Drie-dimensionale afdrukken van thermoplastische materialen maken geautomatiseerd injectiespuit pompen met controle van de Feedback voor Microfluidic toepassingen
Summary
Hier presenteren we een protocol voor de bouw van een druk-gecontroleerde spuitpomp om in microfluidic toepassingen worden gebruikt. Deze spuitpomp is gemaakt van een additief vervaardigde lichaam, off-the-shelf hardware en open-source elektronica. Het resulterende systeem is goedkoop, eenvoudig om te bouwen, en levert goed gereguleerde vloeistofstromen zodat snelle microfluidic onderzoek.
Abstract
Microfluidics is een essentieel instrument in onderzoek over de biologische, chemische en fysische wetenschappen geworden. Een belangrijk onderdeel van de microfluidic experimenten is een stabiel systeem staat nauwkeurig om een inlaat debiet of de inlaatdruk voor vloeistofbehandeling. Hier hebben we een spuit pompsysteem dat kan controleren en reguleren van de inlaat materiaaldruk geleverd aan een microfluidic apparaat. Dit systeem werd ontworpen met behulp van goedkope materialen en additive manufacturing principes, gebruik te maken van drie-dimensionale (3D) afdrukken van thermoplastische materialen en overal verkrijgbare componenten waar mogelijk. Dit systeem bestaat uit drie hoofdonderdelen: een spuitpomp, een drukopnemer en een programmeerbare microcontroller. Binnen dit papier, we in detail te beschrijven een verzameling protocollen voor deze spuit pomp programmeersysteem, fabriceren en monteren. Bovendien hebben wij representatieve resultaten waaruit high-fidelity, controle van de feedback van inlaatdruk met behulp van dit systeem opgenomen. We verwachten dat dit protocol zal het toestaan van onderzoekers te fabriceren van laaggeprijsde spuit pomp systemen, verlagen de drempel voor het gebruik van microfluidics in biomedische, chemische, en onderzoek van materialen.
Introduction
Microfluidic hulpmiddelen zijn voor wetenschappers in biologische en chemische onderzoek nuttig geworden. Als gevolg van het gebruik van laag volume, snelle meting mogelijkheden en welomschreven verhanglijnen, microfluidics tractie in genomic heeft opgedaan en Proteoom onderzoek, high-throughput screening, medische diagnostiek, nanotechnologie en eencellige analyse1,2,3,4. De flexibiliteit van microfluidic apparaat ontwerp maakt bovendien gemakkelijk basiswetenschap onderzoek, zoals onderzoek naar de spatio dynamiek van gekweekte bacteriële kolonies5.
Vele soorten vloeistof injectiesystemen zijn ontwikkeld om te nauwkeurig leveren stroom aan microfluidic-apparaten. Voorbeelden van dergelijke injectiesystemen peristaltische en recirculatie pompen6, druk-controller systemen7en injectiespuit pompen8. Deze injectiesystemen, met inbegrip van de injectiespuit pompen, bestaan vaak uit dure precisie ontworpen onderdelen. Zijvlakken van deze systemen met kringloopsysteem feedback controle van druk in het debiet wordt toegevoegd aan de kosten van deze systemen. In reactie, wij eerder een robuuste, goedkope spuit pompsysteem ontwikkeld dat kringloopsysteem feedback-besturingselement wordt gebruikt voor het regelen van bestand stroomdruk. Met behulp van gesloten-lus drukregeling, is de noodzaak voor dure precisie-engineered onderdelen isingetrokken9.
De combinatie van betaalbare 3D-printing hardware en een aanzienlijke groei in de bijbehorende open-source software heeft het ontwerp en de fabricage van microfluidic apparaten steeds toegankelijk gemaakt voor onderzoekers uit allerlei disciplines10. De systemen gebruikt tot station vloeistof via deze apparaten blijven echter duur. Om aan deze behoefte aan een systeem van de goedkope Stuurtechniek, ontwikkelden we een ontwerp dat kan worden vervaardigd door onderzoekers in het lab, slechts een klein aantal assemblage stappen vereisen. Ondanks zijn goedkope en eenvoudige montage, kan dit systeem precies datatransportbesturing en biedt een alternatief voor verkrijgbare, kringloopsysteem spuit pomp systemen, die onbetaalbaar worden kan.
Hier bieden wij protocollen voor de bouw en het gebruik van de gesloten-lus gecontroleerd syringe pompsysteem we ontwikkeld (Figuur 1). De vloeistof handling systeem is samengesteld uit een fysieke spuitpomp geïnspireerd door een eerdere studie11, een microcontroller en een druksensor piºzoresistieve. Wanneer geassembleerd en geprogrammeerd met een evenredige-integraal-afgeleide (PID) controller, is het systeem geschikt voor het leveren van een goed geregelde, druk gestuurde stroom aan microfluidic-apparaten. Dit biedt een voordelige en flexibele alternatief voor hoge kosten commerciële producten, waardoor een bredere groep van onderzoekers aan microfluidics in hun werk gebruiken.
Protocol
Representative Results
Discussion
Hier, voorgesteld ons een nieuw ontwerp voor een pompsysteem spuit kringloopsysteem drukregeling. Dit werd bereikt door de integratie van een 3D-gedrukte spuitpomp met een piºzoresistieve druksensor en een open-source-microcontroller. Door gebruik te maken van een PID-regelaar, konden we precies controle van de inlaatdruk en bieden snelle responstijden gelijktijdig behoud van de stabiliteit over een set punt.
Vele experimenten met behulp van microfluidic-apparaten vereisen een nauwkeurige flu…
Disclosures
The authors have nothing to disclose.
Acknowledgements
De auteurs erkennen ondersteuning vanuit de Office of Naval Research awards N00014-17-12306 en N00014-15-1-2502, alsook van de Air Force Office of wetenschappelijke Research award FA9550-13-1-0108 en de National Science Foundation Grant nr. 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 |
References
- 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).
