Pneumatisk drevet mikrofluidisk plattform for mikropartikkelkonsentrasjon
Summary
Den nåværende protokollen beskriver en pneumatisk mikrofluidisk plattform som kan brukes til effektiv mikropartikkelkonsentrasjon.
Abstract
Den nåværende artikkelen introduserer en metode for fremstilling og drift av en pneumatisk ventil for å kontrollere partikkelkonsentrasjon ved hjelp av en mikrofluidisk plattform. Denne plattformen har et tredimensjonalt (3D) nettverk med buede væskekanaler og tre pneumatiske ventiler, som skaper nettverk, kanaler og rom gjennom dupleksreplikasjon med polydimetylsiloksan (PDMS). Enheten opererer basert på den forbigående responsen til en væskestrømningshastighet som styres av en pneumatisk ventil i følgende rekkefølge: (1) prøvelasting, (2) prøveblokkering, (3) prøvekonsentrasjon og (4) prøveutløsning. Partiklene er blokkert av tynn membranlagdeformasjon av siktventilen (Vs) plate og akkumuleres i den buede mikrofluidiske kanalen. Arbeidsfluidet slippes ut ved aktivering av to av/på-ventiler. Som et resultat av operasjonen ble alle partikler av ulike forstørrelser vellykket fanget opp og løsnet. Når denne teknologien påføres, kan driftstrykket, tiden som kreves for konsentrasjon, og konsentrasjonshastigheten variere avhengig av enhetsdimensjoner og partikkelstørrelsesforstørrelse.
Introduction
På grunn av betydningen av biologisk analyse brukes mikrofluidiske og biomedisinske mikroelektromekaniske systemer (BioMEMS) teknologier 1,2 til å utvikle og studere enheter for rensing og innsamling av mikromaterialer 2,3,4. Partikkelfangst er kategorisert som aktiv eller passiv. Aktive feller har blitt brukt til ekstern dielektrisk5, magnetoforisk6, auditiv7, visuell8 eller termisk9 krefter som virker på uavhengige partikler, noe som muliggjør presis kontroll over bevegelsene deres. Det er imidlertid nødvendig med en interaksjon mellom partikkelen og ekstern kraft; Dermed er gjennomstrømningen lav. I mikrofluidiske systemer er det svært viktig å kontrollere strømningshastigheten fordi de ytre kreftene overføres til målpartiklene.
Generelt har passive mikrofluidiske enheter mikropillarer i mikrokanal10,11. Partikler filtreres gjennom interaksjon med en flytende væske, og disse enhetene er enkle å designe og billige å produsere. Imidlertid forårsaker de partikkelstopping i mikrostolper, så mer komplekse enheter er utviklet for å forhindre partikkelstopping12. Mikrofluidiske enheter med komplekse strukturer er generelt egnet for å håndtere et begrenset antall partikler 13,14,15,16,17,18.
Denne artikkelen beskriver en metode for å fremstille og drive en pneumatisk drevet mikrofluidisk plattform for store partikkelkonsentrasjoner som overvinner manglene18 som nevnt ovenfor. Denne plattformen kan blokkere og konsentrere partikler ved deformasjon og aktivering av det tynne membranlaget av siktventilen (Vs) plate som akkumuleres i buede mikrofluidiske kanaler. Partikler akkumuleres i buede mikrofluidiske kanaler, og de konsentrerte partiklene kan separeres ved å tømme arbeidsfluidet via aktivering av to PDMS-tetninger på/av-ventiler 18. Denne metoden gjør det mulig å behandle et begrenset antall partikler eller konsentrere et stort antall små partikler. Driftsforhold som strømningshastighet og trykklufttrykk kan forhindre uønsket celleskade og øke cellefangsteffektiviteten.
Protocol
Representative Results
Discussion
Denne plattformen gir en enkel måte å rense og konsentrere partikler av forskjellige størrelser. Partikler akkumuleres og frigjøres gjennom pneumatisk ventilkontroll, og ingen tilstopping observeres fordi det ikke er passiv struktur. Ved hjelp av denne enheten presenteres konsentrasjonen av partikler av tre størrelser. Driftstrykket, tiden som kreves for konsentrasjon, og hastigheten kan imidlertid variere avhengig av enhetsdimensjoner, partikkelstørrelsesforstørrelse og trykket ved Vs 18,20,21.<…
Divulgazioni
The authors have nothing to disclose.
Acknowledgements
Dette arbeidet ble støttet av National Research Foundation of Korea (NRF) stipend finansiert av Korea-regjeringen (Vitenskapsdepartementet og IKT). (Nei. 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 |
Riferimenti
- 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).
