Ein mikrofluidischen Kanal mit verformbaren Seitenwangen bietet Flusskontrolle, Partikel Handling, Kanal Dimension Anpassung und andere Umgestaltungen während des Betriebs. Wir beschreiben eine Methode zur Herstellung von mikrofluidischen Kanal mit Seitenwänden, gemacht aus einem Array von Pins, die ihre Form ändern kann.
Mikrofluidische Komponenten müssen verschiedene Formen, verschiedene wichtige mikrofluidischen Funktionen wie mischen, Trennung, Partikel abfangen oder Reaktionen zu realisieren. Ein Mikrofluidik-Kanal, der auch nach der Fertigung unter Beibehaltung der Kanalform verformt sich ermöglicht hohe raumzeitliche Rekonfigurierbarkeit. Diese Rekonfigurierbarkeit ist in solchen wichtigen mikrofluidischen Funktionen erforderlich, die in bestehende “rekonfigurierbare” oder “integrierte” mikrofluidische Systeme schwer zu erreichen sind. Wir beschreiben eine Methode für die Herstellung eines mikrofluidischen Kanals mit einem verformbaren Seitenwand, bestehend aus einer seitlich ausgerichteten Array der Enden des rechteckigen Pins. Betätigung der Pins in ihrer Längsrichtung Richtungen ändert sich die Pins Endlagen, und damit die Form der diskretisierten Kanal Seitenwände. PIN Lücken verursachen unerwünschte Leckagen oder Adhäsion an benachbarten Pins durch Meniskus Kräfte verursacht. Um die Pin-Lücken zu schließen, haben wir Kohlenwasserstoff-Fluorpolymer Aussetzung-basierte Lückenfüller begleitet von einem gummielastischen Barriere eingeführt. Dieses rekonfigurierbare mikrofluidischen Gerät erzeugen starke zeitliche Verschiebung der im Kanal fließen oder den Fluss in jeder Region des Kanals stoppen kann. Dieses Feature wird auf Nachfrage, den Umgang mit nicht-Flüssigkeiten, Zellen, zähflüssigen Flüssigkeiten und Gasblasen erleichtern, auch wenn ihre Existenz oder Verhalten zum Zeitpunkt der Herstellung unbekannt ist.
Mikrofluidische Geräte – Kleinstunternehmen, die geringe Mengen an Flüssigkeit und ihre Bewegungen Steuern – bieten Miniaturisierung der biomedizinischen Verfahren in einem “” chipformat mit erhöhter Mobilität und oft, Erschwinglichkeit. Wie in den letzten Beitrag1beschrieben, wurden verschiedene mikrofluidische Komponenten bestehend aus Räumen und positiven Eigenschaften entwickelt, um Grund- und fluidische Funktionen wie mischen, Trennung, Partikel abfangen oder Reaktionen zu erkennen.
Während das Verhalten vieler mikrofluidischen Geräte in der Planungsphase bestimmt wird, können einige Arten von mikrofluidischen Geräten nach Herstellung Veränderungen ihrer Struktur oder Verhalten. Hier verweisen wir auf diese Funktion als “Rekonfigurierbarkeit”. Die Rekonfigurierbarkeit von mikrofluidischen Systemen in der Regel reduziert den Zeit- und Kostenaufwand Geräte zu entwickeln, bzw. ermöglicht die Anpassung der mikrofluidische Layout oder Funktionen im Laufe der Zeit.
Zuvor beschrieben rekonfigurierbare mikrofluidischen Geräte in den folgenden drei Kategorien fallen. In der ersten ermöglicht Verformung von Elastomeren Kanäle Durchflussmengen und Richtungen während der Nutzung verändert werden. Um Rekonfigurierbarkeit zu gewinnen, sind Elastomere Kanäle durch verschiedene externe und kontrollierbaren Kräfte wie pneumatische Quellen2, Braille Aktoren3oder Abdichtung4Kompression verformt. In der zweiten rekonfigurierbare Geräte setzen auf modularen Designs, wie z. B. fluidische Mehrlagenschaltungen, modulare Kanäle mit magnetischen interconnects, und Schlauch-basierte Mikrofluidik-5. In der dritten das Gerät selbst ist nicht rekonfigurierbare, aber Microdroplet Transport auf Elektrode Arrays (oft auch als digitale Mikrofluidik)6,7 und hängenden Tropfen-basierte mikrofluidischen Geräten8 ermöglichen auf Abruf Schalten von den Fluss oder die Route der Flüssigkeit.
Dennoch sind viele von diesen Rekonfigurationen topologische und makroskopischen Ebene beschränkt. Zum Beispiel viele integrierte mikrofluidische Geräte stoppen oder ändern die Flussrichtung von einstürzenden Mikrokanäle in vordefinierte Regionen. Die Position und Anzahl der Regionen reduziert werden, sind jedoch nicht rekonfigurierbare. Obwohl die digitalen Mikrofluidik eine Vielzahl von Flüssigkeit Umgang mit Fähigkeiten hat, sollten mögliche fließt weitgehend durch das Volumen jedes Tropfens begrenzt werden. Wenn Zellen in solchen Tröpfchen von Zellkulturmedien kultiviert werden, ist darüber hinaus zusätzlichen Aufwand erforderlich, Verdunstung und Gas Verlustleistung von Tröpfchen zu verhindern und Osmolalität Schock und plötzliche pH-Wert-Änderung zu vermeiden.
Um Kanal-Funktionsebene Rekonfigurierbarkeit zu realisieren, haben wir eine mikrofluidischen Gerät mit beweglichen Seitenwänden, die Arrays von Maschinenelementen dynamisch konfigurieren sie bei Verwendung9bestand vorgeschlagen. Um eine verformbare Seitenwand zu bilden, wurden kleine rechteckige Stifte aufgereiht, so dass jedes Ende der Stifte ein Segment der Seitenwand definiert. Schiebe die Stifte erlaubt die Verformung an der Seitenwand, die Transport erlaubt oder Strukturierung von Zellen, Luftblasen und Teilchen in den Kanal. Der Abstand zwischen benachbarten Pins musste um Totvolumen minimieren und maximieren Rekonfigurierbarkeit, minimiert werden. Jedoch starke Kapillarwirkung auf die kleine Lücken zwischen den Pins verbinden innen und außerhalb der Microchannel verursacht Austreten von Flüssigkeiten Eingabe den Pin-Abstand, wodurch Medien Verdunstung, bakterielle oder zytotoxische Kontamination und schließlich Zelle der Tod. Daher haben wir leckagefreie diskretisiert Seitenwand-Typ rekonfigurierbare mikrofluidische Kanäle entwickelt, die zyklische Pin Aktionen und langfristige Zelle Kultur10standhalten.
In diesem Artikel bieten wir ein Protokoll zur mikrofluidischen Zelle Kultur Gerät mit einem diskretisiert Seitenwand zu bauen, die nach der allmählichen Zunahme der Zelle Kulturkreis umgestaltet werden können. Luftdichtheit der diskreten Kanal Seitenwände getestet wird, mit Fluoreszenz-Bildgebung. Die Zellkultur Kompatibilität und die Fähigkeit der Zelle Musterung sind mit auf dem Chip Zellkultur ausgewertet.
Mikrofluidischen System ist geeignet, wenn entsprechende Channel-Design kann nicht vorgegeben werden und bei Bedarf geändert werden muss. Beispielsweise könnte dieses System verwendet werden, passen die Kanal-Breite und Flow Rate basierend auf dem Zellwachstum oder Migration Flow oder Falle aktiv Nematoden oder andere kleine Gegenstände, die sich unerwartet in den Kanal, Verhalten oder verschiedene raw-Proben oder Bioprodukte zu akzeptieren, wurden nicht noch zum Zeitpunkt der Konstruktion konzipiert.
Pin-diskretisierten Microchannel ist eine voll funktionsfähige mikrofluidischen Kanal, und wir glauben, dass es offensichtlich hohe Rekonfigurierbarkeit Kanalform im Vergleich zu bestehenden mikrofluidische Kanäle hat. Das Protokoll hier bereitgestellten ermöglicht mikrofluidischen Geräte Zellkultur mit sukzessive aus Zelle Kultur Fläche um die Kulturen unter Konfluenz für einen langen Zeitraum zu halten. Das Gerät bietet auch im Kanal Strukturierung von Zellen ohne Musterung Proteine auf das Substrat im Voraus oder eine andere Gegenleistung zum Zeitpunkt der Konstruktion oder Fertigung. Darüber hinaus erzeugt dieses rekonfigurierbare mikrofluidischen Gerät leicht stark im Kanal Verschiebung Flow, der helfen würde implementieren, Umgang mit solchen schwierigen Flow-Materialien, dass sehr wenige vorhandene mikrofluidischen Geräten verarbeiten können. Dies bedeutet, dass die Interaktion zwischen den Zellen und andere Mikroorganismen, Gase und andere nicht-Flüssigkeiten mit diesem Gerät ohne große Änderungen im Gerätedesign ausgewertet werden kann.
Wir haben überlegt, eine Bucht des Kanals als externe Flow Control-Methoden Laplace oder hydrostatischen Druck anwenden. Wir empfehlen nicht, drängen Flüssigkeit am Ende einer Sackgasse, weil es fließen in Richtung der Air-Vent-Kanal durch die Lücken zwischen Bolzen und der Decke/Boden des Kanals zu generieren. Viele flüssige Operationen erfordern keine solche Pin-Operationen. Zum Beispiel kann mischen durch Maischen Flüssigkeit durch einen Pin (d. h. nur ein Pin mehrere Male hin und her bewegen) erreicht werden.
Die wichtigsten Teile des Gerätes sind die Pins. Präzision in der Länge, sind Parallelität, Rechtwinkligkeit und Oberflächenqualität erforderlich für die Pins müssen eine Microchannel bilden, müssen leichtgängig, und muss die Bewegung der benachbarten Pins führen. Wir empfehlen daher, die Stifte von einer Firma bestellt werden müssen, die Präzisionsbearbeitung durch Vorlage einer Zeichnung ähnlich wie Abbildung 2Aspezialisiert. Möglicherweise gibt es Firmen, die erfordern zusätzliche Geometrische Dimensionierung und explizite Oberflächenrauhigkeit Richtungen. Jedoch sind die Pins wiederverwendbar, wenn sie mit Sorgfalt behandelt werden und gelegentlich mit Salpetersäure passiviert.
Die Elastomere-Schranke ist eine weitere wichtige Funktion, und seine Bildung ist der wichtigste Schritt in die Fertigungsprozesse des Geräts. Eine präzise gefräste Basis wird benötigt, um reproduzierbare und zuverlässige Ergebnisse zu erhalten. Platzieren der Pins auf die ausgehärtete Barriere ist auch ein entscheidender Schritt. Die Pins sind gut ausgerichtet und eingebettet in das Auffüllen von Lücken und ohne Luftblasen aufzubewahren. Diese Schritte verhindern Leckage durch die Stifte, die ist ein häufiges Problem mit diesem mikrofluidischen Gerät.
Weitere häufig auftretende Probleme bei der Verwendung dieses Geräts sind (a) kraftschlüssig zurückhaltende Pins und (b) Zelltod, und niedrige Wachstumsrate. Mögliche Ursachen für diese in einem) gehören ungleichmäßige (konisch oder gewellt) Ätzen der Pin Mitte, schlechte Qualität der geätzten Oberfläche und dreidimensionalen Außenseiter zwischen Pin-Tipp-Höhe und die Höhe der Photoresist Schicht auf eine Form für die Silikon-Platten. Anpassung der Formulierung Ätzmittel, Temperatur und Agitation kann dazu beitragen, die Pin-Bewegung. Darüber hinaus wird Testversion Montage ohne Verwendung von Wachs oder Klebstoff Hinweise zur Lösung des Problems bieten. Möglich Faktoren in b) sind nicht ausreichend Passivierung der Stifte, Fehler bei der Auswahl von Klebstoffen für Elastomere Barrieren und unvollständige Heilung der Klebstoffe. Einige Zellen erfordern Innenbeschichtung der mikrokanal mit FIBRONEKTIN, Proteine oder andere Polymere, die Zelladhäsion zu fördern. Darüber hinaus sinkt die Optimierung in der Zelle Kultur Praxis wie Trypsinization und Zentrifugation abgestorbene Zellen in der Microchannel.
Eine Einschränkung des Protokolls präsentiert Fertigung ist, dass nur einer von den Seitenwänden diskretisiert ist. Die Rekonfigurierbarkeit des Kanals wird weiter verbessern, wenn die beiden Seitenwände von Pin-Arrays gebaut werden. Obwohl es doppelt so viele Stifte und längere Fertigungsschritte benötigt, ist dies technisch realisierbar.
The authors have nothing to disclose.
Diese Forschung wurde durch KAKENHI (20800048, 23700543) unterstützt.
Oven | Yonezawa | MI-100 | |
10% Nitric Acid | Wako Chemicals | 149-06845 | |
Stainless steel pins | Micro Giken | N/A | 0.3 mm crosssection, Grade 316L stainless steel, wire-cut EDM |
Mold release agent | Fluoro Technology | FG-5093SH | |
Polydimethylsiloxane (PDMS) | Shin-Etsu Chemicals | KE-106 | |
Negative epoxy photoresist | Nippon Kayaku | SU-8 3050 | |
Coverglasses (Rectangular) | Matsunami Glass | 26 x 60mm No.4 | |
Acetone | Kanto Chemicals | 01060-79 | |
Glass slides (Large) | Matsunami Glass | 76 x 52mm No.1 | |
Silicone adhesive | Shin-Etsu Chemicals | KE-41 | |
White petrolatum | Nikko Rica | Sun White P-1 | |
Polytetrafluoroethylene (PTFE) powder | Power House Accele | Microfluon II | |
Clear acrylic plate (3 mm-thick) | Various | N/A | |
Pneumatic dispenser | Musashi Engineering | ML-5000XII | |
Hydrochloric acid | Kanto Chemicals | 180768-00 | |
Computer numerical control (CNC) mill | Pro Spec Tools | PSF240-CNC | |
End mill (4 mm diameter) | Mitsubishi Materials | MS2MSD0400 | |
End mill (1 mm diameter) | Mitsubishi Materials | MS2MSD0100 | |
Adhesive (chemical-resistant and low viscosity ) | Cotronics | Duralco 4460 | |
Borisilicate glass vials | Various | To prepare HNO3+HCl solution (Aqua regia). Always select borosilicate glass. | |
Sodium bicarbonate | Kanto Chemicals | 37116-00 | |
Ultrasonic cleaner | AS ONE | AS12GTU | |
Ultrasonic drill | Shinoda Tools | SOM-121 | Used as a ultrasonic homogenizer. |
Spin coater | Active | ACT-220DII | |
Hotplate | AS ONE | ND-1 | |
Photoplotted film (12,700 dpi) | Unno Giken | N/A | Negative image of the recess at the bottom of a PDMS slab are plotted. |
2-methoxy-1-methylethyl acetate | Wako Chemicals | 130-10505 | |
UV spot light source | Hamamatsu | L8327 | Ultraviolet source |
Nitrogen | Various | N/A | |
Vacuum desiccator and pump | AS ONE | MVD-100, GM-20S | |
Scalpels | Various | No.11 | |
Biopsy punches (1.0mm and 2.0mm) | Kai Medical | BP-10F(1.0m), BP-20F(2.0mm) | |
Glass engraving pen | Various | N/A | |
Cleaning solution | Tama Chemicals | TMSC | Dilute 1:100 with deionized water |
Sputter coater | San-yu Electron | SC-708 | For plasma bonding. |
Dispenser syringe (5 ml) | Musashi Engineering | PSY-5E | |
Plunger | Musashi Engineering | FLP-5E | |
Blunt needle (21G) | Musashi Engineering | PN-21G-B | |
Adapter tube | Musashi Engineering | AT-5E | |
Fermenter | Japan Kneader | PF100 | |
Green fluorescent dye (Alexa Fluor 488 carboxylic acid) | Thermo Fisher | A33077 | |
Large plastic dish | Greiner bio-one | 688161 | |
Absorbent paper | Asahi Kasei | BEMCOT M-1 | |
Inverted microscope | Leica | DMi8 | |
Microscope camera | Qimaging | Retiga 2000R | |
Dulbecco modified Eagle medium (DMEM) | GE Health Care | SH30021.01 | |
Antibiotic-antimycotic solution | Thermo Fisher | 15240-062 | |
Trypsin/EDTA solution | Thermo Fisher | 25200-056 | |
Phosphate buffered saline (PBS) | GE Health Care | SH30256.01 | |
Fetal bovine serum (FBS) | Biowest | S1820 | |
Cell counter | FPI | OC-C-S02 | |
Cell culture vessel | VIOLAMO | VTC-D100 | |
15 ml conical tube | Corning | 352095 | |
Shop microscope | PEAK | 2034-20 | |
Hand sprayer | FURUPLA | No.3530 | |
Coverglasses (Rectangular) | Matsunami Glass | 10 x 20mm No.4 | |
CAD/CAM software | Autodesk | Inventor HSM | |
Nitrogen gas pressure regulator | AS ONE | GF1-2506-RN-V | Set to 0.1 MPa |