Dielektrophorese (DEP) ist eine effektive Methode, um Zellen zu manipulieren. Leiterplatten (PCB) können kostengünstig, wiederverwendbar und effektive Elektroden zur berührungslosen Zellmanipulation in mikrofluidischen Systemen bieten. Durch die Kombination von PDMS-basierten mikrofluidischen Kanälen mit Deckgläsern auf Leiterplatten, zeigen wir, Perle und Zell-Manipulation und Trennung innerhalb Mehrkanal mikrofluidischen Bauteilen.
Mikrofluidik-Geräte verfügen über Zell-Studien durch die Bereitstellung einer dynamischen Fluidik-Umgebung auf der Skala der Zelle zu studieren, zu manipulieren, Sortieren und Zählen von Zellen fortgeschritten. Doch die Manipulation der Zellen innerhalb der fluidischen Domain bleibt eine Herausforderung und erfordert aufwendige Herstellung Protokolle zur Bildung Ventile und Elektroden oder Forderungen Spezialausrüstung wie optischen Pinzette. Hier zeigen wir, dass herkömmliche Leiterplatten (PCB) für die berührungslose Manipulation von Zellen kann durch den Einsatz von Dielektrophorese (DEP) für Perle und Zellmanipulation in Laminar-Flow-Felder für bioactuation verwendet werden, und für Zell-und Bead-Trennung in Mehrkanal mikrofluidischen Geräte. Zunächst stellen wir das Protokoll für die Montage der DEP-Elektroden und mikrofluidischen Systemen, und die Vorbereitung der Zellen für die DEP. Dann zeichnen wir die DEP mit Polystyrol-Kügelchen. Schließlich zeigen wir repräsentative Ergebnisse der Wulst und Zellseparation in einer Mehrkanal-Mikrofluidikvorrichtung. Zusammenfassend ist DEP eine effektive Methode zur Manipulation von Partikeln (Beads oder Zellen) in mikrofluidischen Bauteilen.
Zellmanipulation in mikrofluidischen Systemen für die Sortierung oder selektiven Platzierung von einzelnen Zellen oder für Bevölkerungsstudien wünschenswert. 2 Laminar-Flow in Verbindung mit Ventilen und Pumpen wird verwendet, um Zellen in mikrofluidischen Systemen zu manipulieren. Allerdings sind diese Methoden allein anspruchsvoll und erfordern eine detaillierte Fertigungsprozesse und Fähigkeiten 3 Zentrifugation kann die Anforderungen für die Zell-Platzierung, sondern die gleichzeitige Bildgebung ist eine Herausforderung, zu vereinfachen;. Ferner die Channel-Architektur für die Zentrifugation müssen sorgfältig in Betracht ziehen bei der Gestaltung der gewünschten Manipulationen und unter Berücksichtigung Effekte der Fliehkräfte. 4 Laser Pinzette für die Zell-Platzierung verwendet werden kann, aber die Methode ist teuer und nicht geeignet für High-Throughput-cell sorting. 5 Dennoch hat DEP als ein wirksames System der "elektrische Pinzette" für eine effektive Zelle Unterbringung, Charakterisierung nachgewiesen und Manipulation. 6,7
Insbesondere hat DEP verwendet worden, um gezielt zu erfassen und zu sortieren Zellen für On-Chip-Verarbeitung von lebenden und toten Zellen, 7-10 und für das Sammeln Zellen auf resonante Sensoren für die Messung der Zellmasse. 11 Wir haben bisher, dass durch die Erhöhung der DEP zeigte Kraft auf Bakterien oder Perlen vor die fluidische Zugkraft, kann die On-Chip-Konzentration und das Einfangen von Polystyrol-Kügelchen und Listeria monocytogenes V7 erreicht werden. 12 gemischte Populationen von E. coli und L. monocytogenes Bakterien können auch gerichtet und freigegeben werden durch DEP Impulse. Darüber hinaus können größere Partikel unterschiedlich erfasst werden und konzentrierte sich auf den Elektroden auf der großen Partikelgröße auf, während kleinere Partikel werden nicht erfasst, sind aber mit dem fluidischen Fluss entfernt. 13 Wenn DEP Kräfte nicht überwinden die fluidische ziehen Kräfte auf die Partikel, die Perle oder Zelle nicht eingefangen, sondern innerhalb der fluidischen Strom bewegt. Wie in Abbildung 2C zeigt, können Perlen in der zentralen Region des Fluidstroms ausreichen, um die Perlen in den zentralen Kanal behalten fokussiert werden. Dies könnte darauf zurückzuführen sein, die kombinierte Wirkung von Partikel-Partikel-Einflüsse innerhalb des elektrischen Feldes, Fluidgeschwindigkeiten größer als DEP ziehen Kräfte, die Kombination dieser oder einer anderen definierte Auswirkungen.
Neuere Fortschritte in der kontaktlosen DEP für die Maximierung der Zelle zu erfassen und die Manipulation mit der minimal erforderlichen Bereich und schützt so Zelltypen, so weit, während DEP Manipulation zu ermöglichen. 1,9 Contactless DEP bietet Versprechen an die Mikrofluidik-Community für die Sortierung, Erfassung und Positionierung Zellen innerhalb von mikrofluidischen Bauteilen. Wir erwarten, dass mit der gestiegenen Nachfrage nach und der Umsetzung, DEP für die Manipulation innerhalb mikrofluidischen Bauteilen, weitere Entdeckungen und Innovationen wird das Verständnis und den Einfluss der DEP Kräfte zu erweitern.
Leiterplatten können durch High-Volume-Verfahren zu einem erschwinglichen Preis mit einem schnellen Herstellung Turnaround-Zeit hergestellt werden, so dass sie eine gute Plattform für die Vermarktung. Darüber hinaus sind PCBs einfach zu bedienen und zugänglich für Wissenschaftler in einer Reihe von Disziplinen für On-Chip-Zell-Manipulationen und Sortierung.
Bei der Gestaltung des Layouts der PCB-Elektroden, sollte überlegt werden, die gewünschte Partikelgröße / Zelle Flugbahn gegeben werden. Wesentliche Faktoren für die Prüfung sind Korngröße und Art (Wulst und / oder Zellen), Zelltyp, Mikrokanal Größe, Strömungsgeschwindigkeit, Elektrodenabstand (bestimmt die elektrische Feldstärke), Deckglas Dicke, und die Leitfähigkeit der Flüssigkeit. Diese Faktoren beeinflussen die erforderliche Kraft und stehen dem Partikel oder Zellen und letztendlich die Trennleistung zu manipulieren. Unser Protokoll hier vorgestellten zeigt eine effektive Einrichtung zur Einleitung DEP für Mikrosphären und Zellseparation. Für potenzielle Anwendungen, sollten Anwender die Architektur des mikrofluidischen Kanal-Design mit den gewünschten Strömungswege für Zellen und Perlen sowie die Elektrode Muster passen, um die Effizienz für jede Anwendung zu optimieren. Elektrodenabstand und Deckglas Dicke kann je nach zuvor berichtet Richtlinien bei der Gestaltung der mikrofluidischen Kanal-Layout verwendet werden. 1
Die Leitfähigkeit und Permittivität der Zelle / Teilchen und der umgebenden Medien müssen unterschiedlich genug, um positive oder negative DEP zu erleichtern, während die Zellen intakt. Die Polarität von DEP für ein kugelförmiges Teilchen können von den tatsächlich Teil eines komplexen Wert des folgenden Clausius-Mosotti Faktor bei der Frequenz ω der DEP Spannung bestimmt werden.
Gleichung 1
In dieser Gleichung ε ist Permittivität ist σ die Leitfähigkeit und ε * ist komplexe Permittivität. Die Indizes p und mbezeichnen die Partikel-und Medien-bzw.. Wenn eine Zelle eine höhere Dielektrizitätskonstante als die Medien oder den Realteil der Clausius-Mosotti Faktor positiv wird, wird das Teilchen stärker polarisiert als die umgebenden Medien. Aufgrund einer nicht-homogenen elektrischen Feld wird das Teilchen die Polarisation ungleichmäßige und das schafft eine positive DEP (+ DEP) Kraft, die die Zelle zieht in Richtung der Region mit höheren elektrischen Feldstärke. Wenn eine Zelle hat eine geringere Dielektrizitätszahl als das umgebende Medium oder der Realteil der Clausius-Mosotti Faktor negativ wird, wird es durchlaufen negativen DEP (-DEP), und die Zelle auf die minimal-Feld Region gezwungen. Wenn die Zelle und Medien etwa die gleiche komplexe Permittivität haben, können keine Kraft erzeugt werden, um die Zelle zu manipulieren. Aus diesem Grund ist reines Wasser ein bevorzugtes Medium für die DEP Teilchen Manipulation. Um jedoch zu vermeiden den osmotischen Stress auf die Zelle von reinem Wasser mit niedriger Leitfähigkeit Medien formuliert, damit die Leitfähigkeit unverändert, aber um Osmolarität zu erhöhen, um osmotischen Stress auf die Zellen zu verringern. Konventionelle Zellkulturmedien oder physiologische Puffer, wie DMEM oder PBS, haben eine hohe Leitfähigkeit, die nicht geeignet ist für die DEP Manipulation.
Wir haben auch bereits gezeigt, dass Zellen, die auf Sensoren mit DEP mit geringer Leitfähigkeit Medien erfasst werden können. Nach einer kurzen Zeit für die Zelladhäsion, kann die geringe Leitfähigkeit Medien für die erforderliche Zellkulturmedien ersetzt werden, um das Zellwachstum für Tage unterstützen. 11
Aus unserer Erfahrung sind fluoreszierende Kügelchen sehr hell mit Bezug auf die lebenden Zellen Fluoreszenz, so kann es eine Herausforderung, die Perle Intensität, um die Intensität eines Wohn-und fluoreszierende Zelle angepasst werden. Zur Verbesserung der Visualisierung von Zellen und die Perlen, verwendeten wir DIC-Mikroskopie auf einem aufrechten Mikroskop für die Bildgebung beides. Um die Zellen und Perlen, stellten wir die Daten in einer Intensität leuchten angelegte Image, das die Daten in einem breiten Farbspektrum für ein leichteres Ablesen behält. Bei der Planung der Studie von Interesse, muss der Aufnahmeparameter und Ressourcen berücksichtigt werden.
Zusammenfassend zeigen wir die Fähigkeit zur selektiven Betätigung Perlen und Zellen in getrennten Kanälen mit DEP. Mit der zunehmenden Nutzen von mikrofluidischen Kanälen für Zellbiologie, Biochemie und Biotechnik-Anwendungen ist DEP eine wünschenswerte Option für die Zell-Sammlung, Vermittlung und Sortierung. Die PCB-Elektroden Herstellung ist kostengünstig und bequem, sind die Elektroden einfach zu bedienen, und die schnelle Herstellung Zeiten sind ideal für die Umsetzung der DEP.
The authors have nothing to disclose.
Wir drücken Wertschätzung Woo-Jin Chang für die Bereitstellung der trifurcating Kanäle für DEP Betätigung und Mitchell Collens für seine Unterstützung bei Geräten einzurichten. Die Arbeit wurde von der US NSF wurde durch den Grant OISE-0951647 und Taiwan NSC durch den Grant 99-2911-1-002-007 unterstützt.
Material Name | Tipo | Company | Catalogue Number | Comment |
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Sylgard 184 kit (PDMS) | Elsworth Adhesives | 184 SIL ELAST KIT 0.5KG | Dow Corning Sylgard | |
16 awg hook-up wire | Belden | 8521 | (Type MW) Mil-W-76C-PVC | |
Gold seal Cover Glass | Ted Pella | 260320 | No. 0 thick, 24 x 60 mm | |
Miltex Biopsy Punch | VWR Scientific | 95039-104 | Miltex, assorted sizes | |
Custom PCB electrodes | Bay Area Circuits | Custom parts | ||
Mineral oil | Fisher Scientific | O121-1 | ||
Deionized water | House DI water supply | None | Use filtered DI water | |
D-Glucose Anhydrous Granular AR | Mallinckrodt Chemicals | 4912-06 | ||
Sucrose, Crystal | Mallinckrodt Chemicals | 8360-06 | ||
Fluorescent polymer microspheres | Bangs Laboratories | FS07F/9277 | 15μm Dragon green microspheres | |
HT-29 cell line | ATCC | HTB-38D | Human colon adenocarcinoma | |
Typsin 0.05% EDTA | Invitrogen | 25300054 | ||
Eclipse E600FN upright microscope | Nikon | Eclipse E600FN | ||
Phantom V310 High-speed imaging camera | Phantom | V310 | ||
BX51 upright research microscope | Olympus | BX51 | ||
SpotFlex high resolution color camera | Diagnostic Instruments | FX1520 | ||
Function generator | Agilent | 3325A | ||
RF Power amplifier | EIN | 2100L |