Tillverkning av brytningsfel-index-matchade enheter för biomedicinsk mikrofluidik
Summary
Det här protokollet beskriver tillverkning av mikrofabricerade enheter från MY133-V2000 att eliminera artefakter som ofta uppstår i mikrokanaler på grund av de inte matchar refractive index mellan microchannel strukturer och en vattenlösning. Detta protokoll används en akryl innehavaren för att komprimera den inkapslade enheter, förbättrar vidhäftning både kemiskt och mekaniskt.
Abstract
Användning av mikrofabricerade enheter har vuxit fram som ett avgörande verktyg för biomedicinska tillämpningar. I kombination med moderna mikroskopi tekniker, kan dessa enheter implementeras som en del av en robust plattform som är kapabla att göra samtidiga kompletterande mätningar. Den primära utmaningen skapad av kombinationen av dessa två tekniker är en felmatchning i brytningsindex mellan de material som traditionellt används för att göra mikroflödessystem enheter och de aqueous lösningar som vanligtvis används i biomedicin. Denna obalans kan skapa optiska artefakter nära kanal eller enhet kanterna. En lösning är att minska brytningsindex för det material som används för att tillverka enheten med hjälp av en fluorerad polymer såsom MY133-V2000 vars brytningsindex är liknande till det av vatten (n = 1,33). Här, byggandet av en mikroflödessystem enhet gjord av MY133-V2000 med mjuk litografi tekniker demonstreras, använda O2 plasma i samband med en akryl innehavaren för att öka vidhäftning mellan MY133-V2000 fabricerade enheten och den Polydimetylsiloxan (PDMS) substrat. Enheten testas sedan genom inkubation det fylld med cell Odlingsmedier för 24 h att demonstrera enheten förmåga att upprätthålla cell kultur förutsättningar under en typisk imaging experiment. Slutligen används kvantitativa fas mikroskopi (QPM) att mäta fördelningen av massan inom levande vidhäftande cellerna i microchannel. På så sätt demonstreras ökad precision, aktiverad genom att tillverka enheten från en låg brytningsindex polymer såsom MY133-V2000 i stället för traditionell mjuk litografi material såsom PDMS. Sammantaget kan detta tillvägagångssätt för att fabricera mikroflödessystem enheter integreras lätt i befintliga mjuk litografi arbetsflöden för att minska optiska artefakter och öka mätprecision.
Introduction
Utvecklingen av mikrofabricerade teknik har möjliggjort ett brett utbud av ny biomedicinsk teknik som utnyttjar den unika fysiken mikroskopisk skala flöden1,2. Detta inkluderar de diagnostiska tekniker som byggt på mikroflödessystem plattformar som kvantifiera kliniskt relevanta biomarkörer, inklusive cell stelhet3, ytmarkörer4och tillväxt5. Genom att manipulera enstaka celler, kan ultrakalla enheter också användas att mäta biomarkörer heterogenitet, till exempel som en indikator på malignitet6. Möjligheten att kombinera mikroflödessystem applikationer med mikroskopi har ytterligare ökat nyttan av dessa plattformar genom att tillåta enheter som mäter flera biomarkörer samtidigt7.
QPM är en mikroskopi-teknik som mäter fasförskjutning som ljuset passerar genom och interagerar med frågan släpper transparenta prover. Massan av enskilda celler kan beräknas från QPM mätningar, med hjälp av kända förhållandet mellan brytningsindex och biomassa densitet8,9. Tidigare arbete har visat att QPM kan mäta kliniskt relevanta parametrar såsom cell tillväxt10,11 och cell mekaniska egenskaper via oordning styrka12. Kombination med mikrofluidik, kan QPM användas för att mäta cell beteende i en mycket kontrollerad miljö i vitro. En av de främsta utmaningarna att kombinera QPM med mikrofluidik är högt brytningsindex för de flesta polymerer som används för att konstruera mikroflödessystem kanaler via mjuk litografi13.
En viktig utmaning inför kombinationen av mikrofluidik med olika tekniker för mikroskopi är en felmatchning mellan brytningsindex av enhetens material i förhållande till brytningsindex för vatten14,15. En metod att bemöta detta är med hjälp av en låg brytningsindex polymer såsom CYTOP16 eller MY133-V200013. Det senare är en fluorerade ultraviolett (UV)-botas akrylat polymer som har ett brytningsindex som liknar vatten (n = 1,33) och som är kompatibel med mjuk litografi tekniker, vilket möjliggör en smidig integrering i många etablerade mikrofabricerade enheten fabrication arbetsflöden. Detta gör MY133-V2000 inte endast lämplig för mikroflödessystem enhet tillverkning, men också gör att den kan lätt kombineras med QPM och andra mikroskopi tillvägagångssätt, för att mäta cell beteende både på kolonin och i enskild cell skala. MY133-V2000 eliminerar artefakter på grund av fas uppackning genom att producera lite, om någon, fasförskjutning som ljus passerar genom gränssnittet vatten-MY133.
Trots att eliminera obalansen i brytningsindex, är en stor utmaning som är associerad med enheter tillverkade av fluorerade polymerer, såsom MY133-V2000, låg adherencen till andra material såsom glas eller PDMS. Detta arbete visar tillverkning av en MY133-V2000 mikroflödessystem enhet med mjuk litografi. Använda O2 plasma för att behandla ytan av både kanalen och PDMS garanterar substrat kombinerat med en custom-fabricerade akryl hållare att enheten följer underlaget, att skapa en sluten kanal. Denna enhet är lämplig för cellodling och QPM att mäta massan av celler i kanalen, som har viktiga program för att mäta tillväxt av levande celler och intracellulär transport av cell biomassa, som båda har klinisk relevans i diagnostik medicin och drug discovery.
Protocol
Representative Results
Discussion
MY133-V2000 kan användas som ett alternativ till traditionella mjuka litografi fabrication material såsom PDMS. Tidigare arbete har visat att material med ett högt brytningsindex, såsom PDMS, införa betydande artefakter nära kanal väggarna på grund av de inte matchar index av refraktion mellan fabrication materialet och den aqueous lösningen inuti kanalen 13. MY133-V2000 möjliggör matchande brytningsindex för mikroflödessystem enheten till de vattenlösningar som vanligen används i b…
Divulgazioni
The authors have nothing to disclose.
Acknowledgements
Detta arbete stöds av University of Utah för Vice ordföranden för forskning, liksom av medel i samband med bevilja P30 CA042014 tilldelas the Huntsman Cancer Institute och Kapitalkravsförordningen programmet på Huntsman Cancer Institute.
Materials
| MY133-V2000 | MY Polymers | MY133-V2000 | |
| Sylgard 184 | Ellsworth Adhesives | 184 SIL ELAST KIT 0.5KG | |
| Fisher Premium microscope slides | Fisher Scientific | 12-544-4 | |
| .118"(3.0mm) x 12" x 12" Acrylic Sheet | United States Plastic Corp | 44290 | |
| .060"(1.5mm) x 12" x 12" Acrylic Sheet | United States Plastic Corp | 44200 | |
| SCIGRIP 3 Very Fast Set Acrylic Cement | United States Plastic Corp | 45735 | |
| Standard Aluminum Foil (.6 mm thick) | VWR | 89107-726 | |
| Kim Wipes | Fisher Scientific | 06-666 | |
| Insta-Cure+ Super Glue | Bob Smith Industries | BSI-109 | |
| 1/8" PVC tubing | McMaster Carr | 5231K55 | |
| McCormick Food Coloring | Target | 13353207 | |
| X-Acto #1 Precision Knife | X-Acto | X3201 | |
| X-Acto #18 Heavyweight wood chiseling blade | X-Acto | X218 | |
| VWR Razor Blades | VWR | 55411-055 | |
| Surface Treated Cell Culture Dishes | Fisher Scientific | FBO12922 | |
| Fibronectin Human Plasma | Sigma-Aldritch | F0895-1MG | |
| Trypsin-EDTA 10x | Fisher Scientific | 15-400-054 | |
| Corning Dulbecco's Phosphate Buffered Saline | Fisher Scientific | MT21030CM | |
| Gibco Penicillin-Streptomycin | Fisher Scientific | 15-140-148 | |
| HyClone Nonessential Amino Acids 100x | Fisher Scientific | SH3023801 | |
| Fetal Bovine Serum | Omega Scientific | FB-12 | |
| Corning DMEM with L-glutamine and glucose | Fisher Scientific | MT10013CV | |
| Trichloro(1H,1H,2H,2H-perfluorooctyl)silane | Sigma-Aldritch | 448931 | Reacts violently with water |
| Ethanol, 200 proof Decon Labs | Fisher Scientific | 04-355-223 | |
| Acetone | Fisher Scientific | A18P-4 | |
| Bel-Art 42025 Plastic Dessicator | Cole-Parmer | EW-06514-30 | |
| Epilog Fusion Laser Cutter, 120 W | Epilog Laser | Epilog Fusion M2 32 Laser | |
| Isotemp Stirring Hotplate | Fisher Scientific | SP88850200 | |
| Ateco 14111 1.5 inch stainless steel cutter | Ateco | 14111 | |
| Pyrex Glass Cell Culture Dish | Fisher Scientific | 08-747B | |
| Radio Frequency Plasma Cleaner | Harrick Plasma | PDC-32G | Used with Oxygen gas |
| Black Hole Laboratories Digivac | Black Hole Laboratories | Model 215 | |
| Intelli-Ray Ultraviolet Oven | Uvitron | UVO338 | |
| Compact Spin Coater | MTI Corporation | VTC-100A | |
| Fisher Brand Isotemp Oven | Fisher Scientific | 15-103-0510 | Forced Air Convection |
| Gilson Positive Displacement Pipette P1000 | Fisher Scientific | FD10006G | |
| HeraCell VIOS 160i | Fisher Scientific | 13 998 212PM |
Riferimenti
- Zare, R. N., Kim, S. Microfluidic platforms for single-cell analysis. Annual Review Biomedical Engineering. 12, 187-201 (2010).
- Neuzi, P., Giselbrecht, S., Lange, K., Huang, T. J., Manz, A. Revisiting lab-on-a-chip technology for drug discovery. Nature Reviews Drug Discovery. 11 (8), 620-632 (2012).
- Xu, W., et al. Cell stiffness is a biomarker of the metastatic potential of ovarian cancer cells. PLoS ONE. 7 (10), 46609 (2012).
- Karakas, H. E., et al. A microfluidic chip for screening individual cancer cells via eavesdropping on autophagy-inducing crosstalk in the stroma niche. Scientific Reports. 7 (1), 2050 (2017).
- DeBerardinis, R. J., Lum, J. J., Hatzivassiliou, G., Thompson, C. B. The biology of cancer: metabolic reprogramming fuels cell growth and proliferation. Cell Metabolism. 7 (1), 11-20 (2008).
- Yin, H., Marshall, D. Microfluidics for single cell analysis. Current Opinion in Biotechnology. 23 (1), 110-119 (2012).
- Kemper, B., et al. Monitoring of laser micromanipulated optically trapped cells by digital holographic microscopy. Journal of Biophotonics. 3 (7), 425-431 (2010).
- Barer, R. Interference micorscopy and mass determination. Nature. 169 (4296), 366-367 (1952).
- Zangle, T. A., Teitell, M. A. Live-cell mass profiling: an emerging approach in quantitative biophysics. Nature Methods. 11 (12), 1221-1228 (2014).
- Chun, J., et al. Rapidly quantifying drug sensitivity of dispersed and clumped breast cancer cells by mass profiling. Analyst. 137 (23), 5495-5498 (2012).
- Reed, J., et al. Live cell interferometry reveals cellular dynamism during force propagation. Acs Nano. 2 (5), 841-846 (2011).
- Eldridge, W. J., Steelman, Z. A., Loomis, B., Wax, A. Optical Phase Measurements of Disorder Strength Link Microstructure to Cell Stiffness. Biophysical Journal. 112 (4), 692-702 (2017).
- Kim, D. N. H., Kim, K. T., Kim, C., Teitell, M. A., Zangle, T. A. Soft lithography fabrication of index-matched microfluidic devices for reducing artifacts in fluorescence and quantitative phase imaging. Microfluidics and Nanofluidics. 22 (1), 11 (2018).
- Byron, M. L., Variano, E. A. Refractive-index-matched hydrogel materials for measuring flow-structure interactions. Experiments in Fluids. 54 (2), 6 (2013).
- Ogawa, T., Hanada, Y. Microfabrication of the UV transparent polymer CYTOP using a conventional pulsed green laser. Applied Physics a-Materials Science & Processing. 122 (3), 6 (2016).
- Hanada, Y., Ogawa, T., Koike, K., Sugioka, K. Making the invisible visible: a microfluidic chip using a low refractive index polymer. Lab on a Chip. 16 (13), 2481-2486 (2016).
- Zangle, T. A., Burnes, D., Mathis, C., Witte, O. N., Teitell, M. A. Quantifying biomass changes of single CD8+ T cells during antigen specific cytotoxicity. PLoS One. 8 (7), 68916 (2013).
- Huang, D., et al. High Speed Live Cell Interferometry: A New Method for Rapidly Quantifying Tumor Drug Resistance and Heterogeneity. Analytical Chemistry. 90 (5), 3299-3306 (2018).
- Mir, M., Bergamaschi, A., Katzenellenbogen, B. S., Popescu, G. Highly sensitive quantitative imaging for monitoring single cancer cell growth kinetics and drug response. PLoS ONE. 9 (2), 89000 (2014).
