Fabrication rapide d'appareils microfluidiques personnalisés pour la recherche et les applications éducatives
Summary
Ici, nous présentons un protocole pour concevoir et fabriquer des dispositifs microfluidiques personnalisés avec un minimum d’investissement financier et de temps. L’objectif est de faciliter l’adoption de technologies microfluidiques dans les laboratoires de recherche biomédicale et les milieux éducatifs.
Abstract
Les dispositifs microfluidiques permettent la manipulation de fluides, de particules, de cellules, d’organes ou d’organismes de taille micrométrique dans des canaux allant des échelles nanométriques aux échelles submillimétriques. L’augmentation rapide de l’utilisation de cette technologie dans les sciences biologiques a incité un besoin de méthodes accessibles à un large éventail de groupes de recherche. Les normes de fabrication actuelles, telles que la liaison PDMS, exigent des techniques lithographiques et de liaison coûteuses et longues. Une alternative viable est l’utilisation d’équipements et de matériaux qui sont facilement abordables, nécessitent une expertise minimale et permettent l’itération rapide des conceptions. Dans ce travail, nous décrivons un protocole pour la conception et la production de PET-laminates (PETLs), des dispositifs microfluidiques qui sont peu coûteux, faciles à fabriquer, et consomment beaucoup moins de temps à générer que d’autres approches de la technologie microfluidique. Ils se composent de feuilles de film thermiquement collées, dans lesquelles les canaux et autres caractéristiques sont définies à l’aide d’un coupeur d’artisanat. Les PETL résolvent des défis techniques spécifiques au terrain tout en réduisant considérablement les obstacles à l’adoption. Cette approche facilite l’accessibilité des dispositifs microfluidiques dans les milieux de la recherche et de l’éducation, offrant ainsi une plate-forme fiable pour de nouvelles méthodes de recherche.
Introduction
La microfluidique permet le contrôle des fluides à petite échelle, avec des volumes allant de microlitres (1 x 10-6 L) à picoliters (1 x 10-12 L). Ce contrôle a été rendu possible en partie grâce à l’application de techniques de microfabrication empruntées à l’industrie des microprocesseurs1. L’utilisation de micro-réseaux de canaux et de chambres permet à l’utilisateur de profiter des phénomènes physiques distincts caractéristiques des petites dimensions. Par exemple, à l’échelle du micromètre, les fluides peuvent être manipulés à l’aide d’écoulement laminaire, où les forces visqueuses dominent les forces inertielles. En conséquence, le transport diffusif devient la caractéristique principale de la microfluidique, et peut être étudié quantitativement et expérimentalement. Ces systèmes peuvent être correctement compris en utilisant les lois de Fick, la théorie du mouvement Brownian, l’équation de la chaleur, et / ou les équations Navier-Stokes, qui sont des dérivés importants dans les domaines de la mécanique des fluides et des phénomènes de transport2.
Étant donné que de nombreux groupes des sciences biologiques étudient des systèmes complexes au niveau microscopique, on pensait à l’origine que les dispositifs microfluidiques auraient un impact immédiat et significatif sur les applications de recherche en biologie2,3. Cela est dû au fait que la diffusion est dominante dans le transport de petites molécules à travers les membranes ou à l’intérieur d’une cellule, et que les dimensions des cellules et des micro-organismes correspondent parfaitement aux systèmes et dispositifs de sous-millimètres. Par conséquent, il y avait un potentiel important pour améliorer la façon dont l’expérimentation cellulaire et moléculaire est menée. Cependant, l’adoption massive de technologies microfluidiques par les biologistes a pris du retard par rapport aux attentes4. L’absence de transfert de technologie peut être une raison simple pour laquelle il n’y a pas de transfert de technologie. La conception et la fabrication d’appareils personnalisés sont restées juste en dehors des capacités de la plupart des groupes de recherche biologique, ce qui les rend dépendants de l’expertise et des installations externes. Le manque de familiarité avec les applications potentielles, le coût et le temps requis pour la conception-itération sont également des obstacles importants pour les nouveaux adoptants. Il est probable que ces obstacles ont eu pour effet de perturber l’innovation et d’empêcher l’application généralisée de la microfluidique pour relever les défis dans les sciences biologiques.
Un exemple : depuis la fin des années 1990, la photolithographie douce est la méthode de choix pour la fabrication d’appareils microfluidiques. Le PDMS (polydimethylsiloxane, un polymère organique à base de silicone) est un matériau largement utilisé en raison de ses propriétés physiques, telles que la transparence, la déformation et la biocompatibilité5. La technique a connu un grand succès, avec lab-on-a-chip et organ-on-a-chip dispositifs continuellement en cours de développement sur cette plate-forme6. La plupart des groupes travaillant sur ces technologies, cependant, se trouvent dans les départements d’ingénierie ou ont des liens étroits avec eux4. La lithographie nécessite généralement des salles blanches pour la fabrication de moules et d’équipements de collage spécialisés. Pour de nombreux groupes, cela rend les périphériques PDMS standard moins qu’idéal en raison de leurs coûts d’investissement et de temps de plomb, en particulier lorsqu’il est nécessaire d’apporter des modifications de conception répétées. En outre, la technologie est pour la plupart inaccessible au biologiste moyen et aux étudiants qui n’ont pas accès à des laboratoires d’ingénierie spécialisés. Il a été proposé que pour que les dispositifs microfluidiques soient largement adoptés, ils doivent imiter certaines des qualités des matériaux couramment utilisés par les biologistes. Par exemple, le polystyrène utilisé pour la culture cellulaire et les bioessais est peu coûteux, jetable et propice à la production de masse. En revanche, la fabrication industrielle de microfluidiques à base de PDMS n’a jamais été réalisée en raison de sa douceur mécanique, de l’instabilité du traitement de surface et de la perméabilité des gaz5. En raison de ces limitations, et dans le but de résoudre les défis techniques à l’aide d’appareils personnalisés construits “en interne”, nous décrivons une méthode alternative qui utilise la xurographie7,8,9 protocoles et laminage thermique. Cette méthode peut être adoptée avec peu de capital et d’investissement en temps.
Les PETL sont fabriqués à l’aide de film de polyéthylène téréphtalate (PET), recouvert de l’acétate thermoadhésif-vinyle (EVA). Les deux matériaux sont largement utilisés dans les produits de consommation, sont biocompatibles et sont facilement disponibles à un coût minimal10. Le film PET/EVA peut être obtenu sous forme de sachets ou de rouleaux laminants. À l’aide d’un coupe-artisanat contrôlé par ordinateur que l’on trouve couramment dans les magasins d’amateurs ou d’artisanat, les canaux sont découpés dans une seule feuille de film pour définir l’architecture de l’appareil11. Les canaux sont ensuite scellés en appliquant des couches supplémentaires de film (ou de verre) qui sont collées à l’aide d’un laminateur thermique(bureau)( Figure 1A). Des pare-chocs en vinyle perforés et autoadhésifs sont ajoutés pour faciliter l’accès aux canaux. Les temps de fabrication varient de 5 à 15 min, ce qui permet une itération rapide de la conception. Tous les équipements et matériaux utilisés pour fabriquer les PETL sont commercialement accessibles et abordables (coût de départ de 350 USD, contre des milliers d’USD pour la lithographie). Par conséquent, les PETL constituent une solution novatrice à deux problèmes principaux posés par la microfluidique conventionnelle : l’abordabilité et l’efficacité du temps (voir la comparaison PDMS/PETL dans les tableaux complémentaires 1, 2).
En plus de donner aux chercheurs la possibilité de concevoir et de fabriquer leurs propres appareils, les PETL peuvent être facilement adoptés en classe parce qu’ils sont simples et intuitifs à utiliser. Les PETLpeuvent peuvent être inclus dans les programmes d’études secondaires et collégiales8, où ils sont utilisés pour aider les élèves à mieux comprendre les concepts physiques, chimiques et biologiques, comme la diffusion, le flux laminaire, le micromélange, la synthèse des nanoparticules, la formation de gradients et la chimiotaxie.
Dans ce travail, nous illustrons le flux de travail global pour la fabrication de puces PETLs modèle avec différents niveaux de complexité. Le premier dispositif est utilisé pour faciliter l’imagerie des cellules et des micro-organes dans une petite chambre. Le deuxième dispositif, plus complexe se compose de plusieurs couches et matériaux, et est utilisé pour la recherche en mécanobiologie9. Enfin, nous avons construit un dispositif qui affiche plusieurs concepts de dynamique des fluides (mise au point hydrodynamique, flux laminaire, transport diffusif et micromixage) à des fins éducatives. Le flux de travail et les conceptions d’appareils présentés ici peuvent être facilement adaptés à un large éventail de fins dans les milieux de recherche et de classe.
Protocol
Representative Results
Discussion
Alors que la microfluidique est de plus en plus présente dans la boîte à outils des laboratoires du monde entier, le rythme d’adoption a été décevant, étant donné le potentiel de son impact positif16. Le faible coût et l’efficacité élevée de la fabrication d’appareils microfluidiques sont essentiels pour accélérer l’adoption de cette technologie dans le laboratoire de recherche moyen. La méthode décrite ici utilise plusieurs couches de film pour créer des dispositifs en deux et tr…
Disclosures
The authors have nothing to disclose.
Acknowledgements
Les travaux de ce manuscrit ont été soutenus en partie par la National Science Foundation (NSF) (Grant No. CBET-1553826) (et supplément DE ROA associé) et les National Institutes of Health (NIH) (Grant No. R35GM124935) à J.Z., et le fonds de la Faculté de visite Notre Dame Melchor à F.O. Nous tenons à remercier Jenna Sjoerdsma et Basar Bilgiçer d’avoir fourni des cellules de mammifères et des protocoles de culture et Fabio Sacco pour leur aide avec des chiffres supplémentaires.
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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