximadamente 125 μm, 100 μm, 25 μm y 10 μm, respectivamente.
El desplazamiento rastreado de partículas también se utiliza para determinar la fidelidad del movimiento armónico y el rango de amplitudes de oscilación, un paso crítico en el proceso de calibración. La fidelidad del desplazamiento armónico de partículas a diferentes frecuencias y amplitudes de oscilación se ilustra utilizando los espectros de Fourier y se muestra en la Figura 3A. Para frecuencias de 50 Hz, 200 Hz y 400 Hz respectivamente, se consideran tres amplitudes diferentes caracterizadas por la diferencia de potencial en el cable auxiliar (o voltaje de entrada del amplificador). Los ajustes se denominan bajo (30%, 1,5 V, amarillo), intermedio (60%, 3 V, naranja) y alto (90%, 4,5 V, rojo). Aquí, el porcentaje representa la magnitud de la configuración de volumen con respecto al volumen máximo del altavoz, o el voltaje correspondiente de 5 V. Los espectros de Fourier de desplazamiento de partículas a frecuencias de oscilación de 50 Hz, 200 Hz y 800 Hz se muestran en la Figura 3A para tres voltajes de entrada de amplificador diferentes (1.5 V, 3 V, 4.5 V) correspondientes a colores amarillo, naranja y rojo respectivamente. El pico primario del espectro corresponde exactamente a la frecuencia aplicada para todos los ajustes de volumen. El pico primario es > 10 veces los picos secundarios, incluso en la amplitud más alta.
Para un voltaje de entrada del amplificador de 5 V, la amplitud del desplazamiento del cono del altavoz tiene un valor máximo de 5 mm y permanece constante para frecuencias de hasta 50 Hz y luego disminuye aproximadamente cuadráticamente para frecuencias superiores a 50 Hz (por ejemplo, 1,5 mm a 100 Hz). La amplitud de oscilación de partículas en el líquido es proporcional a la potencia transducida dada por el producto de la amplitud del cono del altavoz y la frecuencia de oscilación. Por lo tanto, esperamos que la amplitud oscilatoria sea máxima cerca de la frecuencia de resonancia del altavoz y disminuya para las frecuencias a ambos lados de la misma para un voltaje de entrada de amplificador fijo. Además, también podemos esperar que la amplitud oscilatoria del fluido varíe linealmente con el voltaje de entrada del amplificador y su valor no pueda exceder el de la amplitud del cono del altavoz.
Estas expectativas se confirman en una gráfica de amplitud de oscilación versus frecuencia mostrada en la Figura 3B. Para todos los ajustes de volumen del altavoz, la curva característica tiene un pico resonante, que ocurre aproximadamente a 180 Hz, más allá del cual la amplitud disminuye con el aumento de la frecuencia. Las curvas a diferentes voltajes parecen idénticas, excepto por las traducciones verticales en escala logarítmica, lo que implica que la amplitud oscilatoria varía linealmente con el voltaje. Finalmente, la amplitud máxima es inferior a 1,5 mm incluso a la frecuencia resonante de 5 V. Sin embargo, se puede seleccionar un ajuste de volumen tal que se puedan lograr amplitudes de oscilación de > 100 μm en todo el rango de frecuencia operativa.
A continuación, se presentan casos de ejemplo seleccionados sobre el efecto de la viscosidad del líquido, el diámetro del tubo y la longitud del tubo en la amplitud oscilatoria en el rango de frecuencias operativas con respecto al caso de referencia descrito anteriormente. Para estos experimentos, la amplitud del controlador (volumen del altavoz) se mantiene constante en el nivel intermedio y solo se modifica un parámetro de configuración a la vez, mientras que los parámetros restantes son idénticos a la caja de control de referencia (símbolos de diamante). Los resultados correspondientes para la amplitud de oscilación frente a la frecuencia se muestran en la Figura 4. Cuando la viscosidad del líquido de trabajo aumenta cambiando a una solución de glicerol al 25% (μ = 1,81 mPa.s) la amplitud disminuye en un factor de casi 2 en el rango de frecuencias de funcionamiento (símbolos cuadrados). Esto sugiere que, en general, el aumento de la viscosidad del líquido en comparación con la del agua desionizada daría como resultado una amplitud característica similar frente a la curva de frecuencia con una disminución constante del factor en la amplitud. Cuando el diámetro de la tubería microfluídica para el mismo material (polietileno) se incrementa a 2,41 mm x 1,67 mm, la amplitud aumenta en comparación con el caso de referencia en un factor entre 1,5-3 dependiendo de la frecuencia (símbolos de círculo). El aumento es mayor a altas frecuencias y menor a bajas frecuencias, lo que indica que la frecuencia resonante ha aumentado. Cuando la longitud del tubo para el mismo material (polietileno) se incrementa a 24 cm (en un factor de 2), la amplitud aumenta significativamente cerca de la frecuencia de resonancia, pero permanece sin cambios desde el caso de control de referencia a frecuencias muy bajas y muy altas (símbolos de triángulo).
Además de las formas de onda sinusoidales discutidas anteriormente, también se demuestran formas de onda no sinusoidales. Las pistas de desplazamiento de partículas para formas de onda cuadradas, triangulares y dientes de sierra se muestran en la Figura 5A. Aquí, el ajuste de amplitud es intermedio (60% del máximo), la frecuencia de conducción es de 100 Hz y las partículas se observan a 4000 fotogramas / s. Como era de esperar, los cambios muy bruscos en la posición asociados con las formas de onda cuadradas y de diente de sierra no son posibles en sistemas reales con un tiempo de respuesta finito. Para este sistema de altavoces, el tiempo de respuesta puede estimarse en 0,5 ms. No obstante, se observa que los espectros de Fourier de estas formas de onda están en buen acuerdo con los espectros ideales, al menos hasta el tercer armónico como se muestra en la Figura 5B.
Figura 1. Un esquema para ilustrar el diseño y montaje del aparato. Los componentes críticos son (I) altavoz, (II) montaje de altavoz, (III) adaptador de altavoz a tubo, (IV) sello de cuña de punta de pipeta, (V) tubo de polietileno y (VI) microcanal PDMS. Haga clic aquí para ver una versión más grande de esta figura.
Figura 2. Ejemplos de desplazamiento de partículas durante el flujo oscilatorio. Las huellas representativas de partículas durante la entrada de forma de onda sinusoidal a diferentes frecuencias se obtuvieron utilizando imágenes de alta velocidad. Haga clic aquí para ver una versión más grande de esta figura.
Figura 3. Análisis del desplazamiento de partículas para la fidelidad de la señal y el rango de amplitud. (A) Análisis del espectro de Fourier de oscilaciones sinusoidales a diferentes frecuencias y amplitudes de oscilación, o volúmenes de altavoces. (B) La curva característica de la amplitud de oscilación versus la frecuencia en tres configuraciones de volumen de altavoz diferentes. Haga clic aquí para ver una versión más grande de esta figura.
Figura 4. Efectos de la longitud del tubo, el diámetro del tubo y la viscosidad del líquido sobre la amplitud oscilatoria. En comparación con el caso de referencia, un aumento en la longitud del tubo o el diámetro del tubo conducirá a un aumento en la amplitud de oscilación en el rango de frecuencias operativas. Un aumento en la viscosidad, sin embargo, disminuye la amplitud de oscilación. Haga clic aquí para ver una versión más grande de esta figura.
Figura 5. Ejemplos de formas de onda no sinusoidales. (A) Desplazamientos de partículas para formas de onda cuadradas, triangulares y dientes de sierra a una frecuencia de oscilación de 100 Hz. (B) Los espectros de Fourier correspondientes para desplazamientos de partículas no sinusoidales. Haga clic aquí para ver una versión más grande de esta figura.
Expediente complementario 1. Archivo de estereolitografía para producir un soporte de altavoz impreso en 3D al que se hace referencia en la Figura 1 (II). Haga clic aquí para descargar este archivo.
Expediente complementario 2. Archivo de estereolitografía para producir un adaptador de tubo de altavoz impreso en 3D al que se hace referencia en la Figura 1 (III). Haga clic aquí para descargar este archivo.
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Discussion
Hemos demostrado el montaje (ver protocolo pasos críticos 3 y 4) y operación (ver protocolo pasos críticos 5 y 6) de un aparato basado en altavoces externos para la generación de flujo oscilatorio con frecuencias en el rango de 10 a 1000 Hz en dispositivos microfluídicos. El seguimiento de partículas trazadoras en suspensión es necesario para determinar la fidelidad del movimiento armónico, así como para calibrar el rango de amplitudes de oscilación alcanzables en el rango de frecuencias de funcionamiento. La curva amplitud-frecuencia para un ajuste de volumen dado depende principalmente de las características del altavoz, que no se pueden cambiar (ver discusión de las características del altavoz en resultados representativos para la Figura 3A, B). Sin embargo, para un diseño de canal particular, la amplitud oscilatoria se puede modificar y ajustar modificando adecuadamente las propiedades de la tubería, la viscosidad del líquido o las combinaciones de las mismas. Por ejemplo, mostramos en la Figura 4 que un diámetro de tubo más grande o una longitud de tubo más larga pueden aumentar la magnitud de la amplitud oscilatoria para el mismo ajuste de volumen. El aumento de la viscosidad, sin embargo, disminuye el rango de amplitudes oscilatorias, proporcionando a los usuarios un rango de amplitudes, que se extiende de 10 μm a 1 mm.
La ventaja significativa de este método es su facilidad de montaje, implementación y operación. El costo total del controlador oscilatorio es inferior a $ 60 y su ensamblaje solo tomará aproximadamente 2 h una vez que se compren las piezas (consulte la Tabla de materiales). A diferencia de los métodos alternativos para generar flujo oscilatorio en dispositivos microfluídicos25, este método prácticamente no impone restricciones de diseño y garantiza un tiempo de entrega mínimo para la implementación. A pesar de su simplicidad, nuestro método permite al usuario un control sorprendentemente preciso de las amplitudes de oscilación mientras mantiene la fidelidad de las formas de onda oscilatorias sinusoidales y no sinusoidales. La técnica también genera movimiento armónico en un rango de frecuencia de dos órdenes de magnitud. Por último, esta técnica se puede utilizar junto con un componente de flujo constante generado por controladores de flujo microfluídico estándar, como bombas de jeringa o generadores de presión, para generar un flujo pulsátil de alta frecuencia. Como se demostró anteriormente 22,28, la amplitud oscilatoria y la frecuencia no se ven afectadas por la presencia de un flujo de transporte constante cuando la velocidad del flujo constante es pequeña en comparación con la velocidad del flujo oscilatorio. Por lo tanto, este método es ideal para un entorno de laboratorio de investigación.
Una limitación correspondiente del método es que la amplitud no se puede establecer en el valor deseado. Debe medirse y calibrarse a la amplitud de un canal microfluídico dado. Actualmente no es escalable y, por lo tanto, no es inmediatamente adecuado para aplicaciones industriales. El desarrollo posterior de este aparato implicaría el diseño de un diafragma simple que pueda ser unido y accionado por el altavoz para permitir amplitudes más grandes y minimizar la dependencia del tubo y el canal microfluídico.
En general, este trabajo proporciona un enfoque de bajo costo, robusto y personalizable para generar flujos oscilatorios en canales microfluídicos en un rango de frecuencia relativamente inexplorado. Esta técnica ha demostrado ser útil para la microrreología de líquidos newtonianos26 y no newtonianos27 , mezcla mejorada a la microescala28 y enfoque inercial en canales de longitud reducida22. El enfoque descrito en este trabajo proporciona una metodología accesible y adaptable para generar flujos puramente oscilatorios, o flujos pulsátiles cuando se combinan con un flujo constante de una bomba de jeringa. Como resultado, esta técnica conveniente puede permitir la implementación de flujos oscilatorios en la investigación existente e industrial a microescala.
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Disclosures
Los autores no tienen nada que revelar.
Acknowledgments
Nos gustaría agradecer el apoyo brindado y las instalaciones proporcionadas por el Departamento de Ciencias Mecánicas e Ingeniería del Laboratorio de Prototipado Rápido de la Universidad de Illinois para permitir este trabajo.
Materials
| Name | Company | Catalog Number | Comments |
| Oscillatory Driver Assembly | |||
| Alligator-to-pin wire | Adafruit | 3255 | Small alligator clip to male jumper wire (12) |
| Aux cable | Adafruit | 2698 | 3.5 mm Male/Male stereo cable 1 m |
| Controller chip | Damgoo | TPA3116 | 50w+50w 2 channel audio amplifier (bluetooth and AUX) |
| DC adapter | Adafruit | 798 | 12 V DC 1A regulated switching power adapter |
| Micro-pipette tip | VWR Signature | 37001-532 | 200 ul micropipette tip |
| Silicone sealant | Loctite | 908570 | Clear silicone waterproof sealant (80 ml) |
| Speaker | Drok | 6843996 | 4.5 inch 4 Ohm 40 W speaker |
| Speaker mount | 3D printed from 'speakermount.stl' in supplementary files | ||
| Speaker-to-tube adapter | 3D printed from 'speaketubeadapter.stl' in supplementary files | ||
| Microchannel Manufacture | |||
| Biopsy punch | Miltex | 15110 | Biopsy punch with plunger (1 - 4 mm) |
| Degasser | |||
| Disposable cup | |||
| Disposable spoon | |||
| Glass Slides | VWR Signature | 16004-430 | 3" x 1" pre clean 1 mm thick |
| Mold | Si - SU-8 or 3D printed | ||
| Oven | Fischer Scientific | Isotemp | |
| PDMS resin and cross-linker | Dow Chemical | 4019862 | Sylgard 184 PDMS resin and crosslinker (500 g) |
| Polyethylene tubing | Becton Dickinson Intramedic | 427440 | Polyethylene tubing (PE 60 - PE 200) |
| Razor blades | VWR | 55411-050 | Single edge industrial razor blades |
| RF plasma generator | Electro-Technic Products | BD - 20 | High frequency generator |
| Silicone Mold Release | CRC | 03301 | Food Grade Silicon Mold release (16 oz) |
| Observation and Characterization | |||
| Camera | Edgertronic | SC2+ | |
| Lens | Nikon | Plan Fluor 10x | |
| Microscope | Nikon | Ti Eclipse manual stage | |
| Needles | Becton Dickinson | 305175 | PrecisionGlide 20G |
| Syringe | Becton Dickinson | 1180100555 | Monoject 1 ml |
| Syringe pump | Harvard Apparatus | Dual syringe programmable syringe pump | |
| Tracer Particles | Spherotech | PP-10-10 | Polystyrene tracer particles 1 um |
References
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