ייצור מהיר של התקני מיקרופלואידיג מותאמים אישית למחקר וליישומים חינוכיים
Summary
כאן אנו מציגים פרוטוקול כדי לעצב והרכיבו מכשירים מיקרופלואידים מותאמים אישית עם השקעה פיננסית וזמן מינימלי. המטרה היא להקל על אימוץ טכנולוגיות microflu, מעבדות מחקר ביו והגדרות חינוכיות.
Abstract
התקנים מיקרופלואידיג מאפשרים מניפולציה של נוזלים, חלקיקים, תאים, מיקרו בגודל איברים או אורגניזמים בערוצים הנע בין הננו לקשקשים subמילימטר. עלייה מהירה בשימוש בטכנולוגיה זו במדעי הביולוגיה מבקשת צורך בשיטות הנגישות למגוון רחב של קבוצות מחקר. תקני הייצור הנוכחיים, כגון חיבור PDMS, דורשים שיטות ליטוגרפיה יקרות ומליטה בזמן. חלופה ברת קיימא היא השימוש בציוד ובחומרים הסבירים בקלות, דורשות מומחיות מינימלית ומאפשרים איטרציה מהירה של עיצובים. בעבודה זו אנו מתארים פרוטוקול לעיצוב והפקת PET-ציפויים (PETLs), התקנים microfluidic זול, קל להמציא, וצורכים פחות זמן באופן משמעותי כדי ליצור מאשר גישות אחרות לטכנולוגיה microfluiאידיקה. הם מורכבים מגיליונות סרטים בונדד, בהם ערוצים ותכונות אחרות מוגדרים באמצעות חותך כלי שיט. PETLs לפתור אתגרים טכניים ספציפיים השדה תוך הפחתת מכשולים באופן דרמטי לאימוץ. גישה זו מקלה על נגישות התקנים מיקרופלואידיקה הן במסגרת המחקר והן במסגרת החינוך, ומספקת פלטפורמה אמינה לשיטות החקירה החדשות.
Introduction
מיקרופלואידיקה מאפשרת שליטה בנוזלים בקנה מידה קטן, עם אמצעי אחסון הנעים החל ממיקרו ליטר (1 x 10-6 l) כדי picoliters (1 x 10-12 l). שליטה זו הפכה אפשרית בחלק עקב היישום של טכניקות מיקרוייצור שאולים מתעשיית המיקרו מיקרו1. השימוש ברשתות מיקרו בגודל של ערוצים ותאי מאפשר למשתמש לנצל את התופעות הפיזיות הנפרדות האופייניות לממדים קטנים. לדוגמה, בקנה מידה מיקרומטר, ניתן לטפל בנוזלים באמצעות זרימה מדורגת, כאשר כוחות הצמיגה שולטים בכוחות האינרציה. כתוצאה מכך, התחבורה המתדלקת הופכת לתכונה הבולטת של microfluidics וניתן ללמוד ככמת ונסבית. ניתן להבין את המערכות הללו באמצעות חוקיו של Fick, תאוריית התנועה הבראונית, משוואת החום ו/או משוואות Navier-סטוקס, שהן בעלי משמעות מרבית בתחומי מכניקת הנוזלים ותופעת התחבורה2.
מכיוון שקבוצות רבות במדעי הביולוגיה מחקר מערכות מורכבות ברמה המיקרוסקופית, היא חשבה במקור כי התקנים microfluidic יש השפעה מיידית ומשמעותית על יישומי מחקר בביולוגיה2,3. הדבר נובע מדיפוזיה הדומיננטית בהובלה של מולקולות קטנות על פני ממברנות או בתוך תא, וממדי התאים והמיקרואורגניזמים הם התאמה אידיאלית עבור מערכות משנה ומכשירים. לפיכך, היה פוטנציאל משמעותי לשיפור האופן שבו מתנהל הניסוי התאי והמולקולרי. עם זאת, אימוץ רחב של טכנולוגיות microfluidic על ידי ביולוגים הפכה מאחורי הציפיות4. סיבה פשוטה לחוסר העברת הטכנולוגיה עשויה להיות הגבולות המשעתית המפרידים בין מהנדסים וביולוגים. עיצוב וייצור התקנים מותאמים אישית נשארו מחוץ ליכולות של קבוצות המחקר הביולוגי, מה שהופך אותם לתלויים במומחיות ובמתקנים חיצוניים. חוסר היכרות עם יישומים פוטנציאליים, עלות, ואת הזמן הנדרש עבור איטראציה העיצוב הם גם מחסומים משמעותיים עבור מאמצים חדשים. סביר להניח שלמחסומים הללו הייתה השפעה של הפרעה לחדשנות ולמניעת השימוש הנרחב במיקרופלואידיקה להתמודדות עם אתגרים במדעי הביולוגיה.
מקרה בנקודה: מאז סוף שנות התשעים של המאה ה-90 הייתה השיטה לבחירה לייצור מכשירים מיקרופלואידים. Pdms (polydiמתיל סילאוקאן, פולימר אורגני המבוסס על סיליקון) הוא חומר נפוץ בשל תכונותיו הפיזיות, כגון שקיפות, deformability, ו-תאימות5. הטכניקה נהנתה מהצלחה גדולה, עם התקנים מעבדה על שבב ועוגב-on-a-שבב ללא הרף מפותחים על פלטפורמה זו6. לעומת זאת, רוב הקבוצות העובדות על טכנולוגיות אלה מצויים במחלקות הנדסיות או שיש להן קשרים חזקים עם4. הליטוגרפיה דורשת בדרך כלל חדרים נקיים לייצור תבניות וציוד מליטה מיוחד. עבור קבוצות רבות, זה הופך תקן PDMS התקנים פחות אידיאלי בשל עלויות ההון שלהם בזמן החפיפה, במיוחד כאשר יש צורך לבצע שינויי עיצוב חוזרים ונשנים. יתרה מזאת, הטכנולוגיה אינה נגישה בעיקר לביולוגיה הממוצעת ולסטודנטים ללא גישה למעבדות הנדסיות מיוחדות. זה הוצע כי עבור התקנים microflu, כדי להיות מאומצת באופן נרחב, הם חייבים לחקות חלק מהתכונות של חומרים המשמשים לעתים קרובות על ידי ביולוגים. לדוגמה, פוליסטירן המשמש לתרבות התא ו bioassays הוא זול, חד פעמי, והקלה לייצור המוני. לעומת זאת, ייצור תעשייתי של מיקרופלואידיקה מבוססי PDMS מעולם לא התממש בשל הרכות המכנית שלה, אי-יציבות של טיפול בפני השטח וחדירות הגז5. בשל מגבלות אלה, ובמטרה לפתור אתגרים טכניים באמצעות התקנים מותאמים אישית שנבנו “in-house”, אנו מתארים שיטה חלופית המשתמשת ב-xurography7,8,9 פרוטוקולים ולמינציה תרמית. שיטה זו יכולה להיות מאומצת עם הון קטן השקעה בזמן.
PETLs הם המציא באמצעות פוליאתילן terאפרון (PET) סרט, מצופה עם אצטט אתילן-ויניל מדבק (EVA). שני החומרים נמצאים בשימוש נרחב במוצרי צריכה, הם תואמי ביוקיים וזמינים בעלות מינימלית10. ניתן להשיג את הסרט PET/EVA בצורה של שקיות או לחמניות. באמצעות חותך מחשב מבוקרת מלאכה נפוץ למצוא בחנויות תחביבים או כלי שיט, הערוצים לגזור גיליון סרט יחיד כדי להגדיר את ארכיטקטורת המכשיר11. לאחר מכן, הערוצים חתומים על ידי החלת שכבות סרט (או זכוכית) נוספות הנמצאות בונדד באמצעות (משרד) תרמי למינציה (איור 1א). מחבטי ויניל מחוררים, הדבקים בעצמם, נוספים כדי להקל על הגישה לערוצים. הייצור פעמים נע בין 5 עד 15 דקות, אשר מאפשר איטרציה עיצוב מהיר. כל הציוד והחומרים המשמשים להפוך PETLs הם נגישים מסחרית ובמחיר סביר (< 350 USD עלות התחלתי, לעומת אלפי USDs לליטוגרפיה). לכן, PETLs לספק פתרון הרומן לשתי בעיות עיקריות הנמצאות על ידי מיקרופלואידיקה קונבנציונאלי: מחיר סביר ויעילות זמן (ראה PDMS/PETL השוואה בטבלאות משלימים 1, 2).
בנוסף למתן לחוקרים עם הזדמנות לעצב ולהמציא התקנים משלהם, PETLs יכול להיות מאומץ בקלות בכיתה כי הם פשוטים ואינטואיטיבי לשימוש. PETLs ניתן לכלול בבית הספר התיכון המכללה8, שם הם משמשים כדי לעזור לתלמידים להבין טוב יותר מושגים פיזיים, כימיים וביולוגיים, כמו דיפוזיה, זרם למינארי, micromixing, סינתזה ננו-חלקיק, היווצרות הדרגתי וכימוטקוניות.
בעבודה זו אנו ממחישים את זרימת העבודה הכוללת לייצור שבבי מודל PETLs עם רמות שונות של מורכבות. המכשיר הראשון משמש כדי להקל על הדמיה של תאים ומיקרו איברים בתא קטן. המכשיר השני, המורכב יותר מורכב ממספר שכבות וחומרים, ומשמש למחקר במכונה9. לבסוף, בנינו מכשיר המציג מספר מושגים בדינמיקה של נוזלים (הידרודינמיים התמקדות, זרימה שכבתית, הובלה מפזרים ו micromixing) למטרות חינוכיות. תהליך העבודה ועיצובי המכשירים המוצגים כאן ניתן להתאמה בקלות למגוון רחב של מטרות הן בהגדרות המחקר והן בכיתה.
Protocol
Representative Results
Discussion
בעוד מיקרופלואידיקה נמצאים יותר ויותר בארגז הכלים של מעבדות ברחבי העולם, קצב האימוץ כבר מאכזב, בהתחשב בפוטנציאל ההשפעה החיובית שלה16. עלות נמוכה ויעילות גבוהה של ייצור המכשיר microflu, הם חיוניים כדי להאיץ אימוץ של טכנולוגיה זו במעבדת המחקר הממוצעת. השיטה המתוארת כאן משתמשת בשכבו…
Divulgaciones
The authors have nothing to disclose.
Acknowledgements
העבודה בכתב יד זה נתמכת בחלקו על ידי הקרן הלאומית למדעים (NSF) (גרנט לא. CBET-1553826) (ותוספת משויכת של הרואה) והמכונים הלאומיים לבריאות (NIH) (גרנט נו. R35GM124935) לJ.Z., ולאוניברסיטת נוטרדאם מלכור לF.O. אנחנו רוצים להודות לג Sjoerdsma ו באהר Bilgiçer לספק תאים מיונקים ופרוטוקולי תרבות ו פאביו Sacco לסיוע עם דמויות משלימות.
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 |
Referencias
- Xia, Y., Whitesides, G. M. SOFT LITHOGRAPHY. Annual Review of Materials Science. 28 (1), 153-184 (1998).
- Beebe, D. J., Mensing, G. A., Walker, G. M. Physics and Applications of Microfluidics in Biology. Annual Review of Biomedical Engineering. 4 (1), 261-286 (2002).
- Whitesides, G. M., Ostuni, E., Takayama, S., Jiang, X., Ingber, D. E. Soft Lithography in Biology and Biochemistry. Annual Review of Biomedical Engineering. 3 (1), 335-373 (2001).
- 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).
- Berthier, E., Young, E. W. K., Beebe, D. Engineers are from PDMS-land, Biologists are from Polystyrenia. Lab on a Chip. 12 (7), 1224 (2012).
- Zhang, B., Korolj, A., Lai, B. F. L., Radisic, M. Advances in organ-on-a-chip engineering. Nature Reviews Materials. 3 (8), 257-278 (2018).
- Bartholomeusz, D. A., Boutte, R. W., Andrade, J. D. Xurography: rapid prototyping of microstructures using a cutting plotter. Journal of Microelectromechanical Systems. 14 (6), 1364-1374 (2005).
- Martínez-Hernández, K. J., Rovira-Figueroa, N. D., Ontiveros, F. . Implementation and Assessment of Student-Made Microfluidic Devices in the General Chemistry Laboratory. , (2016).
- Levis, M., et al. Microfluidics on the fly: Inexpensive rapid fabrication of thermally laminated microfluidic devices for live imaging and multimodal perturbations of multicellular systems. Biomicrofluidics. 13 (2), 024111 (2019).
- Subramaniam, A., Sethuraman, S. Chapter 18 – Biomedical Applications of Nondegradable Polymers. Natural and Synthetic Biomedical Polymers. , 301-308 (2014).
- Yuen, P. K., Goral, V. N. Low-cost rapid prototyping of flexible microfluidic devices using a desktop digital craft cutter. Lab Chip. 10 (3), 384-387 (2010).
- Oya, K., et al. Surface Characteristics of Polyethylene Terephthalate (PET) Film Exposed to Active Oxygen Species Generated via Ultraviolet (UV) Lights Irradiation in High and Low Humidity Conditions. Journal of Photopolymer Science and Technology. 27 (3), 409-414 (2014).
- Narciso, C. E., Contento, N. M., Storey, T. J., Hoelzle, D. J., Zartman, J. J. Release of Applied Mechanical Loading Stimulates Intercellular Calcium Waves in Drosophila Wing Discs. Biophysical Journal. 113 (2), 491-501 (2017).
- Suh, Y. K., Kang, S. A Review on Mixing in Microfluidics. Micromachines. 1 (3), 82-111 (2010).
- Jahn, A., Vreeland, W. N., Gaitan, M., Locascio, L. E. Controlled Vesicle Self-Assembly in Microfluidic Channels with Hydrodynamic Focusing. Journal of the American Chemical Society. 126 (9), 2674-2675 (2004).
- Weibel, D., Whitesides, G. Applications of microfluidics in chemical biology. Current Opinion in Chemical Biology. 10 (6), 584-591 (2006).
- Chen, X., Li, T., Shen, J. CO2 Laser Ablation of Microchannel on PMMA Substrate for Effective Fabrication of Microfluidic Chips. International Polymer Processing. 31 (2), 233-238 (2016).
- Chen, X., Shen, J., Zhou, M. Rapid fabrication of a four-layer PMMA-based microfluidic chip using CO2-laser micromachining and thermal bonding. Journal of Micromechanics and Microengineering. 26 (10), 107001 (2016).
