Fabricación rápida de dispositivos microfluídicos personalizados para investigación y aplicaciones educativas
Summary
Aquí presentamos un protocolo para diseñar y fabricar dispositivos microfluídicos personalizados con una inversión financiera y de tiempo mínima. El objetivo es facilitar la adopción de tecnologías microfluídicas en laboratorios de investigación biomédica y entornos educativos.
Abstract
Los dispositivos microfluídicos permiten la manipulación de fluidos, partículas, células, órganos u organismos de tamaño micro en canales que van desde las escalas nanométricas hasta las submilimétricas. Un rápido aumento en el uso de esta tecnología en las ciencias biológicas ha provocado la necesidad de métodos accesibles para una amplia gama de grupos de investigación. Los estándares de fabricación actuales, como la unión PDMS, requieren técnicas litográficas y de unión costosas y que consumen mucho tiempo. Una alternativa viable es el uso de equipos y materiales que son fácilmente asequibles, requieren una experiencia mínima y permiten la rápida iteración de diseños. En este trabajo describimos un protocolo para diseñar y producir pet-laminados (PETL), dispositivos microfluídicos que son baratos, fáciles de fabricar y consumen significativamente menos tiempo para generar que otros enfoques de la tecnología de microfluídicos. Consisten en láminas de película de unión térmica, en las que los canales y otras características se definen mediante una cortadora artesanal. Los PETL resuelven desafíos técnicos específicos sobre el terreno y reducen drásticamente los obstáculos a la adopción. Este enfoque facilita la accesibilidad de los dispositivos microfluídicos tanto en entornos de investigación como educativos, proporcionando una plataforma fiable para nuevos métodos de investigación.
Introduction
La microfluídica permite el control de fluidos a pequeñaescala, con volúmenes que van desde microlitros (1 x 10-6 L) hasta picolitros (1 x 10-12 L). Este control ha sido posible en parte debido a la aplicación de técnicas de microfabricación tomadas de la industria de microprocesadores1. El uso de redes de micro-tamaño de canales y cámaras permite al usuario aprovechar los distintos fenómenos físicos característicos de pequeñas dimensiones. Por ejemplo, a la escala de micrómetros, los fluidos se pueden manipular utilizando flujo laminar, donde las fuerzas viscosas dominan las fuerzas inerciales. Como resultado, el transporte difuso se convierte en la característica prominente de los microfluídicos, y se puede estudiar cuantitativa y experimentalmente. Estos sistemas se pueden entender adecuadamente utilizando las leyes de Fick, la teoría del movimiento Browniano, la ecuación de calor y/o las ecuaciones Navier-Stokes, que son derivaciones importantes en los campos de la mecánica de fluidos y los fenómenos de transporte2.
Debido a que muchos grupos en las ciencias biológicas estudian sistemas complejos a nivel microscópico, originalmente se pensó que los dispositivos microfluídicos tendrían un impacto inmediato y significativo en las aplicaciones de investigación en biología2,3. Esto se debe a que la difusión es dominante en el transporte de moléculas pequeñas a través de membranas o dentro de una célula, y las dimensiones de las células y microorganismos son una coincidencia ideal para sistemas y dispositivos submilimétricos. Por lo tanto, había un potencial significativo para mejorar la forma en que se lleva a cabo la experimentación celular y molecular. Sin embargo, la amplia adopción de tecnologías microfluídicas por los biólogos se ha quedado atrás en las expectativas4. Una sencilla razón de la falta de transferencia de tecnología puede ser los límites disciplinarios que separan a los ingenieros y biólogos. El diseño y la fabricación de dispositivos personalizados se han mantenido justo fuera de las capacidades de la mayoría de los grupos de investigación biológica, lo que los hace dependientes de la experiencia e instalaciones externas. La falta de familiaridad con las aplicaciones potenciales, el costo y el tiempo necesario para la iteración del diseño también son barreras significativas para los nuevos adoptantes. Es probable que estas barreras hayan tenido el efecto de interrumpir la innovación y prevenir la aplicación generalizada de microfluídicos para hacer frente a los desafíos en las ciencias biológicas.
Un ejemplo: Desde finales de la fotolitografía suave de finales de 1990 ha sido el método de elección para la fabricación de dispositivos microfluídicos. PDMS (polidimetilsiloxano, polímero orgánico a base de silicona) es un material ampliamente utilizado debido a sus propiedades físicas, como la transparencia, la deformabilidad y la biocompatibilidad5. La técnica ha tenido un gran éxito, con dispositivos de laboratorio en un chip y de órgano en un chip que se desarrollan continuamente en esta plataforma6. La mayoría de los grupos que trabajan en estas tecnologías, sin embargo, se encuentran en departamentos de ingeniería o tienen fuertes lazos con ellos4. La litografía generalmente requiere salas limpias para la fabricación de moldes y equipos de unión especializados. Para muchos grupos, esto hace que los dispositivos PDMS estándar sean menos que ideales debido a sus costos de capital y tiempo de entrega, especialmente cuando es necesario realizar modificaciones de diseño repetidas. Además, la tecnología es en su mayoría inaccesible para el biólogo promedio y para los estudiantes sin acceso a laboratorios de ingeniería especializados. Se ha propuesto que para que los dispositivos microfluídicos sean ampliamente adoptados, deben imitar algunas de las cualidades de los materiales comúnmente utilizados por los biólogos. Por ejemplo, el poliestireno utilizado para el cultivo celular y los bioensayos es barato, desechable y susceptible de producción en masa. Por el contrario, la fabricación industrial de microfluídicos basados en PDMS nunca se ha realizado debido a su suavidad mecánica, inestabilidad en el tratamiento de la superficie y permeabilidad al gas5. Debido a estas limitaciones, y con el objetivo de resolver retos técnicos utilizando dispositivos personalizados construidos “in-house”, describimos un método alternativo que utiliza xurography7,8,9 protocolos y laminación térmica. Este método se puede adoptar con poca inversión de capital y tiempo.
Los PETLse fabrican con película de tereftalato de polietileno (PET), recubiertas con el acetato termoadhesivo de etileno-vinilo (EVA). Ambos materiales son ampliamente utilizados en productos de consumo, son biocompatibles y están fácilmente disponibles a un costo mínimo10. La película PET/EVA se puede obtener en forma de bolsas o rollos de laminado. Usando un cortador de artesanía controlado por computadora que se encuentra comúnmente en tiendas de aficionados o artesanías, los canales se cortan de una sola hoja de película para definir la arquitectura del dispositivo11. A continuación, los canales se sellan aplicando capas adicionales de película (o vidrio) que se unen mediante un laminador térmico (oficina)(Figura 1A). Se añaden parachoques de vinilo perforados y autoadhesivos para facilitar el acceso a los canales. Los tiempos de fabricación varían de 5 a 15 min, lo que permite una rápida iteración del diseño. Todos los equipos y materiales utilizados para fabricar PETLs son comercialmente accesibles y asequibles (<350 USD costo de partida, en comparación con miles de USD para litografía). Por lo tanto, los PETL proporcionan una solución novedosa a dos problemas principales planteados por los microfluídicos convencionales: asequibilidad y eficacia del tiempo (véase la comparación PDMS/PETL en los cuadros suplementarios 1, 2).
Además de proporcionar a los investigadores la oportunidad de diseñar y fabricar sus propios dispositivos, los PETLs se pueden adoptar fácilmente en el aula porque son simples e intuitivos de usar. Los PETLs se pueden incluir en los planes de estudios de bachillerato y universidad8,donde se utilizan para ayudar a los estudiantes a entender mejor los conceptos físicos, químicos y biológicos, como la difusión, el flujo laminar, la micromezcla, la síntesis de nanopartículas, la formación de gradientes y la quimiotaxis.
En este trabajo ilustramos el flujo de trabajo general para la fabricación de chips PETL sin modelos con diferentes niveles de complejidad. El primer dispositivo se utiliza para facilitar la toma de imágenes de células y microórganos en una cámara pequeña. El segundo dispositivo, más complejo consta de varias capas y materiales, y se utiliza para la investigación en mecanobiología9. Por último, construimos un dispositivo que muestra varios conceptos de dinámica de fluidos (enfoque hidrodinámico, flujo laminar, transporte difuso y micromezcla) con fines educativos. El flujo de trabajo y los diseños de dispositivos presentados aquí se pueden adaptar fácilmente para una amplia gama de propósitos tanto en la investigación como en la configuración del aula.
Protocol
Representative Results
Discussion
Si bien los microfluidos están cada vez más presentes en la caja de herramientas de los laboratorios de todo el mundo, el ritmo de adopción ha sido decepcionante, dado el potencial de su impacto positivo16. El bajo costo y la alta eficiencia de la fabricación de dispositivos microfluídicos son esenciales para acelerar la adopción de esta tecnología en el laboratorio de investigación promedio. El método descrito aquí utiliza varias capas de película para crear dispositivos bidimensionale…
Disclosures
The authors have nothing to disclose.
Acknowledgements
El trabajo de este manuscrito fue apoyado en parte por la National Science Foundation (NSF) (Grant No. CBET-1553826) (y suplemento ROA asociado) y los Institutos Nacionales de Salud (NIH) (No de concesión. R35GM124935) a J.Z., y el fondo de la Facultad de Visitas de Notre Dame Melchor a F.O. Nos gustaría dar las gracias a Jenna Sjoerdsma y Basar Bilgiser por proporcionar células de mamíferos y protocolos de cultivo y a Fabio Sacco por la asistencia con figuras suplementarias.
Materials
| Biopsy punch (1mm) | Miltex | 33-31AA | Optional, replaces rotary tool set up |
| Blunt needles | Janel, Inc. | JEN JG18-0.5X-90 | Remove plastic and attach to Tygon tubing |
| Coverslips | Any | 24 x 60 mm are preferred | |
| Cutting Mat and blades | Silhouette America or Nicapa | www.silhouetteamerica.com/shop/blades-and-mats | Re-use/Disposables |
| Double-sided tape | Scotch/3M | 667 | Small amounts, any width or brand |
| PEEK tubing | IDEX/any | 1581L | Different configurations available. Consider using Tygon tubing intead, if not already using PEEK |
| PET/EVA thermal laminate film | Scotch/3M & Transcendia | TP3854-200,TP5854-100 & transcendia.com/products/trans-kote-pet | 3 – 6 mil (mil = 1/1000 inch) laminating pouches or rolls. |
| PVC film – Cling Wrap | Glad / Any | Food wrapping | |
| Rotary tool-drill | Dremel/Any | 200-121 or other | 1/32 and 3/64" drill bits from Dremel recommended |
| Rubber Roller | Speedball | 4126 | To facilitate adhesion, any brand will work |
| Scissors & tweezers | Any | Fiskars-Inch-Titanium-Softgrip-Scissors |Cole-Parmer –# UX-07387-12 | Quality brands are recommended |
| Silhouette CAMEO Craft cutter | Silhouette America | www.silhouetteamerica.com/shop/cameo/SILHOUETTE-CAMEO-3-4T | Preferred craft cutter |
| Silhouette Studio software | Silhouette America | www.silhouetteamerica.com/software | Controls the craft cutter and provides drawing tools (free download MAC and PC) |
| Syringe Pump | Harvard Apparatus or New Era | 70-4504 or NE-300 | Pumps are ideal, pipettes or burettes can be used. |
| Syringes | Any | 1-3mL | |
| Thermal laminator | Scotch/3M | TL906 | Standard home/office model |
| Tygon tubing (E-3603) | Cole-Parmer | EW-06407-70 | Use with blunt needle tips |
| Vinyl furniture bumpers | DerBlue/3M/ Everbilt | Clear, self-adhesive (6 x 2 mm and 8 x 3 mm) | Round bumpers are recommended |
References
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