منصة الموائع الدقيقة التي تعمل بالهواء المضغوط لتركيز الجسيمات الدقيقة
Summary
يصف هذا البروتوكول منصة الموائع الدقيقة الهوائية التي يمكن استخدامها لتركيز الجسيمات الدقيقة بكفاءة.
Abstract
تقدم هذه المقالة طريقة لتصنيع وتشغيل صمام هوائي للتحكم في تركيز الجسيمات باستخدام منصة الموائع الدقيقة. تحتوي هذه المنصة على شبكة ثلاثية الأبعاد (3D) مع قنوات سائلة منحنية وثلاثة صمامات هوائية ، والتي تخلق شبكات وقنوات ومساحات من خلال النسخ المتماثل المزدوج مع polydimethylsiloxane (PDMS). يعمل الجهاز بناء على الاستجابة العابرة لمعدل تدفق السوائل الذي يتحكم فيه صمام هوائي بالترتيب التالي: (1) تحميل العينة ، (2) حجب العينة ، (3) تركيز العينة ، و (4) إطلاق العينة. يتم حظر الجسيمات عن طريق تشوه طبقة الحجاب الحاجز الرقيق لصفيحة صمام الغربال (Vs) وتتراكم في قناة الموائع الدقيقة المنحنية. يتم تفريغ سائل العمل عن طريق تشغيل صمامين للتشغيل / الإيقاف. نتيجة للعملية ، تم اعتراض جميع الجسيمات ذات التكبيرات المختلفة بنجاح وفك ارتباطها. عند تطبيق هذه التقنية ، قد يختلف ضغط التشغيل والوقت اللازم للتركيز ومعدل التركيز اعتمادا على أبعاد الجهاز وتكبير حجم الجسيمات.
Introduction
نظرا لأهمية التحليل البيولوجي ، يتم استخدام تقنيات الأنظمة الكهروميكانيكية الدقيقة الدقيقة والطبية الحيوية (BioMEMS)1,2 لتطوير ودراسة أجهزة لتنقية وجمع المواد الدقيقة2,3,4. يتم تصنيف التقاط الجسيمات على أنها نشطة أو سلبية. تم استخدام الفخاخ النشطة للقوى الخارجية العازلة5 أو المغناطيسية6 أو السمعية7 أوالبصرية 8 أو الحرارية9 التي تعمل على الجسيمات المستقلة ، مما يتيح التحكم الدقيق في تحركاتها. ومع ذلك ، هناك حاجة إلى تفاعل بين الجسيم والقوة الخارجية ؛ وبالتالي ، فإن الإنتاجية منخفضة. في أنظمة الموائع الدقيقة ، يعد التحكم في معدل التدفق مهما جدا لأن القوى الخارجية تنتقل إلى الجسيمات المستهدفة.
بشكل عام ، تحتوي أجهزة الموائع الدقيقة السلبية على أعمدة دقيقة في القنوات الدقيقة10,11. يتم ترشيح الجسيمات من خلال التفاعل مع سائل متدفق ، وهذه الأجهزة سهلة التصميم وغير مكلفة للتصنيع. ومع ذلك ، فإنها تسبب انسداد الجسيمات في الأعمدة الدقيقة ، لذلك تم تطوير أجهزة أكثر تعقيدا لمنع انسداد الجسيمات12. أجهزة الموائع الدقيقة ذات الهياكل المعقدة مناسبة بشكل عام لإدارة عدد محدود من الجسيمات 13،14،15،16،17،18.
توضح هذه المقالة طريقة لتصنيع وتشغيل منصة ميكروفلويديك تعمل بالهواء المضغوط لتركيزات الجسيمات الكبيرة التي تتغلب على أوجه القصور18 كما هو مذكور أعلاه. يمكن لهذه المنصة منع الجسيمات وتركيزها عن طريق تشوه وتشغيل طبقة الحجاب الحاجز الرقيقة لصفيحة صمام الغربال (Vs) التي تتراكم في قنوات الموائع الدقيقة المنحنية. تتراكم الجسيمات في قنوات ميكروفلويديك منحنية ، ويمكن للجسيمات المركزة أن تنفصل عن طريق تفريغ سائل العمل عن طريق تشغيل اثنين من سدادات PDMS على / إيقاف الصمامات18. هذه الطريقة تجعل من الممكن معالجة عدد محدود من الجسيمات أو تركيز عدد كبير من الجسيمات الصغيرة. يمكن لظروف التشغيل مثل حجم معدل التدفق وضغط الهواء المضغوط أن تمنع تلف الخلايا غير المرغوب فيه وتزيد من كفاءة احتجاز الخلايا.
Protocol
Representative Results
Discussion
توفر هذه المنصة طريقة بسيطة لتنقية وتركيز الجسيمات من مختلف الأحجام. تتراكم الجسيمات وتطلق من خلال التحكم في الصمام الهوائي ، ولا يلاحظ أي انسداد لأنه لا يوجد هيكل سلبي. باستخدام هذا الجهاز ، يتم تقديم تركيز الجسيمات ذات الثلاثة أحجام. ومع ذلك ، قد يختلف ضغط التشغيل ، والوقت اللازم للتركيز…
Divulgations
The authors have nothing to disclose.
Acknowledgements
تم دعم هذا العمل من خلال منحة المؤسسة الوطنية للبحوث الكورية (NRF) التي تمولها الحكومة الكورية (وزارة العلوم وتكنولوجيا المعلومات والاتصالات). (لا. NRF-2021R1A2C1011380).
Materials
| 1.5 mm puncture | Self procduction | Self procduction | This puncture was made by requesting a mold maker based on the Miltex® Biopsy Punch with Plunger (15110-15) product. |
| 4 inch Silicon Wafer/SU-8 mold | 4science | 29-03573-01 | 4 inch (100) Ptype silicon wafer/SU-8 mold |
| Carboxyl Polystyrene Crosslinked Particle(24.9 μm) | Spherotech | CPX-200-10 | Concentrated bead sample1 |
| Flow meter | Sensirion | SLI-1000 | Flow measurement |
| High-speed camera | Photron | FASTCAM Mini | Observation of concentration |
| Hot plate | As one | HI-1000 | heating plate for curing of liquid PDMS |
| KOVAX-SYRINGE 10 mL/Syringe | Koreavaccine | 22G-10ML | Fill the microfluidic channel with bubble-free demineralized water. |
| Laboratory Conona treater/Atmospheric plasma | Electro-Technic | BD-20AC | Chip bonding/atmospheric plasma |
| Liquid polydimethylsiloxane, PDMS | Dow Corning Inc. | Sylgard 184 | Components of chip |
| Microscope | Olympus | IX-81 | Observation of concentration |
| PEEK Tubes | SAINT-GOBAIN PPL CORP. | AAD04103 | Inject or collect particles |
| Polystyrene Particle(4.16 μm) | Spherotech | PP-40-10 | Concentrated bead sample3 |
| Polystyrene Particle(8.49 μm) | Spherotech | PP-100-10 | Concentrated bead sample2 |
| Pressure controller/μflucon | AMED | μflucon | Control of air pressure |
| Spin coater | iNexus | ACE-200 | spread the liquid PDMS on SU-8 mold |
References
- Whitesides, G. M. The origins and the future of microfluidics. Nature. 442 (7107), 368-373 (2006).
- Desitter, I., et al. A new device for rapid isolation by size and characterization of rare circulating tumor cells. Anticancer Research. 31 (2), 427-441 (2011).
- Hayes, D. F., et al. Circulating tumor cells at each follow-up time point during therapy of metastatic breast cancer patients predict progression-free and overall survival. Clinical Cancer Research. 12 (14), 4218-4224 (2016).
- Choi, S., Park, J. K. Microfluidic system for dielectrophoretic separation based on a trapezoidal electrode array. Lab on a Chip. 5 (10), 1161-1167 (2005).
- Jung, Y., et al. Six-stage cascade paramagnetic mode magnetophoretic separation system for human blood samples. Biomedical Microdevices. 12 (4), 637-645 (2010).
- Li, P., et al. Acoustic separation of circulating tumor cells. Proceedings of the National Academy of Sciences. 112 (16), 4970-4975 (2015).
- Lin, Y. H., Lee, G. B. Optically induced flow cytometry for continuous microparticle counting and sorting. Biosensors and Bioelectronics. 24 (4), 572-578 (2008).
- Gramotnev, D. K., et al. Thermal tweezers for surface manipulation with nanoscale resolution. Applied Physics Letters. 90 (5), 054108 (2007).
- Huang, L. R., et al. Continuous particle separation through deterministic lateral displacement. Science. 304 (5673), 987-990 (2004).
- Yin, D., et al. Multi-stage particle separation based on microstructure filtration and dielectrophoresis. Micromachines. 10 (2), 103 (2019).
- Yoon, Y., et al. Clogging-free microfluidics for continuous size-based separation of microparticles. Scientific Reports. 6 (1), 1-8 (2016).
- Alvankarian, J., Majlis, B. Y. Tunable microfluidic devices for hydrodynamic fractionation of cells and beads: a review. Sensors. 15 (11), 29685-29701 (2015).
- Irimia, D., Toner, M. Cell handling using microstructured membranes. Lab on a Chip. 6 (3), 345-352 (2006).
- Huang, S. B., et al. A tunable micro filter modulated by pneumatic pressure for cell separation. Sensors and Actuators B: Chemical. 142 (1), 389-399 (2009).
- Chang, Y. H., et al. A tunable microfluidic-based filter modulated by pneumatic pressure for separation of blood cells. Microfluidics and Nanofluidics. 12 (1-4), 85-94 (2012).
- Oh, C. K., et al. Fabrication of pneumatic valves with spherical dome-shape fluid chambers. Microfluidics and Nanofluidics. 19 (5), 1091-1099 (2015).
- Liu, W., et al. Dynamic trapping and high-throughput patterning of cells using pneumatic microstructures in an integrated microfluidic device. Lab on a Chip. 12 (9), 1702-1709 (2012).
- Jang, J. H., Jeong, O. C. Fabrication of a pneumatic microparticle concentrator. Micromachines. 11 (1), 40 (2020).
- McDonald, J. C., et al. Poly(dimethylsiloxane) as a material for fabricating microfluidic device. Accounts of Chemical Research. 35 (7), 491-499 (2002).
- Brivio, M., et al. A MALDI-chip integrated system with a monitoring window. Lab on a Chip. 5 (4), 378-381 (2005).
- Jeong, O. C., Konishi, S. The self-generated peristaltic motion of cascaded pneumatic actuators for micro pumps. Journal of Micromechanics and Microengineering. 18 (8), 085017 (2008).
- Taff, B. M., Voldman, J. A scalable addressable positive dielectrophoretic cell-sorting array. Analytical Chemistry. 77 (24), 7976-7983 (2005).
- Pamme, N., et al. On-chip free-flow magnetophoresis: Separation and detection of mixtures of magnetic particles in continuous flow. Journal of Magnetism and Magnetic Materials. 307 (2), 237-244 (2006).
- Harris, N. R., et al. Performance of a micro-engineered ultrasonic particle manipulator. Sensors and Actuators B: Chemical. 111, 481-486 (2005).
- Yoon, Y., et al. Clogging-free microfluidics for continuous size-based separation of microparticles. Scientific Reports. 6 (1), 1-18 (2016).
- Beattie, W., et al. Clog-free cell filtration using resettable cell traps. Lab on a Chip. 14 (15), 2657-2665 (2014).
- Cheng, Y., et al. A bubble- and clogging-free microfluidic particle separation platform with multi-filtration. Lab on a Chip. 16 (23), 4517-4526 (2016).
