Tek Parçacıklar için mikroakışkan tabanlı Hidrodinamik Tuzak
January 21st, 2011
Bu makalede, hidrodinamik akış dayalı parçacık hapsi mikroakışkan tabanlı bir yöntem mevcut. Biz böylece entegre bir microdevice keyfi parçacıkların hapsi ve mikromanipülasyon sağlayan bir geribildirim kontrol mekanizması kullanılarak bir sıvı durgunluk noktasında kararlı parçacık yakalama göstermektedir.
Bu yöntemin genel amacı, bir mikroakışkan cihazda laminer akış kullanarak tek mikro ve nano ölçekli parçacıkları sınırlamak ve manipüle etmektir. Hidrodinamik tuzak, mikrokanal bağlantısında bir durgunluk noktası akışına yol açan çapraz yarık kanal geometrisine sahip bir mikroakışkan cihazdan oluşur. Çıkış kanallarından birinde bulunan çip üstü bir valf, sıvı akışını aktif olarak kontrol etmek ve parçacıkları yakalamak için kullanılır.
Parçacıklar, durgunluk noktası konumunun aktif kontrolü ile kullanıcı tanımlı bir ayar noktasında sınırlandırılır. Partikül konumunu izlemek ve partikül konumunu ayar noktasında tutmak için çip üzerindeki valfi düzenlemek için bir geri besleme kontrolörü kullanılır. Hidrodinamik tuzak kullanılarak, tek parçacıklar seyreltik veya konsantre parçacık çözeltileri içinde tutulur ve floresan veya parlak alan mikroskobu kullanılarak görüntülenebilir.
Tek bir parçacık, parçacık yörüngesinde ve tuzak merkezinden parçacık yer değiştirmesinin histogramında gösterildiği gibi, tuzak merkezinin bir mikronu içinde sınırlandırılabilir. Merhaba, ben Profesör Charles Schroer'in Kimya ve Biyomoleküler Mühendisliği Bölümü'ndeki Laboratuvarı'ndan ve Illinois Üniversitesi Biyofizik ve Hesaplamalı Biyoloji Merkezi'nden Eric Johnson Rio. Merhaba, benim adım Ari, Schroeder Laboratuvarı'nda doktora sonrası araştırmacıyım.
Merhaba, ben Cheryl Schroeder, ve bugün size tek parçacıkların hidrodinamik olarak yakalanması için mikroakışkan bir cihazın nasıl üretileceğini ve uygulanacağını göstereceğiz. Bu tekniğin optik veya elektro kinetik tuzaklar gibi mevcut yöntemlere göre ana avantajı, hidrodinamik yakalamanın sıvı akışının tek etkisiyle elde edilmesi ve böylece nanopartikül veya hücre yakalama için potansiyel olarak proatif dört alanı ortadan kaldırmasıdır. Bu teknik, mikro ve nano ölçekli parçacıkların, sıkışan parçacığın kimyasal veya fiziksel özelliklerine ilişkin herhangi bir gereklilik olmaksızın serbest çözelti yakalamayı mümkün kılarak temel ve uygulamalı bilimi dönüştürme potansiyeline sahiptir.
Öyleyse başlayalım. Replikaların SU sekiz kalıplarından soyulmasını kolaylaştırmak için, gofretleri birkaç damla trikloro selin içeren bir cam tabak ile 10 dakika boyunca vakum altında bir kuruya yerleştirerek SU sekiz kalıbının yüzeyini birleştirin ve akışkan ve kontrol katmanları için DGA'ların PDMS'si. 15'e bir PDMS karışımını 750 RPM'de 30 saniye boyunca akışkan tabaka kalıbına döndürün ve ardından gofreti bir Petri kabına yerleştirin.
Benzer şekilde, kontrol katmanı kalıbını bir Petri kabına yerleştirin ve kalıbın üzerine dört milimetre kalınlığa kadar beşe bir PDMS karışımı dökün. PDMS katmanlarını kısmen iyileştirmek için, gofretleri pişirin, PDM'leri 70 santigrat derecede 30 dakika kesin ve oda sıcaklığına soğumaya bırakın. PDMS replikasını neşterle kesin ve SU sekiz kalıbından soyun.
Daha sonra 21 gauge iğne ile, çip üzerinde membran valfi görevi görecek mikro kanala erişim portu olarak PDMS'de bir delik açın. PDMS replikasını bir kontrol katmanına sahip, spin kaplı PDMS akışkan tabakası ile gofret üzerine yerleştirin. Bir stereo mikroskop kullanarak kontrol katmanını sıvı katmana dikkatlice hizalayın ve kapatın.
Katmanlar arasındaki tüm hava ceplerini çıkardığınızdan ve oda sıcaklığına soğuduktan sonra her iki katmanı da iki katmanlı monolitik bir PDMS levhasına tamamen kürlemek için gece boyunca 70 santigrat derecede pişirdiğinizden emin olun, PDMS kopyasını SU sekiz kalıbından kesmek ve soymak için bir neşter kullanın ve fazla PDMS'yi çıkarmak ve her bir cihaz birimini ayırmak için bir tıraş bıçağı kullanın. Şimdi 21 gauge iğne ile akışkan katmandaki mikro kanallara tüm zımba erişim portları. Bir kapak kızağını aseton IPA ile temizleyin ve nitrojen ile kurulayın.
Hem kapak kızağını hem de PDMS replika yüzeylerini 30 saniye boyunca 500 militorr'un altındaki oksijen plazması ile işlemden geçirin. Ardından, geri dönüşü olmayan bir sızdırmazlık oluşturmak için iki yüzeyi hemen temas ettirin. Son olarak, PDMS katmanları ve kapak kızağı arasındaki yapışmayı artırmak için cihazları gece boyunca pişirin.
İlk olarak, mikroakışkan cihazı ters çevrilmiş bir mikroskobun sahnesine yerleştirin ve sahne klipsleri ile sabitleyin. Çözeltileri mikroakışkan cihaza iletmek için, sırasıyla bir mililitre ve 250 mikrolitrelik gaz geçirmez bir şırıngayı tampon ve numune çözeltileri ile doldurun. Numune dağıtımını kontrol etmek için numune şırıngası ile mikroakışkan cihazdaki numune portu arasında bir T valfi kullanın.
Şimdi, floro oksi boru, yem kilitleme adaptörleri ve 24 gauge metal boru kullanarak şırıngalar ve mikroakışkan cihaz arasındaki sıvı bağlantılarını kurun. Ardından, PFA boru ve 24 gauge metal boru ile mikroakışkan cihazdaki çıkış kanalları için sıvı bağlantılarını kurun. Şırıngalar ve çıkış kanalları arasında sabit bir basınç düşüşü sağlamak için, çıkışlar için PFA boruları eşit uzunlukta olmalı ve her ikisi de tampon çözeltisi ile doldurulmuş 1.5 mililitrelik bir santrifüj tüpüne daldırılmalıdır.
Çalışma sırasında havanın akışkan tabakaya sızmasını önlemek için üç mililitrelik yem kilitli plastik şırınga kullanarak çip üzerindeki valfi florlu taşıyıcı yağ ile doldurun. Valf odasındaki havayı PDMS membranından mikro kanala itin. Akışkan tabakada.
Çip üzerinde valf çalışması için. Kontrol katmanındaki bağlantı noktasına basınçlı bir inert gaz kaynağı bağlayın. Çıkış kanalları da dahil olmak üzere tüm hava kabarcıklarının sistemden çıkarıldığından emin olmak için sıvı bağlantılarını ve mikroakışkan cihazı 0.5 mililitre tampon solüsyonla durulayın.
Kabarcıkları temizlemek için kullanılan tipik akış hızları, hava kabarcıkları mikroakışkan kanallardan durulandıktan sonra saatte 2000 ila 5.000 mikrolitre arasında değişir, akış hızını saatte 50 ila 100 mikrolitreye düşürür, bu da parçacık yakalama için tipik bir hacimsel akış hızıdır. Şimdi numunenin mikroakışkan cihaza akmasına izin vermek için T valfini değiştirin. Doğrusal bir geri besleme kontrol algoritması uygulayarak parçacık yakalamayı otomatikleştiren özel olarak oluşturulmuş laboratuvar görünümü kodunu yürütün.
Kod, bir CCD kameradan görüntüler yakalar ve bir çip üzerindeki pnömatik valfin konumunu aktif olarak modüle eden bir basınç regülatörüne bir elektrik potansiyeli iletir. Mikroskop XY çeviri aşamasını kullanarak, yakalama bölgesini kamera görünümünün merkezine yerleştirin. Bindirme bölgesini objektif merceğinin odağına getirin ve görüntüleme koşullarını optimize etmek için kamera ayarlarını yapın.
Kameranın görüş alanı içinde, ROI'nin merkezi bindirme merkezinin konumu olacak şekilde dikdörtgen bir ilgi alanı seçin. Şimdi talaş üzerindeki valfe uygulanan ofset basıncını başlatın. Karşı çıkış kanalında bulunan 100 ila 200 mikron genişliğinde bir daralma.
Talaş üzerindeki valfin çalışması için bir ofset basıncı sağlar. Geri besleme denetleyicisini başlatın ve tuzak tepkisini optimize etmek için orantılı kazancı ayarlayın. Akış hızına ve talaş üzerindeki valf konumuna bağlı olarak, kapan stabilitesini artıran ve istenmeyen parçacık salınımlarını ortadan kaldıran optimum bir oransal kazanç değeri vardır.
Laboratuvar görünümü kodu, yakalama bölgesine giren parçacıklardan birini otomatik olarak yakalayacaktır. Bu videoda, giriş yönündeki hapsin tuzak sıkılığını en üst düzeye çıkarmak için numune giriş akışı açık bırakıldığı için giriş yönündeki parçacık hareketi ortaya çıkar. Kullanıcı, yakalama sırasında numune akışını kapatabilir, bu da akışı çapraz kanal bağlantısına eşit şekilde dengeleyebilir, yakalanan parçacığı izleyebilir ve manuel odaklama veya otomatik odak mikroskobu kurulumu kullanarak parçacık odağını görüntü düzlemi içinde tutabilir.
Entegre mikroakışkan cihaz, bir numune odağı, bir çapraz yuva bağlantısı ve bir pnömatik valf bağlantısından oluşur, çapraz yuva bağlantısında sıkışma meydana gelir ve parçacık konumu, pnömatik valf aracılığıyla mikrokanal bağlantısındaki akış alanının aktif olarak ayarlanmasıyla kontrol edilir. Burada, tek bir boncuğun görüntüsü hidrodinamik tuzakta hapsedilmiştir. Tuzak merkezine ek olarak, çapraz lot kavşağındaki yakalama bölgesinde birkaç sıkışmamış boncuk gösterilir.
Sıkışmış 2,2 mikron floresan polistiren boncuğun yörüngesi haritalanır. Parçacık başlangıçta üç dakika boyunca tutulur. Daha sonra tuzaktan serbest bırakılır ve çıkış kanallarından biri boyunca kaçar.
Sıkışmış bir boncuğun tuzak merkezinden çıkış kanallarının yönü boyunca yer değiştirmesinin histogramı, partikülün tuzak merkezinden bir mikron içinde sınırlı olduğunu gösterir. Bugün, EM tuzağını, bir mikroakışkan cihaz içinde üretilen bir asyon noktası akışı kullanarak mikro ve nano ölçekli parçacıkların serbest çözelti yakalaması için bir yöntem olarak sunduk. Hidrodinamik yakalama, tek bir hedef parçacığın konsantre parçacık süspansiyonlarında hapsedilmesini sağlar, bu da alternatif kuvvet alanı tabanlı yakalama yöntemlerinin kullanılması zordur.
Daha fazla gelişmeden sonra, bu yeni teknik biyofizik, hücre mekaniği, akışkanlar dinamiği, enzimoloji ve sistem biyolojisi alanlarında bilimsel araştırmalara izin verecektir. İzlediğiniz için teşekkür ederiz ve bu tekniğin deneyleriniz için faydalı olacağını umuyoruz.
View the full transcript and gain access to thousands of scientific videos
Genel Bakış
Bu makale, hidrodinamik akış kullanarak mikro ve nanoölçekli parçacıkların sınırlandırılması ve manipülasyonu için mikroakışkan tabanlı bir yöntem sunmaktadır. Mikrocihaz içinde bir sıvı durgunluk noktasında stabil parçacık tutuculuk elde etmek için bir geri besleme kontrol mekanizması kullanılmaktadır.
Çalışmanın Temel Bileşenleri
Bilim Alanı
- Mikroakışkanlar
- Parçacık manipülasyonu
- Hidrodinamik tutuculuk
Arka Plan
- Mikroakışkan cihazlar, sıvı akışının hassas kontrolünü sağlar.
- Hidrodinamik tutucular, parçacıkları belirli konumlarda sınırlandırabilir.
- Aktif kontrol mekanizmaları, parçacık manipülasyonu yeteneklerini artırır.
- Parçacıkların görüntülenmesi için floresan ve parlak alan mikroskobu kullanılabilir.
Çalışmanın Amacı
- Mikroakışkan cihazlarda tek parçacıkların tutulabilmesi için bir yöntem geliştirmek.
- Etkili parçacık sınırlandırması için laminat akışın kullanılması.
- Parçacık pozisyonunu korumak için geri besleme kontrolünün uygulanması.
Kullanılan Yöntemler
- Çapraz yuva kanal geometrisine sahip mikroakışkan cihaz.
- Sıvı akışının aktif kontrolü için yonga üzerindeki valf.
- Parçacık pozisyonunu izlemek ve düzenlemek için geri besleme denetleyici.
- Floresan ve parlak alan mikroskobu gibi görüntüleme teknikleri.
Ana Sonuçlar
- Hem seyreltik hem de konsantre çözeltilerde tek parçacıkların başarılı bir şekilde tutulama.
- Kullanıcı tarafından tanımlanmış bir set noktasında parçacık sınırlandırmasının stabilitesinin gösterilmesi.
- Geri besleme kontrolü kullanarak durgunluk noktası pozisyonunun etkili düzenlenmesi.
- Mikroskopi teknikleri kullanılarak tutuklanan parçacıkların görüntülenmesi yeteneği.
Sonuçlar
- Bu yöntem, mikroakışkan sistemlerde parçacık manipülasyonu için sağlam bir yaklaşım sunar.
- Aktif kontrol mekanizmaları, parçacık tutuculuklarının hassasiyetini artırır.
- Bu teknik, parçacık sınırlandırması gerektiren çeşitli alanlara uygulanabilir.
Sıkça Sorulan Sorular
Executive Industry Relevance
This microfluidic hydrodynamic trap enables label-free, field-free confinement of single micro- and nanoscale particles in complex biological suspensions, supporting early-stage target validation by allowing direct observation of particle behavior without surface immobilization or perturbative fields. The method provides quantitative spatial control and long-term stability for mechanistic de-risking of nanoparticle-biomolecule interactions in discovery workflows. Its compatibility with concentrated samples and arbitrary particle types enhances translational relevance for preclinical screening of drug delivery vehicles and extracellular vesicles.
Strategic Applications in Biopharma R&D
Early Discovery & Target Validation
- Scientific Value: Enables interrogation of therapeutic hypotheses by trapping single particles in free solution to observe native-state interactions without optical, magnetic, or electric field artifacts.
- Operational Value: Supports functional target validation in crowded environments such as serum or cell lysates where conventional trapping fails due to background interference.
- Predictive Value: Facilitates lead identification by allowing prolonged observation of particle dynamics to assess binding kinetics and stability under near-physiological conditions.
Screening & Assay Development
- Assay Readiness: Prepares validated particle systems for downstream workflows by enabling isolation and manipulation of single entities from heterogeneous populations.
- Quantitative Output: Generates displacement histograms and trajectory data that serve as reproducible metrics for comparing particle behavior across conditions.
- Platform Scalability: Integrates with existing microfluidic devices via on-chip pneumatic valves, allowing reuse across multiple targets and increasing throughput in screening cascades.
Translational & Preclinical Research
- Disease Relevance: Maintains continuity from discovery to preclinical validation by trapping particles in biologically relevant matrices without altering surface chemistry.
- Risk-Adjusted Advancement: Enables mechanistic de-risking of nanoparticle formulations by quantifying confinement stability as a proxy for colloidal integrity in complex fluids.
- Biomarker Alignment: Supports translational biomarker studies by permitting long-term observation of single extracellular vesicles or lipid nanoparticles in undiluted biofluids.
Pipeline & Workflow Integration
The method fits within the discovery continuum from target validation through lead identification to preclinical assessment, particularly for studies requiring unperturbed particle analysis in native environments.
- Discovery Biology: Supports hypothesis testing and pathway clarification by enabling direct visualization of single-particle interactions in solution without labels or surface tethering.
- Screening: Enhances assay reproducibility through active flow control that maintains consistent trapping conditions across runs, reducing variability in particle-based assays.
- Analytics: Provides centroid tracking and displacement measurements as quantitative readouts to compare particle responses under different buffer or ligand conditions.
- Translational Research: Connects to preclinical work by allowing assessment of particle behavior in concentrated biological fluids that mimic in vivo conditions.
- Enterprise Reuse: Functions as a modular trapping module that can be integrated into various microfluidic platforms, reducing redevelopment costs across projects.
Operational & Enterprise Impact
- Scientific Value: Increases predictive confidence by eliminating field-induced artifacts and enabling observation of native particle states in suspension.
- Operational Value: Delivers standardization and reproducibility via feedback-controlled stagnation point positioning, ensuring consistent trap performance across users and sessions.
- Strategic Value: Improves go/no-go decisions by providing early, quantitative data on particle stability and interaction propensity in realistic matrices.
- Portfolio Impact: Enables risk-adjusted prioritization of nanoparticle or vesicle candidates based on single-particle trapping stability in complex fluids.
Implementation Considerations
- Requires expertise in microfluidic fabrication, fluorescence microscopy, and feedback control systems such as LabVIEW-based image processing and pressure regulation.
- Depends on pneumatic pressure regulators, on-chip valves, and high-speed imaging infrastructure for real-time particle tracking and flow adjustment.
- Necessitates cross-team standardization of valve calibration protocols and particle tracking parameters to ensure reproducibility between laboratories.
- Involves adaptation considerations when applying to non-spherical or deformable particles, as trapping efficiency may vary with shape and size under extensional flow.
- Includes practical limitations such as the need for particle fluorescence or contrast for reliable tracking, and potential drift during extended runs requiring periodic recalibration.
