Mikro Partikül Konsantrasyonu için Pnömatik Tahrikli Mikroakışkan Platform
1 Şubat 2022
Mevcut protokol, verimli mikropartikül konsantrasyonu için kullanılabilecek pnömatik bir mikroakışkan platformu tanımlamaktadır.
Bu protokol, parçacık tıkanması ve karmaşık yapılar gibi eksikliklerin üstesinden gelen çok parçacıklı konsantrasyonlar için pnömatik olarak yönlendirilen mikroakışkan platform üzerinde üretim ve işletme yöntemimizi açıklamaktadır. Bu yöntemler, sınırsız sayıda parçacığın işlenmesini, çok sayıda küçük parçacığa konsantre olmayı ve istenmeyen hücre hasarını önlemeyi mümkün kılar ve entropi verimliliğini arttırır. Biyolojik analizin önemi nedeniyle, mikroakışkan ve biyomedikal mikroelektro mekanik sistemler teknolojileri, mikro malzemelerin saflaştırılması ve toplanması için cihazlar geliştirmek ve incelemek için kullanılmaktadır.
Başlamak için, valfi pnömatik olarak kontrol etmek üzere PDMS katmanını çoğaltmak üzere önceden hazırlanmış bir pnömatik valf kanalı SU8 kalıbı kullanın. Hazırlanan bir pnömatik valf kanal kalıbına 10 mililitre sıvı PDMS ve bir mililitre kürleme maddesi dökün ve 30 dakika boyunca 90 santigrat derecede ısı aktive olur. PDMS yapıları kürlendikten sonra, SU8 kalıbını ayırın.
1,5 milimetrelik bir delinme kullanarak pnömatik valf kanalına üç adet 1,5 milimetrelik pnömatik bağlantı noktası delin. Temiz bir SU8 kalıbına 10 mililitre sıvı PDMS ve bir mililitre kürleme maddesi dökün. Bir spin kaplayıcı kullanarak dakikada 1500 devirde 15 saniye boyunca döndürün, ardından 30 dakika boyunca 90 santigrat derecede ısıl aktive edin.
PDMS yapıları kürlendikten sonra SU8 kalıbını ayırın. PDMS yapısını atmosferik plazma ile 20 saniye boyunca tedavi edin. Bir mikroskop kullanarak, plazma ile muamele edilmiş PDMS yapılarını kanal yapısına göre hizalayın.
Hizalanmış PDMS yapılarını 30 dakika boyunca 90 santigrat derecede ısıtarak bağlayın. 1,5 milimetrelik bir delinme kullanarak, sıvı kanalı girişinde ve ince diyafram tabakasına bağlı pnömatik kanal kısmındaki çıkışlarda 1,5 milimetre çapında bir delik açın. Mikroakışkan bir kanal oluşturmak için iki SU8 kalıbı kullanarak PDMS katmanının her iki tarafını da çoğaltın.
Ön tarafta kavisli ve dikdörtgen bir mikroakışkan kanal kalıbı ve arkada bir mikroakışkan ara bağlantı kanalı kalıbı kullanın. Kavisli ve dikdörtgen mikroakışkan kanal kalıbına 10 mililitre sıvı PDMS ve bir mililitre kürleme maddesi dökün ve 15 saniye boyunca dakikada 1200 devirde döndürün, ardından 30 dakika boyunca 90 santigrat derecede ısı aktivasyonu ile kavisli sıvı odası ve sıvı kanalları için kalıplar oluşturun. Mikroakışkan kanalın oluştuğu PDMS tabakasını ayırın.
Ardından, cam gofrete yapıştırılarak kapalı havalandırma duvarını kaplayan ısıl aktif bir kalıp oluşturmak için 20 saniye boyunca atmosferik plazma ile muamele edin. SU8 kalıbının ara bağlantı kanalına üç mililitre sıvı PDMS dökün. Ara bağlantı kanalı kalıbı ile imal edilen yapıyı, mikroakışkan ara bağlantı kanalı kalıbı üzerindeki sıvı PDMS'de düzenleyin.
Daha sonra üst üste bindirilmiş yapıyı 30 dakika boyunca 130 santigrat derecede kurutun. Kürledikten sonra, ön SU8 kalıbını mikroakışkan kanal ağ katmanından çıkarın ve arka PDMS kalıbını dikkatlice çıkarın. 10 mililitre sıvı PDMS ve bir mililitre kürleme maddesini temiz bir SU8 kalıbına dökün ve ısıl olarak 30 dakika boyunca 90 santigrat derecede aktive edin.
PDMS yapıları kürlendikten sonra SU8 kalıbını ayırın. PDMS mikroakışkan ara bağlantı kanalı kalıplarını atmosferik plazma ile 20 saniye boyunca tedavi edin. Bir mikroskop kullanarak, plazma ile muamele edilmiş PDMS yapılarını kanal yapısına göre hizalayın.
Hizalanmış PDMS yapılarını 30 dakika boyunca 90 santigrat derecede ısıtarak bağlayın. Bu işlem sırasında hazırlanan PDMS yapılarını kanal yapısına göre hizalayın ve atmosferik plazma ile 20 saniye boyunca işlemden geçirerek bağlayın. 10 mililitrelik bir şırınga kullanarak, mikroakışkan kanalı kabarcıksız, demineralize suyla doldurun.
Çalışma sıvısının basıncını ve mikroboncuk akışını kontrol eden üç pnömatik valfi kontrol etmek için, çalışma sıvısı için dört veya daha fazla çıkış kanalına sahip hassas bir basınç kontrol cihazını mikroakışkan platformuna yerleştirin. Damıtılmış suda çeşitli boyutlarda karboksil polistiren test parçacıkları hazırlayın. Çalışma sıvısının akış hızını kontrol etmek için, bir cam şişenin yarısını suyla doldurun ve cam şişe kapağını kontrolör çıkış kanalına ve mikro valfe bağlayın.
Ters çevrilmiş bir mikroskop kullanarak, tüm platform işlemlerini gözlemleyin ve çıkışta zaman içindeki çalışma akış hızını bir sıvı debimetresi ile ölçün. Partikül veya sıvı karışımını, partikül valfi ile girişteki basınç altında enjekte edin. Valfi harekete geçirmek için CIV valfine 15 kilopaskalda ve partikül valfine 18 kilopaskalda basınç uygulayın.
Partiküller konsantre olduğunda, sadece sıvı valfine basınç uygulayın. Akışkanların akış hızı dört aşamalı bir platform operasyonuna bölündü. İlk aşama yükleme durumuydu.
Çalışma sıvısı ve parçacıklar, mikroakışkan kanal ağının yapısal simetri sergilediği için neredeyse aynıydı. İkinci aşama engelleme durumuydu. Akış yolu daraldı ve çıkış portunda ölçülen akış hızı hidrolik dirençle azaltıldı.
Üçüncü aşama konsantrasyon haliydi. Ölçülen QP sıfıra yakındı ve QF, engelleme durumunun yaklaşık 1.42 katıydı. Son aşama serbest bırakma durumuydu.
Ortaya çıkan akış ve konsantrasyon hızları, pnömatik valf ile programlanan sıralı çalıştırmanın akış değişiklikleri nedeniyle iyi çalıştığını kanıtladı. CIV valfi ve partikül valfi kapatıldığında partiküller toplanma alanında yoğunlaştı ve birikti ve tüm toplanan, konsantre parçacıklar sadece sıvı valfi kapatıldığında dört saniye içinde serbest bırakıldı. Bu prosedürün önemli bir parçası, PDMS tabakasının hava tabakasının biraz daha fazla basıncı ile implante edildiği arka yapıyı kürlemektir.
Ve deforme olmuş film tabakası aniden aktive olur. Bu platform, çok konsantre ve düz ve askıya alınmış biyopartiküllerin otomatik ön işlemi için kullanılabilir, çünkü işlem fiziksel parçacıkların özelliklerinden etkilenmez.
Tam transkripti görüntüleyin ve binlerce bilimsel videoya erişin
Genel Bakış
Bu protokol, verimli mikropartikül konsantrasyonu için tasarlanmış pnömatik mikroakışkanlık platformunu açıklar. Partikül tıkanması ve karmaşık yapılar gibi zorlukları ele alarak, hücre hasarını en aza indirerek büyük sayıda küçük parçacığın işlenmesini sağlar.
Çalışmanın Temel Bileşenleri
Bilim Alanı
- Mikroakışkanlık
- Biyomedikal Mühendisliği
- Parçacık Konsantrasyon Teknikleri
Arka Plan
- Pnömatik mikroakışkanlık sistemleri partikül manipülasyonunu geliştirir.
- Geleneksel yöntemler genellikle tıkanma sorunlarıyla karşılaşır.
- Mikroelektromekanik sistemler (MEMS) cihaz geliştirmede önemlidir.
- Etkili partikül konsantrasyonu biyolojik analizler için kritik öneme sahiptir.
Çalışmanın Amacı
- Pnömatik bir mikroakışkanlık platformu üretmek.
- Mikropartikül konsantrasyon verimliliğini artırmak.
- İşleme sırasında istenmeyen hücre hasarını önlemek.
Kullanılan Yöntemler
- SU8 kalıplar kullanılarak PDMS yapılarının üretimi.
- Parçacık manipülasyonu için valflerin pnömatik kontrolü.
- Yapı sürekliliği için PDMS'in bir kürleme maddesi ile ısıtılması.
- Platformun konsantrasyon verimliliği için test edilmesi.
Ana Sonuçlar
- Birden fazla küçük parçacık başarılı bir şekilde konsantre edildi.
- Geleneksel yöntemlerde yaygın olan tıkanma sorunları aşıldı.
- Konsantrasyon işlemi sırasında hücre canlılığı korunmuştur.
- Parçacık işlemede entropi verimliliği arttırıldı.
Sonuçlar
- Pnömatik mikroakışkanlık platformu mikropartikül konsantrasyonu için etkilidir.
- Bu yöntem çeşitli biyolojik analizlere uygulanabilir.
- Gelecek uygulamaları biyomedikal cihazların verimliliğini artırabilir.
Sıkça Sorulan Sorular
Executive Industry Relevance
This pneumatically driven microfluidic platform addresses key challenges in early-stage biopharma R&D by enabling efficient concentration of micro-particles without clogging or cellular damage. It supports target validation and assay development workflows by providing a reproducible method for isolating and enriching analytes from complex biological matrices. The technology enhances predictive confidence in lead identification by ensuring consistent sample preparation, reducing variability that can confound downstream screening and mechanistic studies.
Strategic Applications in Biopharma R&D
Early Discovery & Target Validation
- Scientific Value: Enables interrogation of therapeutic hypotheses through precise concentration of biomarkers or therapeutic targets from heterogeneous samples.
- Operational Value: Reduces sample loss and improves detection sensitivity for low-abundance analytes critical in target validation.
- Predictive Value: Supports mechanistic de-risking by delivering consistent particle enrichment for functional assays and pathway analysis.
Screening & Assay Development
- Scientific Value: Prepares validated biological systems for downstream screening by removing interferents and concentrating analytes of interest.
- Operational Value: Enhances assay standardization and reproducibility through controlled, valve-driven sample processing.
- Scalability: Enables processing of unlimited particle numbers, supporting high-throughput screening campaigns.
Translational & Preclinical Research
- Translational Continuity: Maintains sample integrity from discovery through preclinical validation by preventing unwanted cell damage during concentration.
- Risk-Adjusted Advancement: Supports reliable biomarker alignment and disease-relevant system modeling through consistent sample preparation.
- Mechanistic De-risking: Increases confidence in preclinical data by minimizing pre-analytical variability introduced during sample handling.
Pipeline & Workflow Integration
The platform integrates into the discovery continuum from early target validation through lead identification and preclinical development, enabling reliable sample preparation at each stage.
- Discovery Biology: Supports hypothesis testing and pathway clarification by concentrating signaling molecules, vesicles, or cellular debris for analysis.
- Screening: Delivers assay-ready samples with reduced matrix effects, improving hit detection and structure-activity relationship confidence.
- Analytics: Provides quantitative concentration outputs that enable comparison across experimental conditions and time points.
- Translational Research: Connects discovery-phase sample processing to preclinical continuity by preserving analyte structure and function.
- Enterprise Reuse: Functions as a reusable sample preparation module across multiple projects and therapeutic areas.
Operational & Enterprise Impact
- Scientific Value: Increases predictive confidence in target validation by reducing false negatives from analyte loss during processing.
- Operational Value: Ensures reproducibility and standardization across laboratories through pneumatic control and defined operational stages.
- Strategic Value: Improves go/no-go decisions by delivering higher-quality input data for screening and mechanistic studies.
- Portfolio Impact: Enables risk-adjusted prioritization by improving the reliability of early-stage biological data.
Implementation Considerations
- Requires expertise in microfluidic device fabrication, PDMS handling, and pneumatic control systems.
- Depends on precision pressure controllers, syringe pumps, and flow rate monitoring equipment for reproducible operation.
- Necessitates cross-team standardization of valve actuation timing and pressure thresholds for consistent results.
- Requires adaptation of channel dimensions and valve timing based on target particle size and concentration goals.
- Practical limitations include the need for cleanroom-compatible fabrication and careful alignment of plasma-bonded layers to prevent leaks.
