תלת מימדי הדפסה של חומרים תרמופלסטיים כדי ליצור אוטומטית משאבות מזרק עם בקרת משוב עבור יישומים Microfluidic
Summary
כאן אנו מציגים פרוטוקול לבנות משאבת מזרק לחץ מבוקר כדי לשמש microfluidic יישומים. זו משאבת מזרק עשוי גוף מתוצרת additively, בחומרה הניתנת לרכישה, אלקטרוניקה פתוח. מערכת המתקבלת היא בעלות נמוכה, פשוט לבנות, ומספק זרימת נוזל מוסדרים היטב כדי לאפשר מחקר microfluidic מהירה.
Abstract
מיקרופלואידיקה הפך כלי קריטי במחקר על פני ביולוגית, כימית, מדעים פיסיקליים. מרכיב חשוב אחד של ניסויים microfluidic הוא נוזל יציב טיפול המערכת מסוגל לספק באופן מדויק של כניסת קצב הזרימה או כניסת הלחץ. . הנה, פיתחנו מערכת משאבת מזרק היכולים לשלוט ומסר לווסת את כניסת הנוזלים הלחץ למכשיר microfluidic. מערכת זו תוכננה באמצעות חומרים נמוכים ועקרונות הייצור מוספים, מינוף תלת מימדי (3D) הדפסת חומרים תרמופלסטיים, רכיבי מדף במידת האפשר. מערכת זו מורכבת שלושה מרכיבים מרכזיים: מזרק משאבה מתמר לחץ, של מיקרו לתכנות. בתוך המאמר, אנחנו פירוט ערכה של פרוטוקולים בדיית, הרכבה של תכנות המערכת משאבת מזרק. יתר על כן, כללנו התוצאות נציג להפגין אמינות גבוהה, משוב שליטה על כניסת הלחץ באמצעות מערכת זו. אנו מצפים פרוטוקול זה יאפשר לחוקרים לפברק מערכות משאבת מזרק נמוכים, הנמכת המכשול ערך עבור השימוש מיקרופלואידיקה ב כימיה ביו, ולאחר מחקר בנושא החומרים.
Introduction
Microfluidic כלי שימושי עבור המדענים במחקר ביולוגי וכימי. ניצול בנפח נמוך, יכולות מדידה מהירה וכתוצאה הזרימה מוגדרים היטב פרופילים, מיקרופלואידיקה צברה אחיזה גנומית, מחקר פרוטיאומיה מבנית ההקרנה תפוקה גבוהה, אבחון רפואי, ננוטכנולוגיה, תא בודד ניתוח1,2,3,4. יתר על כן, הגמישות של עיצוב המכשיר microfluidic מאפשר בקלות מחקר מדעי בסיסי, כגון חוקרים את הדינמיקה ייתכן של מושבות חיידקים בתרבית5.
סוגים רבים של מערכות הזרקת נוזל פותחו למסור במדויק זרימה למכשירים microfluidic. דוגמאות של מערכות הזרקה כאלה כוללים סחרור, משאבות recirculation6, מערכות לחץ-קונטרולר7ו משאבות מזרק8. אלו מערכות הזרקה, כולל משאבות מזרק, מורכבים לעיתים קרובות רכיבים יקרים דיוק מהונדסים. משלים את המערכות האלה עם לולאה סגורה משוב שליטה בלחץ הזרם פלט של מוסיף לעלות של מערכות אלו. בתגובה, קודם לכן פיתחנו מערכת משאבת מזרק חזקות, בעלות נמוכה המשתמשת בקרת לולאה סגורה משוב כדי לווסת את לחץ זרימת outputted. באמצעות בקרת לולאה סגורה לחץ, הצורך רכיבים יקרים דיוק מהונדסים הוא והפרתה9.
השילוב של חומרה 3D-הדפסה במחיר סביר, גידול ניכר בתוכנת קוד פתוח המשויך הפך את עיצוב, ייצור של microfluidic התקנים נגיש יותר ויותר חוקרים ממגוון רחב של דיסציפלינות10. עם זאת, המערכות נהגה נוזל נסיעה דרך מכשירים אלו נשארים יקר. כדי לטפל צורך זה עבור מערכת בקרת נוזלים נמוכים, פיתחנו לעיצוב יכול להיות מפוברק על ידי חוקרים במעבדה, המחייב רק מספר קטן של מכלול צעדים. למרות הרכבה שלה נמוכים וישירה, מערכת זו מספקים בקרת זרימה מדויק ומספק אלטרנטיבה למערכות משאבת מזרק זמינים מסחרית, לולאה סגורה, אשר ניתן לחדשו.
כאן, אנו מספקים פרוטוקולים בנייה ושימוש לולאה סגורה מבוקר מזרק משאבה המערכת שפיתחנו (איור 1). הנוזל טיפול מערכת מורכבת של משאבת מזרק הפיזי בהשראת המחקר הקודם של11של מיקרו-בקר, חיישן לחץ piezoresistive. כאשר התאספו מתוכנת עם בקר (PID) פרופורציונלי-אינטגרל-נגזרת, המערכת היא מסוגלת לגרום זרימה מוסדר היטב, מונחה לחץ למכשירים microfluidic. זה מספק חלופה בעלות נמוכה וגמיש מוצרים מסחריים עלות גבוהה, הפעלת קבוצה רחבה יותר של החוקרים להשתמש מיקרופלואידיקה בעבודתם.
Protocol
Representative Results
Discussion
. הנה, הצגנו עיצוב חדש עבור מערכת משאבת מזרק עם בקרת לולאה סגורה לחץ. דבר זה הושג על-ידי שילוב של משאבת מזרק מודפס 3D עם חיישן הלחץ piezoresistive, מיקרו של קוד פתוח. על ידי העסקת בקר PID, הצלחנו לשלוט על הלחץ כניסת ולספק זמני תגובה מהירים תוך בו-זמנית שמירה על היציבות על נקודה ערכה בדיוק.
<p class="jove_content"…Divulgazioni
The authors have nothing to disclose.
Acknowledgements
המחברים להכיר תמיכה של המשרד של המחקר הימי פרסים N00014-17-12306 ו- N00014-15-1-2502, כמו גם של חיל האוויר Office של המחקר המדעי פרס FA9550-13-1-0108 ו את מענק קרן המדע הלאומית מס 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 |
Riferimenti
- 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).
