Fabricage van refractieve-index-matched apparaten voor biomedische Microfluidics
Summary
Dit protocol beschrijft de fabricage van microfluidic apparaten van MY133-V2000 te elimineren artefacten die zich vaak in microchannels als gevolg van de verschillen brekingsindices tussen microchannel structuren en een waterige oplossing voordoen. Dit protocol maakt gebruik van een acryl houder voor het comprimeren van de ingekapselde apparaat, verbetering van hechting, zowel chemisch als mechanisch.
Abstract
Het gebruik van microfluidic apparaten heeft ontpopt als een definiërende hulpmiddel voor biomedische toepassingen. Wanneer gecombineerd met moderne microscopie technieken, kunnen deze apparaten worden geïmplementeerd als onderdeel van een robuust platform staat om gelijktijdige aanvullende metingen. De voornaamste uitdaging gemaakt door de combinatie van deze twee technieken is de mismatch in brekingsindex tussen de materialen traditioneel gebruikt voor het maken van microfluidic apparaten en de waterige oplossingen doorgaans gebruikt in de medische biologie. Deze wanverhouding kunt optische artefacten in de buurt van de randen van het kanaal of apparaat. Een oplossing is het verminderen van de brekingsindex van het materiaal gebruikt voor het fabriceren van het apparaat met behulp van een gefluoreerde polymeer zoals MY133-V2000 waarvan brekingsindex vergelijkbaar met die van water is (n = 1.33). Hier, de bouw van een microfluidic apparaat gemaakt uit MY133-V2000 met behulp van zachte lithografie technieken is aangetoond, met behulp van O2 plasma in combinatie met een acrylaat houder te verhogen van de hechting tussen de MY133-V2000 vervaardigd apparaat en de Polydimethylsiloxaan (PDMS) substraat. Het apparaat wordt vervolgens getest door het gevuld met cel voedingsbodems voor 24 h om aan te tonen van het vermogen van het apparaat voorwaarden te handhaven cel cultuur in de loop van een typische imaging experiment aan het broeden. Ten slotte, kwantitatieve fase microscopie (QPM) wordt gebruikt voor het meten van de verdeling van massa binnen de levende Adherente cellen in de microchannel. Op deze manier wordt de verhoogde precisie, ingeschakeld door het fabriceren van het apparaat van een lage brekingsindex polymeer zoals MY133-V2000 in plaats van traditionele lithografie van zachte materialen zoals PDMS, aangetoond. Over het algemeen kan deze benadering voor het fabriceren van microfluidic apparaten gemakkelijk worden geïntegreerd in bestaande zachte lithografie werkstromen om optische artefacten verminderen en precisie van de meting te vergroten.
Introduction
De ontwikkeling van microfluidic technologie heeft een breed scala van nieuwe biomedische technieken die gebruik maken van de unieke fysica van microscopische schaal stromen1,2. Het gaat hierbij om de diagnostische technieken die gebouwd op microfluidic platforms die kwantificeren van klinisch relevante biomarkers, met inbegrip van cel stijfheid3, oppervlakte markeringen4en groei5. Door het manipuleren van afzonderlijke cellen, kunnen microfluidic apparaten ook worden gebruikt voor het meten van biomerker heterogeniteit, bijvoorbeeld als een indicator van maligniteit6. De mogelijkheid om het combineren van microfluidic toepassingen met microscopie is het nut van deze platforms verder toegenomen doordat voor apparaten die gelijktijdig meerdere biomarkers meten7.
QPM is een microscopie techniek die de faseverschuiving maatregelen licht passeert en samenwerkt met de zaak binnen transparante monsters. De massa van afzonderlijke cellen kan worden berekend uit metingen van de QPM, met behulp van de bekende relatie tussen de brekingsindex en de biomassa dichtheid8,9. Vorige werk heeft aangetoond dat QPM voor het meten van klinisch relevante parameters, zoals de cel groei10,11 en cel mechanische eigenschappen via disorder kracht12. Wanneer gecombineerd met microfluidics, kan QPM hormoon worden gebruikt voor het meten van de werking van de cel in een sterk gecontroleerde omgeving in vitro. Een van de belangrijkste uitdagingen voor combineren QPM met microfluidics is de hoge brekingsindex van de meeste polymeren gebruikt voor de constructie van microfluidic kanalen via zachte lithografie13.
Een belangrijke uitdaging voor de combinatie van microfluidics met verschillende microscopie technieken is de wanverhouding tussen de brekingsindex van het apparaat materiaal ten opzichte van de brekingsindex van water14,15. Een methode om aan te pakken dit is door het gebruik van een lage brekingsindex polymeer zoals CYTOP16 of MY133-V200013. Dit laatste is een gefluoreerde ultraviolet (UV)-drogende acrylaat polymeer dat een soortgelijk aan water brekingsindex heeft (n = 1.33) en die compatibel is met zachte litho-technieken, waardoor een vlotte integratie in vele gevestigde microfluidic apparaat fabricage werkstromen. Dit maakt MY133-V2000 niet alleen geschikt voor de fabricage van microfluidic apparaat, maar ook in staat stelt om gemakkelijk gecombineerd worden met QPM en andere benaderingen microscopie, voor het meten van de cel probleem zowel op de kolonie op de schaal van een eencellige. MY133-V2000 elimineert artefacten als gevolg van fase uitpakken door het produceren van weinig of geen, faseverschuiving als lichte passen via de water-MY133-interface.
Hoewel het elimineren van de mismatch in brekingsindex, is een belangrijke uitdaging die zijn gekoppeld aan de apparaten vervaardigd uit gefluoreerde polymeren, zoals MY133-V2000, de lage hechting met andere materialen zoals glas of PDMS. Het huidige werk toont de fabricage van een MY133-V2000 microfluidic-apparaat met behulp van zachte lithografie. O2 plasma voor de behandeling van het oppervlak van zowel het kanaal en de PDMS substraat gecombineerd met een aangepaste-verzonnen acryl houder zorgt ervoor dat het apparaat voldoet aan de ondergrond, het creëren van een verzegelde kanaal. Dit apparaat is geschikt voor celkweek en QPM voor het meten van de massa van de cellen in het kanaal, dat belangrijke toepassingen heeft voor het meten van de groei van levende cellen en de intracellulaire vervoer van cel biomassa, die beide klinische relevantie in diagnose hebben geneeskunde en drug discovery.
Protocol
Representative Results
Discussion
MY133-V2000 kan worden gebruikt als alternatief voor traditionele zachte lithografie fabricage materialen zoals PDMS. Vorige werk heeft aangetoond dat materialen met een hoge brekingsindex, zoals PDMS, aanzienlijke artefacten in de buurt van het kanaal muren als gevolg van de verschillen indices van breking tussen het materiaal van de fabricage en de waterige oplossing binnen het kanaal invoeren 13. MY133-V2000 kan overeenkomen met de brekingsindex van het microfluidic apparaat aan de waterige opl…
Disclosures
The authors have nothing to disclose.
Acknowledgements
Dit werk werd gesteund door de Universiteit van Utah, Bureau van de ondervoorzitter voor onderzoek, alsook door middelen in combinatie met verlenen P30 CA042014 toegekend aan de jager Cancer Institute en op de CTR programma de jager Cancer Institute.
Materials
| MY133-V2000 | MY Polymers | MY133-V2000 | |
| Sylgard 184 | Ellsworth Adhesives | 184 SIL ELAST KIT 0.5KG | |
| Fisher Premium microscope slides | Fisher Scientific | 12-544-4 | |
| .118"(3.0mm) x 12" x 12" Acrylic Sheet | United States Plastic Corp | 44290 | |
| .060"(1.5mm) x 12" x 12" Acrylic Sheet | United States Plastic Corp | 44200 | |
| SCIGRIP 3 Very Fast Set Acrylic Cement | United States Plastic Corp | 45735 | |
| Standard Aluminum Foil (.6 mm thick) | VWR | 89107-726 | |
| Kim Wipes | Fisher Scientific | 06-666 | |
| Insta-Cure+ Super Glue | Bob Smith Industries | BSI-109 | |
| 1/8" PVC tubing | McMaster Carr | 5231K55 | |
| McCormick Food Coloring | Target | 13353207 | |
| X-Acto #1 Precision Knife | X-Acto | X3201 | |
| X-Acto #18 Heavyweight wood chiseling blade | X-Acto | X218 | |
| VWR Razor Blades | VWR | 55411-055 | |
| Surface Treated Cell Culture Dishes | Fisher Scientific | FBO12922 | |
| Fibronectin Human Plasma | Sigma-Aldritch | F0895-1MG | |
| Trypsin-EDTA 10x | Fisher Scientific | 15-400-054 | |
| Corning Dulbecco's Phosphate Buffered Saline | Fisher Scientific | MT21030CM | |
| Gibco Penicillin-Streptomycin | Fisher Scientific | 15-140-148 | |
| HyClone Nonessential Amino Acids 100x | Fisher Scientific | SH3023801 | |
| Fetal Bovine Serum | Omega Scientific | FB-12 | |
| Corning DMEM with L-glutamine and glucose | Fisher Scientific | MT10013CV | |
| Trichloro(1H,1H,2H,2H-perfluorooctyl)silane | Sigma-Aldritch | 448931 | Reacts violently with water |
| Ethanol, 200 proof Decon Labs | Fisher Scientific | 04-355-223 | |
| Acetone | Fisher Scientific | A18P-4 | |
| Bel-Art 42025 Plastic Dessicator | Cole-Parmer | EW-06514-30 | |
| Epilog Fusion Laser Cutter, 120 W | Epilog Laser | Epilog Fusion M2 32 Laser | |
| Isotemp Stirring Hotplate | Fisher Scientific | SP88850200 | |
| Ateco 14111 1.5 inch stainless steel cutter | Ateco | 14111 | |
| Pyrex Glass Cell Culture Dish | Fisher Scientific | 08-747B | |
| Radio Frequency Plasma Cleaner | Harrick Plasma | PDC-32G | Used with Oxygen gas |
| Black Hole Laboratories Digivac | Black Hole Laboratories | Model 215 | |
| Intelli-Ray Ultraviolet Oven | Uvitron | UVO338 | |
| Compact Spin Coater | MTI Corporation | VTC-100A | |
| Fisher Brand Isotemp Oven | Fisher Scientific | 15-103-0510 | Forced Air Convection |
| Gilson Positive Displacement Pipette P1000 | Fisher Scientific | FD10006G | |
| HeraCell VIOS 160i | Fisher Scientific | 13 998 212PM |
References
- Zare, R. N., Kim, S. Microfluidic platforms for single-cell analysis. Annual Review Biomedical Engineering. 12, 187-201 (2010).
- Neuzi, P., Giselbrecht, S., Lange, K., Huang, T. J., Manz, A. Revisiting lab-on-a-chip technology for drug discovery. Nature Reviews Drug Discovery. 11 (8), 620-632 (2012).
- Xu, W., et al. Cell stiffness is a biomarker of the metastatic potential of ovarian cancer cells. PLoS ONE. 7 (10), 46609 (2012).
- Karakas, H. E., et al. A microfluidic chip for screening individual cancer cells via eavesdropping on autophagy-inducing crosstalk in the stroma niche. Scientific Reports. 7 (1), 2050 (2017).
- DeBerardinis, R. J., Lum, J. J., Hatzivassiliou, G., Thompson, C. B. The biology of cancer: metabolic reprogramming fuels cell growth and proliferation. Cell Metabolism. 7 (1), 11-20 (2008).
- Yin, H., Marshall, D. Microfluidics for single cell analysis. Current Opinion in Biotechnology. 23 (1), 110-119 (2012).
- Kemper, B., et al. Monitoring of laser micromanipulated optically trapped cells by digital holographic microscopy. Journal of Biophotonics. 3 (7), 425-431 (2010).
- Barer, R. Interference micorscopy and mass determination. Nature. 169 (4296), 366-367 (1952).
- Zangle, T. A., Teitell, M. A. Live-cell mass profiling: an emerging approach in quantitative biophysics. Nature Methods. 11 (12), 1221-1228 (2014).
- Chun, J., et al. Rapidly quantifying drug sensitivity of dispersed and clumped breast cancer cells by mass profiling. Analyst. 137 (23), 5495-5498 (2012).
- Reed, J., et al. Live cell interferometry reveals cellular dynamism during force propagation. Acs Nano. 2 (5), 841-846 (2011).
- Eldridge, W. J., Steelman, Z. A., Loomis, B., Wax, A. Optical Phase Measurements of Disorder Strength Link Microstructure to Cell Stiffness. Biophysical Journal. 112 (4), 692-702 (2017).
- Kim, D. N. H., Kim, K. T., Kim, C., Teitell, M. A., Zangle, T. A. Soft lithography fabrication of index-matched microfluidic devices for reducing artifacts in fluorescence and quantitative phase imaging. Microfluidics and Nanofluidics. 22 (1), 11 (2018).
- Byron, M. L., Variano, E. A. Refractive-index-matched hydrogel materials for measuring flow-structure interactions. Experiments in Fluids. 54 (2), 6 (2013).
- Ogawa, T., Hanada, Y. Microfabrication of the UV transparent polymer CYTOP using a conventional pulsed green laser. Applied Physics a-Materials Science & Processing. 122 (3), 6 (2016).
- Hanada, Y., Ogawa, T., Koike, K., Sugioka, K. Making the invisible visible: a microfluidic chip using a low refractive index polymer. Lab on a Chip. 16 (13), 2481-2486 (2016).
- Zangle, T. A., Burnes, D., Mathis, C., Witte, O. N., Teitell, M. A. Quantifying biomass changes of single CD8+ T cells during antigen specific cytotoxicity. PLoS One. 8 (7), 68916 (2013).
- Huang, D., et al. High Speed Live Cell Interferometry: A New Method for Rapidly Quantifying Tumor Drug Resistance and Heterogeneity. Analytical Chemistry. 90 (5), 3299-3306 (2018).
- Mir, M., Bergamaschi, A., Katzenellenbogen, B. S., Popescu, G. Highly sensitive quantitative imaging for monitoring single cancer cell growth kinetics and drug response. PLoS ONE. 9 (2), 89000 (2014).
