Bu içeriği görüntülemek için JoVE aboneliğiniz gereklidir. Giriş yapın veya ücretsiz denemenizi bugün başlatın.

Yöntem makalesi

Mikro Partikül Konsantrasyonu için Pnömatik Tahrikli Mikroakışkan Platform

2.2K görüntülenme

⸱

DOI:

10.3791/63301

⸱

1 Şubat 2022

 ,  , 
1Department of Digital Anti-Aging Health Care, Inje University, 2Micro device Lab Co., Ltd, 3Department of Biomedical Engineering, Inje University

Bu makalede

Özet

Mevcut protokol, verimli mikropartikül konsantrasyonu için kullanılabilecek pnömatik bir mikroakışkan platformu tanımlamaktadır.

Özet

Bu makalede, mikroakışkan bir platform kullanarak partikül konsantrasyonunu kontrol etmek için pnömatik bir valf imal etmek ve çalıştırmak için bir yöntem tanıtılmaktadır. Bu platform, polidimetilsiloksan (PDMS) ile dubleks replikasyon yoluyla ağlar, kanallar ve alanlar oluşturan kavisli sıvı kanalları ve üç pnömatik valf içeren üç boyutlu (3D) bir ağa sahiptir. Cihaz, pnömatik bir valf tarafından kontrol edilen bir akışkan akış hızının geçici tepkisine göre aşağıdaki sırayla çalışır: (1) numune yükleme, (2) numune blokajı, (3) numune konsantrasyonu ve (4) numune salınımı. Parçacıklar, elek valfi (Vs) plakasının ince diyafram tabakası deformasyonu ile bloke edilir ve kavisli mikroakışkan kanalda birikir. Çalışma sıvısı, iki açma/kapama valfinin çalıştırılmasıyla boşaltılır. Operasyonun bir sonucu olarak, çeşitli büyütmelerdeki tüm parçacıklar başarıyla yakalandı ve devre dışı bırakıldı. Bu teknoloji uygulandığında, çalışma basıncı, konsantrasyon için gereken süre ve konsantrasyon oranı, cihaz boyutlarına ve partikül boyutu büyütmesine bağlı olarak değişebilir.

Giriş

Biyolojik analizin önemi nedeniyle, mikroakışkan ve biyomedikal mikroelektromekanik sistemler (BioMEMS) teknolojileri1,2, mikromalzemelerin saflaştırılması ve toplanması için cihazlar geliştirmek ve incelemek için kullanılmaktadır 2,3,4. Parçacık yakalama aktif veya pasif olarak kategorize edilir. Aktif tuzaklar, bağımsız parçacıklara etki eden harici dielektrik5, manyetoforetik6, işitsel7, görsel8 veya termal9 kuvvetleri için kullanılmış ve hareketlerinin hassas kontrolünü sağlamıştır. Bununla birlikte, parçacık ve dış kuvvet arasında bir etkileşim gereklidir; bu nedenle, verim düşüktür. Mikroakışkan sistemlerde, akış hızının kontrol edilmesi çok önemlidir, çünkü dış kuvvetler hedef parçacıklara iletilir.

Genel olarak, pasif mikroakışkan cihazların mikrokanallarda mikro sütunları vardır10,11. Parçacıklar, akan bir sıvı ile etkileşim yoluyla filtrelenir ve bu cihazların tasarlanması kolaydır ve üretimi ucuzdur. Bununla birlikte, mikro sütunlarda parçacık tıkanmasına neden olurlar, bu nedenle parçacık tıkanmasını önlemek için daha karmaşık cihazlar geliştirilmiştir12. Karmaşık yapılara sahip mikroakışkan cihazlar genellikle sınırlı sayıda parçacığı yönetmek için uygundur 13,14,15,16,17,18.

Bu makalede, yukarıda belirtildiği gibi eksikliklerin üstesinden gelen büyük parçacık konsantrasyonları için pnömatik olarak tahrik edilen bir mikroakışkan platform üretmek ve çalıştırmak için bir yöntem açıklanmaktadır18 . Bu platform, kavisli mikroakışkan kanallarda biriken elek valfi (Vs) plakasının ince diyafram tabakasının deformasyonu ve çalıştırılması ile parçacıkları bloke edebilir ve konsantre edebilir. Partiküller kavisli mikroakışkan kanallarda birikir ve konsantre partiküller, çalışma sıvısını iki PDMS contasının açma/kapama valflerinin çalıştırılmasıyla boşaltılarak ayrılabilir18. Bu yöntem, sınırlı sayıda parçacığın işlenmesini veya çok sayıda küçük parçacığın konsantre edilmesini mümkün kılar. Akış hızının büyüklüğü ve basınçlı hava basıncı gibi çalışma koşulları, istenmeyen hücre hasarını önleyebilir ve hücre yakalama verimliliğini artırabilir.

Erişim kısıtlı. Bu içeriği görüntülemek için lütfen giriş yapın veya deneme sürümünü başlatın.

Protokol

1. Partikül konsantrasyonu için mikroakışkan platformun tasarlanması

  1. 3D akış ağındaki sıvı akışı için bir pnömatik valf ve elek (Vs), sıvı (Vf) ve partikül (Vp) valf çalışması için üç pnömatik valften oluşan pnömatik mikroakışkan platformunu tasarlayın (Şekil 1).
    NOT: Vs bloklar sıvıdan partikülleri konsantre eder ve Vf ve Vp konsantrasyondan sonra sıvı ve parçacık salınımına izin verir. Üç pnömatik port, valfi harekete geçirmek için sıvı/pnömatik besleme katmanından (normalde açık) ve pnömatik valf ışık çıkışından basınçlı hava sağlar. Mikroakışkan kanal ağıCAD programı 18,19 ile tasarlanmıştır.
  2. Kanalı pnömatik besleme katmanı ve 3B kanal ağ katmanı olacak şekilde tasarlayın (Şekil 2).
    NOT: Sıvı ağı, ön kısımdaki kavisli kanallara ve arka bölgedeki dikdörtgen odaya bağlanır. Vs girişi bloke eder ve parçacıklar kavisli sıvı kanalının toplama alanında birikir. Parçacıksız sıvılar (parçacıksız sıvılar) Qf çıkışından ve konsantre parçacıklar Qp çıkışından çıkar (Şekil 3).
  3. Yukarıdaki koşullara göre, dört tip SU-8 kalıbı hazırlayın.
    NOT: Dört kalıp, valfin pnömatik olarak kontrol edilmesini sağlayan bir kalıp, sıvı kanalları oluşturan iki kalıp ve şekilsiz temiz bir kalıp içerir (Şekil 4 ve Tablo 1). Bahsedilen dört tip kalıp, standart fotolitografi işlemleri kullanılarak üretilmektedir. Bu kalıp yapımı, daha önce yayınlanan raporlar18,19'a göre silikon gofret üzerindeki bir SU-8 kalıbından oluşur. Şekil 5'te cihaz çipi gösterilmektedir.

2. Partikül konsantrasyonu için mikroakışkan platformun imalatı

NOT: Şekil 6 , parçacıkları yoğunlaştıran mikroakışkan bir platformun üretimini göstermektedir.

  1. Valfi pnömatik olarak kontrol etmek için hazırlanmış bir pnömatik valf kanalı SU-8 kalıbı (adım 1.3) kullanarak PDMS katmanını çoğaltın.
    1. 10 mL sıvı PDMS ve 1 mL kürleme maddesi (bakınız Malzeme Tablosu) hazırlanmış bir pnömatik vana kanal kalıbına (adım 1.3) dökün ve 30 dakika boyunca 90 °C'de ısıl olarak aktive edin.
    2. PDMS yapıları kürlendikten sonra, adım 2.1.1'deki SU-8 kalıbını ayırın.
    3. Adım 2.1.2'ye göre üretilen pnömatik valf kanalına 1,5 mm'lik bir delinme kullanılarak üç adet 1,5 mm'lik pnömatik portu ( Vs, Vf ve Vp) delin (bkz.
    4. Adım 1.3'te hazırlanmış hazırlanmış temiz bir SU-8 kalıbına 10 mL sıvı PDMS ve 1 mL kürleme maddesi dökün ve bir spin kaplayıcı kullanarak 15 s boyunca 1.500 rpm'de spin-coat dökün (bkz. Daha sonra 30 dakika boyunca 90 ° C'de ısıl olarak aktive edilir.
    5. PDMS yapıları kürlendikten sonra, adım 2.1.4'ün SU-8 kalıbını ayırın.
      NOT: Vana diyafram tabakası, pnömatik basınca göre sıvı akışını kontrol eder.
    6. Atmosferik plazmayı (bakınız Malzeme Tablosu) 20 s için adım 2.1.3 ve 2.1.5'te hazırlanan PDMS yapılarına uygulayın.
    7. Plazma ile muamele edilmiş PDMS yapılarını mikroskopla kontrol ederek doğrudan adım 2.1.6'dan kanal yapısına göre hizalayın.
    8. Adım 2.1.7'de hazırlanan hizalanmış PDMS yapılarını 90 °C'de 30 dakika ısıtılarak bağlayın.
    9. İnce diyafram tabakasının bağlandığı pnömatik kanal parçası içindeki sıvı kanalı girişinde (Qfp) ve sıvı kanalı çıkışlarında (Qf ve Qp) 1,5 mm çapında bir deliği 1,5 mm'lik bir delme kullanarak delin.
  2. Mikroakışkan bir kanal oluşturmak için iki SU-8 kalıbı kullanarak PDMS katmanının her iki tarafını da çoğaltın. Önde kavisli ve dikdörtgen bir mikroakışkan kanal kalıbı ve arkada bir mikroakışkan ara bağlantı kanalı kalıbı kullanın.
    1. Kavisli ve dikdörtgen mikroakışkan kanal kalıbına 10 mL sıvı PDMS ve 1 mL kürleme maddesi dökün ve 15 s boyunca 1.200 rpm'de spin-kat yapın. Daha sonra 30 dakika boyunca 90 °C'de termal aktivasyon ile kavisli sıvı odası ve sıvı kanalları için kalıplar oluşturun (Şekil 6A).
    2. Mikroakışkan kanalın oluştuğu PDMS tabakasını ayırın, ardından atmosferik plazmayı 20 s boyunca işlemden geçirerek cam gofrete yapıştırarak kapalı havalandırma duvarını kaplayan ısıl aktif bir kalıp yapın (Şekil 6B).
    3. SU-8 kalıbının ara bağlantı kanalına 3 mL sıvı PDMS dökün (Şekil 6C).
    4. Adım 2.2.2'de imal edilen yapıyı, mikroakışkan ara bağlantı kanalı kalıbı üzerindeki sıvı PDMS'deki ara bağlantı kanalı kalıbı ile düzenleyin ve üst üste binen yapıyı 130 ° C'de 30 dakika boyunca kurutun (Şekil 6D).
      NOT: Arka yapı kürlenirken, adım 2.2.2'de imal edilen PDMS kalıbı, hava tabakasının termal basıncı ile şişirilir ve deforme olmuş PDMS tabakası termal olarak aktive edilir (Şekil 6E)16.
    5. Kürledikten sonra, ön SU-8 kalıbını mikroakışkan kanal ağ katmanından çıkarın ve arka PDMS kalıbını dikkatlice çıkarın (Şekil 6F).
      NOT: 3D akışkan ağ katmanı, ön kavisli bir sıvı odasının ve mikroakışkan kanalların oluşturulmasına izin verir.
    6. Temiz bir SU-8 kalıbına 10 mL sıvı PDMS ve 1 mL kürleme maddesi dökün. Daha sonra 30 dakika boyunca 90 ° C'de ısıl olarak aktive edilir.
    7. PDMS yapıları kürlendikten sonra, SU-8 kalıbını ayırın.
      NOT: Bu adım, ek sızdırmazlık katmanını oluşturur.
    8. Atmosferik plazmayı, 20 s için adım 2.2.3 ve 2.2.7'de hazırlanan PDMS yapılarına uygulayın.
    9. Plazma ile muamele edilmiş PDMS yapılarını mikroskopla kontrol ederek kanal yapısına göre doğrudan hizalayın.
    10. Hizalanmış PDMS yapılarını 90 °C'de 30 dakika ısıtarak bağlayın.
  3. Adım 2.1 ve 2.2'de hazırlanan PDMS yapılarını kanal yapısına göre hizalayın ve atmosferik plazmayı 20 sn boyunca işlemden geçirerek bağlayın.

3. Cihazın kurulması

NOT: Şekil 7 , parçacıkları yoğunlaştıran mikroakışkan bir platformun üretilmesini göstermektedir.

  1. 10 mL'lik bir şırınga kullanarak mikroakışkan kanalı kabarcıksız demineralize suyla manuel olarak doldurun.
  2. P_Qfp ve mikroboncuk akışını kontrol eden üç pnömatik valfi (P_Vs, P_Vf ve P_Vp) kontrol etmek için, mikroakışkan platforma çalışma sıvısı (Qfp ) için dört veya daha fazla çıkış kanalına sahip hassas bir basınç kontrol cihazı takın (bkz.
    NOT: Dört çıkış kanalına sahip bir hassas basınç kontrolörü, birden fazla hassas basınç kontrolörü ile değiştirilebilir. Bu deneyde, P_Qfp çalışma basıncı 10 kPa, P_Vs 15 kPa, P_Vf ve P_Vp 18 kPa idi (Şekil 8 ve Tablo 2). Şekil 8 , partiküller 15 kPa P_Vs mikroakışkan platform tarafından konsantre edildiğinden zaman içinde çalışma sıvısı akış hızını göstermektedir ve Tablo 2 , pnömatik valflere göre çalıştırma sonuçlarını göstermektedir.
  3. Damıtılmış suda çeşitli boyutlarda karboksil polistiren test parçacıkları hazırlayın (bkz.
    NOT: Bu deneyde kullanılan parçacık boyutları 24.9, 8.49 ve 4.16 μm idi; P_Vs basıncına bağlı olarak çeşitli boyutlarda parçacıklar kullanılabilir.
  4. Çalışma sıvısının akış hızını kontrol etmek için, yarısı suyla dolu bir cam şişeyi (çalışma sıvısı) doldurun ve cam şişe kapağını kontrolör çıkış kanalına ve mikro valfe bağlayın.
    NOT: Kontrol cihazından basınçlı hava almak için bir tüpü mikro valfe, su enjekte etmek için diğer tüpü bağlayın.
  5. Tüm platform işlemleri için ters çevrilmiş bir mikroskop aracılığıyla platform çalışmasını gözlemleyin ve çıkışta zaman içindeki çalışma akış hızını bir sıvı akış ölçer ile ölçün (bkz.

4. Cihazın çalışması

  1. Parçacık/sıvı karışımını girişte (Qfp) basınç altında Vp ile enjekte edin (Şekil 9A).
    NOT: Parçacıkların ve temiz sıvının çıkıştan birbirine bağlı kanallardan akışı sırasıyla Vp ve Vf ile kontrol edilir (Tablo 2).
  2. Valfi çalıştırmak için 15 kPa'da V'ye ve 18 kPa'da Vp'ye basınç uygulayın.
    NOT: Bu zamanda, diyafram deforme olur, Qfp sıvısının parçacıkları kavisli sıvı kanalı ile kavisli sıvı konsol arasındaki temas boşluğunda bloke edilir ve istenmeyen Qfp sıvısı açık Qf yoluyla serbest bırakılır (Şekil 9B, C).
  3. Parçacıklar konsantre olduğunda, sadece Vf'ye basınç uygulayın.
    NOT: Şu anda, basınç sadece Vf'ye uygulandığında, tıkanmış parçacıklar Qp yoluyla serbest bırakılır (Şekil 9D).

Erişim kısıtlı. Bu içeriği görüntülemek için lütfen giriş yapın veya deneme sürümünü başlatın.

Sonuçlar

Şekil 8 , Tablo 2'de belirtildiği gibi, dört aşamalı bir platform işlemi için akışkan hızlarının akış hızını göstermektedir. İlk aşama yükleme durumudur (bir durum). Platform, tüm valfler açıkken sıvı ile beslendi ve mikroakışkan kanal ağı yapısal simetri sergilediği için çalışma sıvısı (Qf) ve parçacıklar (Qp) neredeyse aynı. İkinci aşamada (b durumunda), partikülleri bloke etmek için basınçlı hava V'ye taşındı ve Vs diyafram deforme oldukça, akış yolu daraldı ve çıkış port...

Erişim kısıtlı. Bu içeriği görüntülemek için lütfen giriş yapın veya deneme sürümünü başlatın.

Tartışma

Bu platform, çeşitli boyutlardaki parçacıkları saflaştırmak ve konsantre etmek için basit bir yol sağlar. Partiküller pnömatik valf kontrolü ile biriktirilir ve serbest bırakılır ve pasif bir yapı olmadığı için tıkanma gözlenmez. Bu cihazı kullanarak, üç boyutlu parçacıkların konsantrasyonu sunulmaktadır. Bununla birlikte, çalışma basıncı, konsantrasyon için gereken süre ve oran, cihaz boyutlarına, partikül boyutu büyütmesine ve Vs18,20,21'deki

Erişim kısıtlı. Bu içeriği görüntülemek için lütfen giriş yapın veya deneme sürümünü başlatın.

Açıklamalar

Yazarların açıklayacağı bir çıkar çatışması yoktur.

Teşekkürler

Bu çalışma, Kore hükümeti (Bilim ve BİT Bakanlığı) tarafından finanse edilen Kore Ulusal Araştırma Vakfı (NMG) hibesi tarafından desteklenmiştir. (Hayır. NMK-2021R1A2C1011380).

Erişim kısıtlı. Bu içeriği görüntülemek için lütfen giriş yapın veya deneme sürümünü başlatın.

Malzemeler

Bu makalede kullanılan malzemelerin listesi
AdŞirketKatalog numarasıYorumlar
1,5 mm delinmeKendi kendine prodüksyonKendi kendine prodüksyonBu delinme, Miltex® Pistonlu Biyopsi Punch (15110-15) ürünü.
4 inç Silikon Gofret / SU-8 kalıp4science29-03573-014 inç (100) Ptype silikon gofret / SU-8 kalıp
Karboksil Polistiren Çapraz Bağlı Parçacık (24.9 & mu; m)SpherotechCPX-200-10Konsantre boncuk örneği1
Akış ölçerSensirionSLI-1000Akış ölçümü
Yüksek hızlı kameraPhotronFASTCAM MiniKonsantrasyon gözlemi
Sıcak plakaSıvınınbir HI-1000ısıtma plakası olarak PDMS
KOVAX-ŞIRINGA 10 mL/ŞırıngaKoreavaccine22G-10MLMikroakışkan kanalı kabarcıksız demineralize su ile doldurun.
Laboratuvar Conona işleyici / Atmosferik plazmaElectro-TechnicBD-20ACÇip bağlama / atmosferik plazma
Sıvı polidimetilsiloksan, PDMSDow Corning Inc.Sylgard 184Çip
MikroskobununOlympusIX-81Konsantrasyon gözlemi
PEEK TüpleriSAINT-GOBAIN PPL CORP.AAD04103Parçacıkları enjekte edin veya toplayın
Polistiren Parçacık (4.16 & mu; m)SpherotechPP-40-10Konsantre boncuk örneği3
Polistiren Parçacık(8.49 μ m)SpherotechPP-100-10Konsantre boncuk örneği2
Basınç kontrolörü/μ fluconAMEDμ fluconHava basıncının kontrolü
Spin kaplayıcıiNexusACE-200sıvı PDMS'yi SU-8 kalıbına yaydı
kürlenmesi için Bileşenleri ,

Kaynaklar

  1. Whitesides, G. M. The origins and the future of microfluidics. Nature. 442 (7107), 368-373 (2006).
  2. Desitter, I., et al. A new device for rapid isolation by size and characterization of rare circulating tumor cells. Anticancer Research. 31 (2), 427-441 (2011).
  3. Hayes, D. F., et al. Circulating tumor cells at each follow-up time point during therapy of metastatic breast cancer patients predict progression-free and overall survival. Clinical Cancer Research. 12 (14), 4218-4224 (2016).
  4. Choi, S., Park, J. K. Microfluidic system for dielectrophoretic separation based on a trapezoidal electrode array. Lab on a Chip. 5 (10), 1161-1167 (2005).
  5. Jung, Y., et al. Six-stage cascade paramagnetic mode magnetophoretic separation system for human blood samples. Biomedical Microdevices. 12 (4), 637-645 (2010).
  6. Li, P., et al. Acoustic separation of circulating tumor cells. Proceedings of the National Academy of Sciences. 112 (16), 4970-4975 (2015).
  7. Lin, Y. H., Lee, G. B. Optically induced flow cytometry for continuous microparticle counting and sorting. Biosensors and Bioelectronics. 24 (4), 572-578 (2008).
  8. Gramotnev, D. K., et al. Thermal tweezers for surface manipulation with nanoscale resolution. Applied Physics Letters. 90 (5), 054108(2007).
  9. Huang, L. R., et al. Continuous particle separation through deterministic lateral displacement. Science. 304 (5673), 987-990 (2004).
  10. Yin, D., et al. Multi-stage particle separation based on microstructure filtration and dielectrophoresis. Micromachines. 10 (2), 103(2019).
  11. Yoon, Y., et al. Clogging-free microfluidics for continuous size-based separation of microparticles. Scientific Reports. 6 (1), 1-8 (2016).
  12. Alvankarian, J., Majlis, B. Y. Tunable microfluidic devices for hydrodynamic fractionation of cells and beads: a review. Sensors. 15 (11), 29685-29701 (2015).
  13. Irimia, D., Toner, M. Cell handling using microstructured membranes. Lab on a Chip. 6 (3), 345-352 (2006).
  14. Huang, S. B., et al. A tunable micro filter modulated by pneumatic pressure for cell separation. Sensors and Actuators B: Chemical. 142 (1), 389-399 (2009).
  15. Chang, Y. H., et al. A tunable microfluidic-based filter modulated by pneumatic pressure for separation of blood cells. Microfluidics and Nanofluidics. 12 (1-4), 85-94 (2012).
  16. Oh, C. K., et al. Fabrication of pneumatic valves with spherical dome-shape fluid chambers. Microfluidics and Nanofluidics. 19 (5), 1091-1099 (2015).
  17. Liu, W., et al. Dynamic trapping and high-throughput patterning of cells using pneumatic microstructures in an integrated microfluidic device. Lab on a Chip. 12 (9), 1702-1709 (2012).
  18. Jang, J. H., Jeong, O. C. Fabrication of a pneumatic microparticle concentrator. Micromachines. 11 (1), 40(2020).
  19. McDonald, J. C., et al. Poly(dimethylsiloxane) as a material for fabricating microfluidic device. Accounts of Chemical Research. 35 (7), 491-499 (2002).
  20. Brivio, M., et al. A MALDI-chip integrated system with a monitoring window. Lab on a Chip. 5 (4), 378-381 (2005).
  21. Jeong, O. C., Konishi, S. The self-generated peristaltic motion of cascaded pneumatic actuators for micro pumps. Journal of Micromechanics and Microengineering. 18 (8), 085017(2008).
  22. Taff, B. M., Voldman, J. A scalable addressable positive dielectrophoretic cell-sorting array. Analytical Chemistry. 77 (24), 7976-7983 (2005).
  23. Pamme, N., et al. On-chip free-flow magnetophoresis: Separation and detection of mixtures of magnetic particles in continuous flow. Journal of Magnetism and Magnetic Materials. 307 (2), 237-244 (2006).
  24. Harris, N. R., et al. Performance of a micro-engineered ultrasonic particle manipulator. Sensors and Actuators B: Chemical. 111, 481-486 (2005).
  25. Yoon, Y., et al. Clogging-free microfluidics for continuous size-based separation of microparticles. Scientific Reports. 6 (1), 1-18 (2016).
  26. Beattie, W., et al. Clog-free cell filtration using resettable cell traps. Lab on a Chip. 14 (15), 2657-2665 (2014).
  27. Cheng, Y., et al. A bubble- and clogging-free microfluidic particle separation platform with multi-filtration. Lab on a Chip. 16 (23), 4517-4526 (2016).

Erişim kısıtlı. Bu içeriği görüntülemek için lütfen giriş yapın veya deneme sürümünü başlatın.

Yeniden basım ve izinler

Etiketler

Pnömatik ValfPDMS MikrokanallarPnömatik MikroakışkanlarMikroboncuk Akış KontrolüNumune YüklemeDiyafram ValfAkış Hızı ÖlçümüMikroakışkan Cihaz Fabrikasyonu
Mikro Partikül Konsantrasyonu için Pnömatik Tahrikli Mikroakışkan Platform
Bize Ulaşın
Kütüphaneye Öner

Gizlilik

Kullanım Koşulları

Politikalar

Telif Hakkı © 2026 MyJoVE Corporation. Tüm hakları saklıdır.