一种具有可变形壁的微流控通道, 在使用时提供流量控制、粒子处理、信道维度定制等重新配置。我们描述了一种制造微流控通道的方法, 壁由一组引脚组成, 使其形状可以改变。
微流控元件需要有不同的形状, 以实现不同的关键微流控功能, 如混合, 分离, 粒子捕集, 或反应。在保持通道形状的情况下, 即使在制造过程中变形的微流控通道也能使高时空 reconfigurability。在现有的 “可重构” 或 “集成” 微流控系统中难以实现的关键微流控函数中, 需要这种 reconfigurability。我们描述了一种制造微流控通道的方法, 可变形侧壁由矩形销两端的侧向排列的阵列组成。在它们的纵向方向上驱动针脚会改变针脚的端点位置, 因此, 离散通道壁的形状。针隙可能导致不必要的泄漏或粘附在相邻的针脚造成的半月板力。为弥合引脚间隙, 我们引进了含烃类氟聚合物悬浮式缝隙填料, 并附有弹性屏障。这种可重构微流控装置可以产生强时间的通道内位移流, 也可以在通道的任何区域停止流动。这项功能将促进, 根据需要, 处理细胞, 粘性液体, 气泡和非流体, 即使他们的存在或行为是未知的, 在制造时。
微流控装置-控制少量液体及其流动的微型设备–将生物医学程序小型化为 “芯片” 格式, 增加了可移植性, 而且往往是负担得起的。如最近的一次审查1所述, 开发了各种由空间和正则特性组成的微流控元件, 以实现混合、分离、微粒捕集或反应等基本和关键射流功能。
虽然许多微流控器件的行为是在设计阶段确定的, 但一些微流控装置允许对其结构或行为进行后期加工改变。在这里, 我们将此功能称为 “reconfigurability”。微流控系统的 reconfigurability 通常会减少设计设备所需的时间和成本, 并且/或能够随时定制微流控布局或功能。
以前描述的可重构微流控装置分为以下三类。首先, 弹性通道的变形允许在使用过程中改变流速和方向。为了获得 reconfigurability, 弹性通道由各种外部和可控制的力量变形, 如气压源2、盲文执行器3或压缩密封4。在第二种情况下, 可重构设备依赖于模块化设计, 如多层射流电路、带磁性互连的模块化通道和基于油管的微流体 5.第三, 设备本身不可重构, 但 microdroplet 在电极阵列上的传输 (通常称为数字微流体) 6、7和挂起式微流控装置8启用按需 流体的流动或路线的开关。
然而, 许多这些重新配置在拓扑和宏观水平上是有限的。例如, 许多集成的微流控设备通过在预定义区域中折叠微来停止流或改变流方向。但是, 要折叠的区域的位置和数量是不可重构的。虽然数字微流体具有多种流体处理能力, 但可能的流量应主要受每个液滴体积的限制。此外, 当细胞培养成这样的细胞培养基的水滴, 需要额外的努力, 以防止蒸发和气体消散的水滴, 避免渗透冲击和突然 pH 变化。
为了实现信道特征级 reconfigurability, 我们提出了一种具有移动壁的微流控装置, 它由机器元件阵列组成, 在使用9时可以动态地重新配置它们。为了形成一个可变形的侧壁, 小的长方形别针被排列了, 因此每个别针的末端定义了侧壁的部分。滑动的针脚允许的变形的侧壁, 允许运输或模式的细胞, 气泡, 和粒子在通道内。为了最小化死容量和最大化 reconfigurability, 相邻针脚之间的距离必须最小化。然而, 对连接在微通道内部和外部的针脚之间小间隙的强毛细管作用会导致任何液体进入针隙, 导致介质蒸发、细菌或细胞毒性污染, 最终细胞死亡。因此, 我们开发了无泄漏的离散侧壁型可重构微流控通道, 可以承受循环针动作和长期细胞培养10。
在这篇文章中, 我们提供了一个协议, 建立一个离散侧壁的微流化细胞培养装置, 可以重新配置后, 细胞培养区的逐步增加。利用荧光成像技术对离散通道壁的密封性进行了测试。利用片上细胞培养方法对细胞培养相容性和细胞模式能力进行评价。
这种微流控系统适用于任何适当的渠道设计不能预先确定, 必须改变的需求。例如, 该系统可用于根据细胞生长或迁移调整通道宽度和流速, 流动或诱捕活动线虫或其他在通道中异常行为的小物件, 或接受各种原始样品或生物制品,在设计时尚未构思。
引脚离散微通道是一种全功能的微流控通道, 我们认为与任何现有的微流控通道相比, reconfigurability 在通道形状上具有明显的高。我们在这里提供的协议将使细胞培养能够逐渐扩大细胞培养表面积的微流控装置能够长期保持融合下的培养。该装置还将在设计或制造时事先或任何其他考虑, 提供在基质中无图案蛋白质的细胞在通道内的图案。此外, 这种可重构微流控装置容易产生强大的通道位移流, 这将有助于实现处理这些难以流动的材料, 很少有现有的微流控设备可以处理。这意味着, 细胞和其他微生物、气体和其他非流体之间的相互作用可以使用该设备进行评估, 而不需要对设备设计进行大的修改。
我们考虑将拉普拉斯压力或静水压压力应用于通道的一个入口, 作为外部流量控制方法。我们不建议将液体推向死胡同, 因为它会通过针脚与通道的天花板/地板之间的缝隙产生流向排气通道的气流。许多流体操作不需要这样的 pin 操作。例如, 混合可以通过一个引脚 (即,只移动一个针来回几次) 的糖化液来完成。
设备最关键的部分是针脚。针脚需要精确的长度、平行度、垂直度和表面质量, 因为它们必须形成微通道, 必须平稳移动, 并且必须引导相邻针脚的移动。因此, 我们建议将针脚从专门进行精密加工的公司订购, 并提交类似于图 2a的绘图。可能有公司需要额外的几何尺寸和明确的表面粗糙度方向。但是, 如果这些别针是小心处理的, 偶尔用硝酸钝化, 这些针脚是可重用的。
弹性屏障是另一个关键特征, 其形成是器件制造过程中最关键的一步。为了获得可重复和可靠的结果, 需要一个精确加工的底座。在成灾屏障上放置针脚也是一个关键步骤。引脚应保持良好的对准, 并嵌入缝隙填料和屏障, 没有气泡。这些步骤防止泄漏通过引脚, 这是一个常见的问题, 这个微流控装置。
使用此设备的其他常见问题是: 摩擦约束引脚, b) 细胞死亡和低生长速率。可能的原因为这些在 a) 包括不均匀 (锥形或波浪) 蚀刻的针中间, 腐蚀表面的质量较差, 以及针尖端高度和光刻胶层高度之间的尺寸不匹配的硅板模具。调整蚀刻配方, 温度和搅拌可能有助于改善针运动。此外, 试件不使用蜡或胶粘剂将提供提示, 以解决问题。可能的因素在 b) 是没有足够的钝化的针脚, 在选择胶粘剂的弹性障碍, 和不完全固化胶粘剂。有些细胞可能需要在微通道内的涂层与纤维连接蛋白或其他蛋白质或聚合物, 促进细胞黏附。此外, 优化在细胞培养实践如 trypsinization 和离心将减少死细胞在微通道。
所提出的制造协议的一个局限性是, 只有一个壁被离散化。如果两个壁都是由 pin 阵列构建的, 则通道的 reconfigurability 将进一步提高。虽然它需要加倍的针脚数量和更长的制造步骤, 这是一个技术上可行的选择。
The authors have nothing to disclose.
这项研究得到了 KAKENHI (20800048, 23700543) 的支持。
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 |