ثلاثي الأبعاد طباعة المواد الحرارية لخلق الآلي المحاقن مضخات مع مراقبة التغذية المرتدة للتطبيقات موائع جزيئية
Summary
نقدم هنا بروتوكولا لبناء مضخة حقنه تسيطر عليها ضغط لاستخدامها في تطبيقات موائع جزيئية. هذه المضخة محقنة مصنوعة من الجسم ثنائيو المصنعة والأجهزة الجاهزة والإلكترونيات مفتوحة المصدر. النظام الناتجة منخفضة التكلفة، ومباشرة لبناء، ويسلم تدفق السائل جيد التنظيم لتمكين البحث السريع موائع جزيئية.
Abstract
ميكروفلويديكس أصبحت أداة حاسمة في البحث عبر البيولوجية، والكيميائية، والعلوم الفيزيائية. أحد المكونات الهامة للتجريب موائع جزيئية سائل مستقرة التعامل مع نظام قادر على توفير دقة معدل التدفق مدخل أو الضغط مدخل. هنا، قمنا بتطوير نظام ضخ حقنه قادرة على السيطرة وتنظيم ضغط السائل مدخل تسليمها إلى جهاز موائع جزيئية. تم تصميم هذا النظام باستخدام مواد منخفضة التكلفة ومبادئ التصنيع المضافة، الاستفادة من الطباعة ثلاثية الأبعاد (3D) المواد الحرارية والمكونات الجاهزة كلما كان ذلك ممكناً. يتكون هذا النظام من ثلاثة عناصر رئيسية: مضخة الحقن، ضغط على المفاتيح ومتحكم القابلة لبرمجة. ضمن هذه الورقة، ونحن بالتفصيل مجموعة من البروتوكولات لاختلاق وتجميع وبرمجة هذا النظام مضخة الحقن. وعلاوة على ذلك، أدرجنا النتائج التمثيلية التي تثبت عالية الدقة، مراقبة التغذية المرتدة من مدخل الضغط باستخدام هذا النظام. ونحن نتوقع هذا البروتوكول سوف تسمح للباحثين افتعال أنظمة ضخ حقنه منخفضة التكلفة، خفض حاجز الدخول لاستخدام ميكروفلويديكس الكيميائية في الطب الأحيائي، وبحوث المواد.
Introduction
أصبحت موائع جزيئية أدوات مفيدة للعلماء في مجال البحوث البيولوجية والكيميائية. نظراً لانخفاض حجم الاستخدام، وقدرات القياس السريع، والتشكيلات الجانبية لتدفق محددة تحديداً جيدا، وقد اكتسب ميكروفلويديكس الجر في الجينوم والبروتين البحث والفرز الفائق، والتشخيصات الطبية، وتكنولوجيا النانو وخلية واحدة تحليل1،2،،من34. وعلاوة على ذلك، يتيح مرونة تصميم الجهاز موائع جزيئية سهولة بحوث العلوم الأساسية، مثل التحقيق في ديناميات الزمانية المكانية للمستعمرات البكتيرية مثقف5.
قد وضعت العديد من أنواع أنظمة حقن السوائل دقة تقديم تدفق إلى أجهزة موائع جزيئية. تتضمن أمثلة هذه النظم حقن تحوي و مضخات تدوير6و أنظمة تحكم الضغط7، والمحاقن مضخات8. نظم حقن هذه، بما في ذلك مضخات الحقن، تتكون غالباً من مكونات الدقة تكلفة إجراء هندسة عكسية. ويضيف زيادة هذه النظم مع مراقبة التغذية المرتدة مغلقة للضغط في تدفق الإخراج إلى التكلفة لهذه النظم. ردا على ذلك، أننا سبق أن وضعت نظام ضخ حقنه قوية، منخفضة التكلفة يستخدم مراقبة التغذية المرتدة مغلقة لتنظيم تدفق أنتج الضغط. باستخدام التحكم في الضغط مغلقة، هو الحاجة إلى تكلفة المكونات المهندسة الدقة ملغاة9.
التركيبة من الأجهزة 3D-الطباعة بأسعار معقولة وحدوث نمو كبير في البرمجيات المفتوحة المصدر المرتبطة بها جعلت تصميم وتصنيع أجهزة موائع جزيئية متزايد متاحة للباحثين من مختلف التخصصات10. بيد أن النظم المستخدمة للسوائل بالسيارة من خلال هذه الأجهزة لا تزال باهظة الثمن. ولتلبية هذه الحاجة لإنشاء نظام مراقبة السوائل منخفضة التكلفة، قمنا بتطوير تصميم التي يمكن أن تكون ملفقة من الباحثين في المختبر، ويتطلب سوى عدد قليل من الخطوات الجمعية. على الرغم من جمعيتها منخفضة التكلفة وبسيطة، هذا النظام يمكن أن توفر التحكم بالانسياب الدقيق ويوفر بديلاً لأنظمة مضخة حقنه المتاحة تجارياً، حلقة مغلقة، التي يمكن أن تكون باهظة التكاليف.
هنا، نحن نقدم البروتوكولات للبناء واستخدام حلقة المغلقة تسيطر المحاقن نظام مضخة وضعنا (الشكل 1). السائل التعامل مع نظام يتكون من مضخة حقنه البدنية مستوحاة من دراسة سابقة11ومتحكم، وجهاز استشعار ضغط بيزوريسيستيفي. عند تجميعها وبرمجتها مع وحدة تحكم (PID) نسبي-متكاملة-مشتق، النظام قادرة على تحقيق تدفق جيد التنظيم، التي تعتمد على الضغط لأجهزة موائع جزيئية. وهذا يوفر بديلاً منخفض التكلفة ومرنة للمنتجات التجارية ذات التكلفة العالية، تمكين مجموعة أوسع نطاقا من الباحثين لاستخدام ميكروفلويديكس في عملهم.
Protocol
Representative Results
Discussion
هنا، قدمنا تصميم جديد لنظام مضخة الحقن مع مراقبة الضغط مغلقة. وتحقق ذلك بإدماج مضخة طباعة 3D المحاقن مع جهاز استشعار ضغط بيزوريسيستيفي ومتحكم المصدر المفتوح. باستخدام وحدة تحكم PID، كنا قادرين على التحكم في الضغط مدخل من الدقة وتوفر أوقات استجابة سريعة بينما في نفس الوقت الحفاظ على الاستقرا…
Divulgaciones
The authors have nothing to disclose.
Acknowledgements
يعترف الكتاب الدعم من “مكتب الأبحاث البحرية” جوائز N00014-17-12306 و N00014-15-1-2502، فضلا عن منح من “مكتب القوات الجوية للبحث العلمي” FA9550-13-1-0108 ومؤسسة العلوم الوطنية المنحة رقم 1709238.
Materials
| Arduino IDE | Arduino.org | Arduino Uno R3 control software | |
| Header Connector, 2 Positions | Digi-Key | WM4000-ND | |
| Header Connector, 3 Positions | Digi-Key | WM4001-ND | |
| Header Connector, 4 Positions | Digi-Key | WM4002-ND | |
| Hook-up Wire, 22 Gauge, Black | Digi-Key | 1528-1752-ND | |
| Hook-up Wire, 22 Gauge, Blue | Digi-Key | 1528-1757-ND | |
| Hook-up Wire, 22 Gauge, Red | Digi-Key | 1528-1750-ND | |
| Hook-up Wire, 22 Gauge, White | Digi-Key | 1528-1768-ND | |
| Hook-up Wire, 22 Gauge, Yellow | Digi-Key | 1528-1751-ND | |
| Instrumentation Amplifier | Texas Instruments | INA122P | |
| Microcontroller, Arduino Uno R3 | Arduino.org | A000066 | |
| Mini Breadboard | Amazon | B01IMS0II0 | |
| Power Supply | BK Precision | 1550 | |
| Pressure Sensor | PendoTech | PRESS-S-000 | |
| Rectangular Connectors, Housings | Digi-Key | WM2802-ND | |
| Rectangular Connectors, Male | Digi-Key | WM2565CT-ND | |
| Resistors, 10k Ohm | Digi-Key | 1135-1174-1-ND | |
| Resistors, 330 Ohm | Digi-Key | 330ADCT-ND | |
| Stepper Motor Driver, EasyDriver | Digi-Key | 1568-1108-ND | |
| USB 2.0 Cable, A-Male to B-Male | Amazon | PC045 | |
| 3D Printed Material, Z-ABS | Zortrax | A variety of colors are available | |
| 3D Printer | Zortrax | M200 | Printing out the syringe pump components |
| Ball Bearing, 17x6x6mm | Amazon | B008X18NWK | |
| Hex Machine Screws, M3x16mm | Amazon | B00W97MTII | |
| Hex Machine Screws, M3x35mm | Amazon | B00W97N2UW | |
| Hex Nut, M3 0.5 | Amazon | B012U6PKMO | |
| Hex Nut, M5 | Amazon | B012T3C8YQ | |
| Lathe Round Rod | Amazon | B00AUB73HW | |
| Linear Ball Bearing | Amazon | B01IDKG1WO | |
| Linear Flexible Coupler | Amazon | B010MZ8SQU | |
| Steel Lock Nut, M3 0.5 | Amazon | B000NBKLOQ | |
| Stepper Motor, NEMA-17, 1.8o/step | Digi-Key | 1568-1105-ND | |
| Syringe, 10mL, Luer-Lok Tip | BD | 309604 | |
| Threaded Rod | Amazon | B01MA5XREY | |
| 1H,1H,2H,2H-Perfluorooctyltrichlorosilane | FisherScientific | AAL1660609 | |
| Camera Module | Raspberry Pi Foundation | V2 | |
| Compact Oven | FisherScientific | PR305220G | Baking PDMS pre-polymer mixture and the device |
| Dispensing Needle, 22 Gauge | McMaster-Carr | 75165A682 | |
| Dispensing Needle, 23 Gauge | McMaster-Carr | 75165A684 | |
| Fisherbrand Premium Cover Glasses | FisherScientific | 12-548-5C | |
| Glass Culture Petri Dish, 130x25mm | American Educational Products | 7-1500-5 | |
| Plasma Cleaner | Harrick Plasma | PDC-32G | Binding the cover glass with the PDMS device |
| Razor Blades | FisherScientific | 7071A141 | |
| Scotch Magic Tape | Amazon | B00RB1YAL6 | |
| Single-board Computer | Raspberry Pi Foundation | Raspberry Pi 2 model B | |
| Smart Spatula | FisherScientific | EW-06265-12 | |
| Sylgard 184 Silicone Elastomer Kit | FisherScientific | NC9644388 | |
| Syringe Filters | Thermo Scientific | 7252520 | |
| Tygon Tubing | ColeParmer | EW-06419-01 | |
| Vacuum Desiccator | FisherScientific | 08-594-15C | Degasing PDMS pre-polymer mixture and coating fluorosilane on the master mold |
| Weighing Dishes | FisherScientific | S67090A |
Referencias
- Sackmann, E. K., Fulton, A. L., Beebe, D. J. The present and future role of microfluidics in biomedical research. Nature. 507 (7491), 181-189 (2014).
- Duncombe, T. A., Tentori, A. M., Herr, A. E. Microfluidics: reframing biological enquiry. Nature Reviews Molecular Cell Biology. 16 (9), 554-567 (2015).
- Prakadan, S. M., Shalek, A. K., Weitz, D. A. Scaling by shrinking: empowering single-cell ‘omics’ with microfluidic devices. Nature Reviews Genetics. 18 (6), (2017).
- Kim, Y., Langer, R. Microfluidics in nanomedicine. Reviews in Cell Biology and Molecular Medicine. 1, 127-152 (2015).
- Rusconi, R., Garren, M., Stocker, R. Microfluidics expanding the frontiers of microbial ecology. Annual Review of Biophysics. 43, 65-91 (2014).
- Skafte-Pedersen, P., Sabourin, D., Dufva, M., Snakenborg, D. Multi-channel peristaltic pump for microfluidic applications featuring monolithic PDMS inlay. Lab on a Chip. 9 (20), 3003-3006 (2009).
- Heo, Y. J., Kang, J., Kim, M. J., Chung, W. K. Tuning-free controller to accurately regulate flow rates in a microfluidic network. Scientific Reports. 6, 23273 (2016).
- Kuczenski, B., LeDuc, P. R., Messner, W. C. Pressure-driven spatiotemporal control of the laminar flow interface in a microfluidic network. Lab on a Chip. 7 (5), 647-649 (2007).
- Lake, J. R., Heyde, K. C., Ruder, W. C. Low-cost feedback-controlled syringe pressure pumps for microfluidics applications. PLoS One. 12 (4), (2017).
- Kong, D. S., et al. Open-source, community-driven microfluidics with metafluidics. Nature Biotechnology. 35 (6), 523-529 (2017).
- Wijnen, B., Hunt, E. J., Anzalone, G. C., Pearce, J. M. Open-source syringe pump library. PLoS One. 9 (9), e107216 (2014).
- Ferry, M. S., Razinkov, I. A., Hasty, J. Microfluidics for synthetic biology: from design to execution. Methods in Enzymology. , 295-372 (2011).
- . Arduino Libraries for Timer.h Available from: https://github.com/JChristensen/Timer (2018)
- . Arduino Libraries for AccelStepper.h Available from: https://github.com/adafruit/AccelStepper (2018)
- Lin, F., et al. Generation of dynamic temporal and spatial concentration gradients using microfluidic devices. Lab on a Chip. 4 (3), 164-167 (2004).
- Korczyk, P. M., Cybulski, O., Makulska, S., Garstecki, P. Effects of unsteadiness of the rates of flow on the dynamics of formation of droplets in microfluidic systems. Lab on a Chip. 11 (1), 173-175 (2011).
