Mikrokanallarda Sub-Kilohertz Salınımlı Akış Üretimi için Harici Bir Sürücünün Montajı ve Karakterizasyonu
28 Ocak 2022
Protokol, mikrokanallarda 10-1000 Hz'den harmonik salınımlı akış üretmek için uygun bir yöntem göstermektedir. Bu, bilgisayar kontrollü bir hoparlör diyaframının mikrokanala modüler bir şekilde yerleştirilmesiyle gerçekleştirilir.
Tekniğimiz, mikroakışkanlar kullanarak biyologlara ve kimyagerlere salınımlı akışlar getiriyor. Bu cihazın montajı hızlıdır, kullanımı kolaydır ve yüksek doğrulukta salınımlı akışlar üretmek için bir tak ve çalıştır yöntemidir. Prosedürü gösteren, laboratuvarımdan doktora öğrencisi olan Giridar Vishwanathan olacak.
Başlamak için, telleri sekiz santimetrelik bir koni ile 15 watt'lık bir hoparlörün terminallerine sabitlemek için bir çift timsahın timsah klipsi uçlarını kelepçeleyin. aux denetleyici yongasını bir yalıtım bileşenine yerleştirin. Pin uçlarını aux yongasının vida soketlerine takın.
Bağlantıyı sağlamak için bir tornavida ile sıkın. Aux kablosunun bir ucunu denetleyici yongasına, diğer ucunu da bilgisayardaki aux bağlantı noktasına bağlayın. Güç kaynağına 12 voltluk bir doğru akım adaptörü bağlayın.
DC adaptörünün koaksiyel ucunu elektrik prizine bağlayarak denetleyici yongasını açın. Bir internet tarayıcısı kullanarak çevrimiçi bir ton oluşturucu web sitesine gidin. Çevrimiçi uygulamada 5 ila 1200 Hertz arasında istediğiniz frekansı yazın ve ses seviyesini gerekli miktara kaydırın.
Dalga tipi jeneratör sembolüne tıklayın ve işaret, kare, üçgen veya testere dişi gibi istediğiniz dalga formunu seçin. Varsayılan ayar bir işaret dalgası biçimidir. Hoparlörü etkinleştirmek için Oynat düğmesine basın.
Mikroskop aşamasında konumlandırmak için hoparlörü ve denetleyici çipini 3D baskılı hoparlör höyüğüne bantlayın. 3B baskılı adaptörü hoparlör konisine konsantre olarak yerleştirin. Silikon dolgu macununu adaptörün kenarları boyunca cömertçe uygulayın ve iki saat boyunca kürlenmeye bırakın.
200 mikrolitrelik bir mikropipet ucunu dar ucundan yaklaşık iki santimetre kesin ve ucun daha geniş yarısını, dar konik ucun geri dönüşümlü bağlantı için bir kama contası görevi göreceği yere atın. Polietilen boruyu, önce mikropipet ucundan, ardından adaptörlerin koaksiyel ucundan geçirerek ve son olarak da yandan dışarı çıkararak mikrokanal çıkışına bağlayın. Pipet ucunun dar ucunu, çıkarılabilir sıkı bir sızdırmazlık oluşturmak için adaptörlerin koaksiyel ucuna sıkıca sıkıştırın.
20 santigrat derecede sıvı içinde% 0.01 ila% 0.1 polistiren hacim fraksiyonuna sahip nötr bir yüzdürücü süspansiyon üretmek için ağırlıkça% 22'lik bir şişe içine izleyici parçacıkları ekleyin. Homojen bir süspansiyon oluşturmak için sallayarak kuvvetlice karıştırın. Bir mililitre giriş şırıngasını bir mililitre numune ile yükleyin.
Höyüğü boşaltın ve yüklü şırıngayı otomatik bir şırınga pompasına sabitleyin. Su geçirmez bir sızdırmazlık oluşturmak için şırınga iğnesini cihazın giriş borusuna yerleştirin. Çıkış tüpünün adaptör tertibatından ve bir rezervuara köklendiğinden emin olun.
Şırınga pompasını açın, dokunmatik ekranı kullanarak şırınga türünü Becton-Dickinson 1 mL olarak seçin ve ardından Demle'yi seçin. Ardından, akış hacminin gerekli akış hızını seçin. Şırınga pompasını kullanarak sabit akışı başlatın.
Çıkış borusu hoparlöre kadar sıvı ile dolana kadar bekleyin. Ton üreteci uygulamasında gerekli bir frekans genliği ve dalga formu seçin ve mikro kanal içinde salınımlı akış oluşturmak için Oynat düğmesine basın. Cihazı mikroskopa monte edin.
10X ile 40X arasında büyütmeye sahip objektif bir lens seçerek ve odak düzlemini ayarlayıp sahne alanını konumlandırarak optik yapılandırmayı ayarlayın. İyi tanımlanmış bir odak düzleminde ölçümler elde etmek için, objektif lensin alan derinliğinin kanal derinliğinden beş veya daha fazla faktörle daha küçük olduğundan emin olun. Salınımlı akışı gözlemlemek için, salınım frekansının en az iki katı kare hızına sahip yüksek hızlı bir kamera kullanın.
Dalga formunun yararlı çözünürlüğü için, salınım frekansından 10 kat daha fazla kare hızıyla zaman periyodu başına en az 10 nokta ölçün. Alternatif olarak, pozitif akışların uzun süreli etkilerini gözlemlemek için, gözlemi salınım frekansının herhangi bir mükemmel bölenine ayarlayarak stroboskopik görüntüleme gerçekleştirin. Hem doğrudan hem de stroboskopik görüntüleme için, jöle etkisinden kaçınmak için küresel bir deklanşörle donatılmış bir kamera kullanın.
Her iki durumda da, çizgilenmeyi önlemek için maruz kalma süresini salınım süresinden 10 veya daha fazla faktörle önemli ölçüde daha küçük tutun. Yüksek hızlı bir kamera olmadan salınım genliğini ölçmek için, stroboskopik kare hızına yakın tutulan ancak tutulmayan bir kare hızında kayıt yapın, bu da genliğin doğru bir şekilde ölçülebileceği, gözlemlenebileceği ve genlik ölçümlerinin kaydedilebileceği oldukça yavaşlamış bir salınımla sonuçlanır. Kanal orta düzlemindeki izleyici parçacıkların izlenen yer değiştirmesi, 100, 200, 400 ve 800 Hertz salınım frekansları için harmonik bir sinyal gösterdi.
Tüm hoparlör ses ayarları için frekansa karşı salınım genliğinin bir grafiğinde, karakteristik eğri, genliğin artan frekansla azaldığı yaklaşık 180 Hertz'de rezonans zirvesine sahipti. Farklı parametrelerin referans durumuna göre çalışma frekansları aralığı üzerindeki salınım genliği üzerindeki etkisi, çalışma sıvısının viskozitesi arttırıldığında, genliğin yaklaşık iki kat azaldığını göstermiştir. Aynı malzeme için mikroakışkan boru çapı arttırıldığında, genlik referans durumuna göre frekansa bağlı olarak 1,5 ila 3 arasında bir faktörle artar.
Aynı malzeme için tüp uzunluğu arttırıldığında, genlik rezonans frekansına yakın önemli ölçüde artar. Sinüzoidal olmayan dalga formları için parçacık yer değiştirme izleri, kare ve testere dişi dalga formlarıyla ilişkili pozisyondaki çok keskin değişikliklerin gerçek sistemlerde mümkün olmadığını göstermiştir. Bununla birlikte, Fourier spektrumları, en azından üçüncü harmoniğe kadar, ideal spektrumlarla iyi bir uyum içindeydi.
Çıkış borusunun tamamen sıvı ile dolu olduğunu doğrulamak önemlidir. Bu, genliğin maksimum olmasını ve zamanla sabit olmasını sağlar. Global deklanşörlü bir kamera da kullanılmalıdır.
Bu tekniği, mikron büyüklüğündeki parçacıkların bir mikrokanal içinde çok uzun bir mesafe kat ettikten sonra nasıl davrandıklarını tam olarak gözlemlemek ve ölçmek için kullandık. Bu, yeni mikroakışkan manipülasyon tekniklerini uygulamamıza izin verdi.
Tam transkripti görüntüleyin ve binlerce bilimsel videoya erişin
Genel Bakış
Bu protokol, mikrokanallarda 10-1000 Hz arasında harmonik salınımlı akış üretmek için uygun bir yöntem sunar. Teknik, montajı hızlı ve kullanımı kolay olacak şekilde tasarlanmıştır, bu da biyologlar ve kimyagerler için erişilebilir hale getirir.
Çalışmanın Temel Bileşenleri
Bilim Alanı
- Mikrooflüidik
- Salınımlı akış üretimi
- Biyolojik uygulamalar
Arka Plan
- Mikrooflüidik, mikro ölçekte sıvı akışlarının hassas kontrolüne olanak tanır.
- Harmonik salınımlı akışlar, biyolojik testlerde karıştırma ve reaksiyon hızlarını artırabilir.
- Geleneksel salınımlı akış üretim yöntemleri karmaşık ve zaman alıcı olabilir.
- Bu protokol, modüler ve kullanıcı dostu bir yaklaşım sunar.
Çalışmanın Amacı
- Mikrokanallarda salınımlı akış üretmek için basit bir yöntem sağlamak.
- Bu tekniğin biyolojik ve kimyasal araştırmalarda uygulamasını göstermek.
- Araştırmacılar için gelişmiş mikrooflüidik tekniklere erişimi kolaylaştırmak.
Kullanılan Yöntemler
- Bilgisayar kontrollü bir hoparlör diyaframının mikrokanallarla ara yüzlenmesi.
- Hoparlöre bağlanmak için timsah kelepçeleri kullanmak.
- Akış modülasyonu için bir aux denetleyici çipinin kullanılması.
- Cihazın montajının ve çalışmasının gösterilmesi.
Ana Sonuçlar
- Belirtilen frekans aralığı içinde harmonik salınımlı akışların başarılı şekilde üretilmesi.
- Cihazın kullanım kolaylığının ve hızlı montajının gösterilmesi.
- Çeşitli biyolojik ve kimyasal deneylerde potansiyel uygulamalar.
- Üretilen salınımlı akışlarda yüksek doğruluk.
Sonuçlar
- Bu yöntem, mikrooflüidikte salınımlı akış üretme sürecini basitleştirir.
- Biyoloji ve kimyada araştırma için yeni yollar açar.
- Protokol, farklı uzmanlık seviyelerinde araştırmacılar tarafından kolayca benimsenebilir.
Sıkça Sorulan Sorular
Executive Industry Relevance
Oscillatory flow enhances mixing and reaction kinetics in microfluidic assays, yet its adoption is limited by cost and complexity of existing systems. This low-cost, plug-and-play speaker-based apparatus enables high-fidelity oscillatory flow generation from 10-1000 Hz with independent amplitude control, addressing a key technical barrier in microfluidic workflows. By providing a reusable, detachable solution compatible with steady flow systems, it supports predictive de-risking in assay development and phenotypic screening through improved fluidic control and reproducibility.
Strategic Applications in Biopharma R&D
Early Discovery & Target Validation
- Scientific Value: Enables interrogation of cellular responses under dynamic flow conditions to clarify mechanotransduction pathways and validate therapeutic targets.
- Operational Value: Supports rapid prototyping of flow parameters without requiring microfluidic channel redesign, accelerating hypothesis testing in target validation.
Screening & Assay Development
- Scientific Value: Generates reproducible oscillatory flows that improve mixing efficiency and signal-to-noise ratios in biochemical and cellular assays.
- Operational Value: Delivers quantitative amplitude and frequency control compatible with high-speed imaging, enabling standardized assay readouts across screening campaigns.
Translational & Preclinical Research
- Scientific Value: Facilitates study of particle transport and cellular behavior under physiologically relevant flow waveforms, supporting disease-relevant system modeling.
- Operational Value: Allows simultaneous use with syringe pumps to generate pulsatile flow, bridging discovery and preclinical workflows without system reconfiguration.
Pipeline & Workflow Integration
The method integrates into early discovery workflows by enabling dynamic fluidic control that complements steady-flow assays, supporting progression from target validation to lead identification through enhanced assay fidelity.
- Discovery Biology: Supports mechanistic de-risking by allowing precise control of oscillatory parameters to probe biological responses under controlled mechanical stimulation.
- Screening: Provides standardized, tunable oscillatory flow output that improves assay reproducibility and compound evaluation reliability.
- Analytics: Enables high-resolution particle tracking and waveform analysis via high-speed or stroboscopic imaging, yielding quantitative dynamic readouts.
- Translational Research: Connects microfluidic manipulation techniques to preclinical continuity by simulating physiological flow dynamics in disease models.
- Enterprise Reuse: Designed as a detachable, plug-and-play module compatible with existing microfluidic platforms, reducing need for custom fabrication per experiment.
Operational & Enterprise Impact
- Scientific Value: Increases predictive confidence in assay outcomes by reducing variability from poor mixing and enabling physiologically relevant flow conditions.
- Operational Value: Delivers low-cost, reusable hardware with minimal setup time and no requirement for specialized microchannel fabrication.
- Strategic Value: Reduces biological false negatives in screening by improving reagent delivery and cellular stimulation consistency.
- Portfolio Impact: Supports risk-adjusted decision-making by enhancing data quality in early-stage assays, decreasing attrition due to assay artifacts.
Implementation Considerations
- Requires basic electronics knowledge for speaker and controller chip assembly, including solderless connections and cable routing.
- Depends on access to a computer, tone generator software, 12V DC power supply, and audio interface components.
- Necessitates high-speed or stroboscopic imaging capabilities for accurate amplitude and waveform validation, particularly above 100 Hz.
- Performance is sensitive to fluid viscosity and channel geometry, requiring empirical calibration when changing reagents or channel designs.
- Global shutter cameras are required to avoid motion artifacts during imaging, adding to system requirements for quantitative analysis.
Biopharma FAQs
Chapters in this video
0:04
Introduction
0:33
Oscillatory Driver Assembly
1:51
Adapter Assembly
2:54
Operation of the Experimental Setup for Oscillatory Flows in Microchannels
4:24
Observation and Amplitude Measurement
6:11
Results: Oscillatory Flow in a Simple Linear Microchannel with a Square Cross-Section
7:49
Conclusion
