अनुसंधान और शैक्षिक अनुप्रयोगों के लिए कस्टम माइक्रोफ्लूइडिक उपकरणों का तेजी से निर्माण
Summary
यहां हम न्यूनतम वित्तीय और समय निवेश के साथ कस्टम माइक्रोफ्लूइडिक उपकरणों को डिजाइन और बनाने के लिए एक प्रोटोकॉल प्रस्तुत करते हैं। इसका उद्देश्य जैव चिकित्सा अनुसंधान प्रयोगशालाओं और शैक्षिक सेटिंग्स में माइक्रोफ्लूइडिक प्रौद्योगिकियों को अपनाने की सुविधा प्रदान करना है।
Abstract
माइक्रोफ्लूइडिक उपकरण नैनो से लेकर सबमिलीमीटर तराजू तक के चैनलों में तरल पदार्थ, कणों, कोशिकाओं, सूक्ष्म आकार के अंगों या जीवों के हेरफेर के लिए अनुमति देते हैं। जैविक विज्ञान में इस तकनीक के उपयोग में तेजी से वृद्धि ने उन तरीकों की आवश्यकता को प्रेरित किया है जो अनुसंधान समूहों की एक विस्तृत श्रृंखला के लिए सुलभ हैं। वर्तमान निर्माण मानकों, जैसे PDMS संबंध, महंगी और समय लेने वाली लिथोग्राफिक और संबंध तकनीकों की आवश्यकता होती है । एक व्यवहार्य विकल्प उपकरण और सामग्री का उपयोग है जो आसानी से सस्ती हैं, न्यूनतम विशेषज्ञता की आवश्यकता होती है और डिजाइनों के तेजी से चलना के लिए अनुमति देती है। इस काम में हम पीईटी-लेमिनेट (पीईटीएल) डिजाइन और उत्पादन के लिए एक प्रोटोकॉल का वर्णन करते हैं, माइक्रोफ्लूइडिक उपकरण जो सस्ती हैं, बनाने में आसान हैं, और माइक्रोफ्लूइडिक्स प्रौद्योगिकी के अन्य दृष्टिकोणों की तुलना में उत्पन्न करने के लिए काफी कम समय का उपभोग करते हैं। वे थर्मल बंधुआ फिल्म चादरें से मिलकर बनता है, जिसमें चैनलों और अन्य सुविधाओं को एक शिल्प कटर का उपयोग करपरिभाषित किया जाता है । पीईटीएल क्षेत्र-विशिष्ट तकनीकी चुनौतियों को हल करते हैं, जबकि नाटकीय रूप से गोद लेने के लिए बाधाओं को कम करते हैं। यह दृष्टिकोण अनुसंधान और शैक्षिक दोनों सेटिंग्स में माइक्रोफ्लूइडिक्स उपकरणों की पहुंच की सुविधा प्रदान करता है, जो जांच के नए तरीकों के लिए एक विश्वसनीय मंच प्रदान करता है।
Introduction
माइक्रोफ्लूइडिक्स छोटे तराजू पर तरल पदार्थ नियंत्रण को सक्षम बनाता है, जिसमें माइक्रोलीटर (1 x10-6 एल) से लेकर पिकोलेटर्स (1 x10-12 एल) तक की मात्रा होती है। माइक्रोप्रोसेसर उद्योग1से उधार लिए गए माइक्रोफैब्रिकेशन तकनीकों के अनुप्रयोग के कारण यह नियंत्रण संभव हो पाया है । चैनलों और कक्षों के सूक्ष्म आकार के नेटवर्क का उपयोग उपयोगकर्ता को छोटे आयामों की विशिष्ट भौतिक घटना विशेषता का लाभ उठाने की अनुमति देता है। उदाहरण के लिए, माइक्रोमीटर पैमाने पर, लेमिनार प्रवाह का उपयोग करके तरल पदार्थों में हेरफेर किया जा सकता है, जहां चिपचिपा ताकतें जड़ता हुई ताकतों पर हावी होती हैं। नतीजतन, विसारक परिवहन माइक्रोफ्लूइडिक्स की प्रमुख विशेषता बन जाता है, और मात्रात्मक और प्रायोगिक रूप से अध्ययन किया जा सकता है। इन प्रणालियों को फिक के कानूनों, ब्राउनियन मोशन थ्योरी, हीट समीकरण और/या नेवर-स्टोक्स समीकरणों का उपयोग करके ठीक से समझा जा सकता है, जो द्रव यांत्रिकी और परिवहन घटना2के क्षेत्र में महत्वपूर्ण व्युत्पन्न हैं ।
क्योंकि जैविक विज्ञान में कई समूह सूक्ष्म स्तर पर जटिल प्रणालियों का अध्ययन करते हैं, इसलिए मूल रूप से यह सोचा गया था कि जीव विज्ञान2,3में अनुसंधान अनुप्रयोगों पर माइक्रोफ्लूइडिक उपकरणों का तत्काल और महत्वपूर्ण प्रभाव पड़ेगा। यह झिल्ली में या एक कोशिका के भीतर छोटे अणुओं के परिवहन में प्रसार के प्रमुख होने के कारण है, और कोशिकाओं और सूक्ष्मजीवों के आयाम उप-मिलीमीटर प्रणालियों और उपकरणों के लिए एक आदर्श मैच हैं। इसलिए, जिस तरह से सेलुलर और आणविक प्रयोग आयोजित किया जाता है उसे बढ़ाने की महत्वपूर्ण संभावनाएं थीं । हालांकि, जीव विज्ञानियों द्वारा माइक्रोफ्लूइडिक प्रौद्योगिकियों को व्यापक रूप से अपनाना उम्मीदों से पिछड़ गया है। प्रौद्योगिकी हस्तांतरण की कमी का एक सरल कारण इंजीनियरों और जीव विज्ञानियों को अलग करने वाली अनुशासनात्मक सीमाएं हो सकती हैं। कस्टम डिवाइस डिजाइन और निर्माण सबसे जैविक अनुसंधान समूहों की क्षमताओं के ठीक बाहर बने हुए हैं, जिससे वे बाहरी विशेषज्ञता और सुविधाओं पर निर्भर हैं । संभावित अनुप्रयोगों के साथ अपनेपन की कमी, लागत, और डिजाइन-पुनरावृत्ति के लिए आवश्यक समय भी नए दत्तक के लिए महत्वपूर्ण बाधाएं हैं। यह संभावना है कि इन बाधाओं को नवाचार में खलल न डालें और जैविक विज्ञान में चुनौतियों का समाधान करने के लिए माइक्रोफ्लूइडिक्स के व्यापक अनुप्रयोग को रोकने का प्रभाव पड़ा है ।
बिंदु में एक मामला: 1990 के अंत के बाद से नरम फोटोलिथोग्राफी माइक्रोफ्लूइडिक उपकरणों के निर्माण के लिए पसंद की विधि रही है । पीडीएम (पॉलीडिमेथिलसिलॉक्सेन, सिलिकॉन आधारित कार्बनिक बहुलक) पारदर्शिता, विकृति और बायोअनुकूलता5जैसे भौतिक गुणों के कारण व्यापक रूप से उपयोग की जाने वाली सामग्री है। इस तकनीक ने बड़ी सफलता का आनंद लिया है, जिसमें लैब-ऑन-ए-चिप और ऑर्गन-ऑन-ए-चिप उपकरणों को लगातार इस प्लेटफॉर्म6पर विकसित किया जा रहा है । हालांकि, इन प्रौद्योगिकियों पर काम करने वाले अधिकांश समूह इंजीनियरिंग विभागों में पाए जाते हैं या उनसे मजबूत संबंध हैं। लिथोग्राफी आमतौर पर मोल्डऔर विशेष संबंध उपकरणों के निर्माण के लिए साफ कमरे की आवश्यकता होती है। कई समूहों के लिए, यह मानक पीडीएफएम उपकरणों को उनकी पूंजीगत लागत और लीड-टाइम के कारण आदर्श से कम बनाता है, खासकर जब बार-बार डिजाइन संशोधन करने की आवश्यकता होती है। इसके अलावा, प्रौद्योगिकी ज्यादातर औसत जीवविज्ञानी के लिए दुर्गम है और विशेष इंजीनियरिंग प्रयोगशालाओं के लिए उपयोग के बिना छात्रों के लिए । यह प्रस्ताव किया गया है कि माइक्रोफ्लूइडिक उपकरणों को व्यापक रूप से अपनाया जाए, उन्हें आमतौर पर जीवविज्ञानियों द्वारा उपयोग की जाने वाली सामग्रियों के कुछ गुणों की नकल करनी चाहिए । उदाहरण के लिए, सेल संस्कृति और बायोएस्केस के लिए उपयोग किए जाने वाले पॉलीस्टीरिन सस्ती, डिस्पोजेबल और बड़े पैमाने पर उत्पादन के लिए उत्तरदायी हैं। इसके विपरीत, पीडीएम आधारित माइक्रोफ्लूइडिक्स का औद्योगिक विनिर्माण कभी भी अपनी यांत्रिक कोमलता, सतह उपचार अस्थिरता और गैस परगम्यता5के कारण महसूस नहीं किया गया है। इन सीमाओं के कारण, और “इन-हाउस” निर्मित अनुकूलित उपकरणों का उपयोग करके तकनीकी चुनौतियों को हल करने के लक्ष्य के साथ, हम एक वैकल्पिक विधि का वर्णन करते हैं जो xurography7,8,9 प्रोटोकॉल और थर्मल लेमिनेशन का उपयोग करता है। कम पूंजी और समय निवेश से यह तरीका अपनाया जा सकता है।
पीईटीएलएस पॉलीथीन टेरेफ्थैलेट (पीईटी) फिल्म का उपयोग करके गढ़े जाते हैं, जो थर्मोचिपकसिव एथिलीन-विनाइल एसीटेट (ईवा) के साथ लेपित होते हैं। दोनों सामग्री व्यापक रूप से उपभोक्ता उत्पादों में उपयोग किया जाता है, जैव संगत हैं और न्यूनतम लागत10पर आसानी से उपलब्ध हैं। पीईटी/ईवा फिल्म लेमिनेटिंग पाउच या रोल के रूप में प्राप्त की जा सकती है। आमतौर पर शौकी या क्राफ्ट स्टोर में पाए जाने वाले कंप्यूटर नियंत्रित क्राफ्ट कटर का उपयोग करके, चैनलों को डिवाइस के आर्किटेक्चर11को परिभाषित करने के लिए एक ही फिल्मशीट से काट दिया जाता है। चैनलों को तब अतिरिक्त फिल्म (या ग्लास) परतों को लागू करके सील कर दिया जाता है जो (कार्यालय) थर्मल लेमिनेटर(चित्रा 1ए)का उपयोग करके बंधुआ होते हैं। चैनलों तक पहुंच की सुविधा के लिए छिद्रित, आत्म-चिपकने वाले विनाइल बंपर जोड़े जाते हैं। निर्माण समय 5 से 15 किमी तक है, जो तेजी से डिजाइन पुनरावृत्ति की अनुमति देता है। पीईटीएल बनाने के लिए उपयोग किए जाने वाले सभी उपकरण और सामग्री व्यावसायिक रूप से सुलभ और सस्ती (<350 USD शुरू लागत, लिथोग्राफी के लिए हजारों USDs की तुलना में) हैं। इसलिए, पीईटीएल पारंपरिक माइक्रोफ्लूइडिक्स द्वारा उत्पन्न दो मुख्य समस्याओं का एक उपन्यास समाधान प्रदान करते हैं: सामर्थ्य और समय प्रभावशीलता (पूरक तालिकाओं 1, 2में पीडीएम/पीईटीएल तुलना देखें)।
शोधकर्ताओं को अपने उपकरणों को डिजाइन और गढ़ने का अवसर प्रदान करने के अलावा, पीईटीएल को कक्षा में आसानी से अपनाया जा सकता है क्योंकि वे उपयोग करने के लिए सरल और सहज हैं। पीईटीएल को हाई स्कूल और कॉलेज पाठ्यक्रम8में शामिल किया जा सकता है, जहां उनका उपयोग छात्रों को शारीरिक, रासायनिक और जैविक अवधारणाओं को बेहतर ढंग से समझने में मदद करने के लिए किया जाता है, जैसे प्रसार, लैमिनार प्रवाह, माइक्रोमिक्सिंग, नैनोपार्टिकल संश्लेषण, ढाल गठन और कीमोटैक्सिस।
इस काम में हम जटिलता के विभिन्न स्तरों के साथ मॉडल पीईटीएल चिप्स के निर्माण के लिए समग्र कार्यप्रवाह को दर्शाते हैं। पहले डिवाइस का उपयोग एक छोटे कक्ष में कोशिकाओं और सूक्ष्म अंगों की इमेजिंग की सुविधा के लिए किया जाता है। दूसरा, अधिक जटिल डिवाइस में कई परतें और सामग्री होती हैं, और इसका उपयोग मेचनोबायोलॉजी9में अनुसंधान के लिए किया जाता है। अंत में, हमने एक डिवाइस का निर्माण किया जो शैक्षिक उद्देश्यों के लिए कई तरल गतिशीलता अवधारणाओं (हाइड्रोडायनामिक फोकसिंग, लैमिनार प्रवाह, विसारक परिवहन और माइक्रोमिक्सिंग) को प्रदर्शित करता है। यहां प्रस्तुत कार्यप्रवाह और डिवाइस डिजाइन आसानी से अनुसंधान और कक्षा दोनों सेटिंग्स में उद्देश्यों की एक बड़ी श्रृंखला के लिए सिलवाया जा सकता है ।
Protocol
Representative Results
Discussion
जबकि माइक्रोफ्लूइडिक्स दुनिया भर की प्रयोगशालाओं के टूलबॉक्स में तेजी से मौजूद हैं, इसके सकारात्मक प्रभाव16की क्षमता को देखते हुए गोद लेने की गति निराशाजनक रही है । औसत अनुसंधान प्रयोगशाला म…
Declarações
The authors have nothing to disclose.
Acknowledgements
इस पांडुलिपि में काम को नेशनल साइंस फाउंडेशन (एनएसएफ) (ग्रांट नंबर एक) ने हिस्से में सपोर्ट किया था । CBET-1553826) (और संबद्ध ROA पूरक) और स्वास्थ्य के राष्ट्रीय संस्थान (NIH) (अनुदान संख्या R35GM124935) जेजेड के लिए, और Notre डेम मेलचोर विजिटिंग फैकल्टी फंड को F.O. हम पूरक आंकड़ों के साथ सहायता के लिए स्तनधारी कोशिकाओं और संस्कृति प्रोटोकॉल और फैबियो साको प्रदान करने के लिए जेना स्जोर्ड्स्मा और बासर बिलगिकर का शुक्रिया अदा करना चाहते हैं ।
Materials
| Biopsy punch (1mm) | Miltex | 33-31AA | Optional, replaces rotary tool set up |
| Blunt needles | Janel, Inc. | JEN JG18-0.5X-90 | Remove plastic and attach to Tygon tubing |
| Coverslips | Any | 24 x 60 mm are preferred | |
| Cutting Mat and blades | Silhouette America or Nicapa | www.silhouetteamerica.com/shop/blades-and-mats | Re-use/Disposables |
| Double-sided tape | Scotch/3M | 667 | Small amounts, any width or brand |
| PEEK tubing | IDEX/any | 1581L | Different configurations available. Consider using Tygon tubing intead, if not already using PEEK |
| PET/EVA thermal laminate film | Scotch/3M & Transcendia | TP3854-200,TP5854-100 & transcendia.com/products/trans-kote-pet | 3 – 6 mil (mil = 1/1000 inch) laminating pouches or rolls. |
| PVC film – Cling Wrap | Glad / Any | Food wrapping | |
| Rotary tool-drill | Dremel/Any | 200-121 or other | 1/32 and 3/64" drill bits from Dremel recommended |
| Rubber Roller | Speedball | 4126 | To facilitate adhesion, any brand will work |
| Scissors & tweezers | Any | Fiskars-Inch-Titanium-Softgrip-Scissors |Cole-Parmer –# UX-07387-12 | Quality brands are recommended |
| Silhouette CAMEO Craft cutter | Silhouette America | www.silhouetteamerica.com/shop/cameo/SILHOUETTE-CAMEO-3-4T | Preferred craft cutter |
| Silhouette Studio software | Silhouette America | www.silhouetteamerica.com/software | Controls the craft cutter and provides drawing tools (free download MAC and PC) |
| Syringe Pump | Harvard Apparatus or New Era | 70-4504 or NE-300 | Pumps are ideal, pipettes or burettes can be used. |
| Syringes | Any | 1-3mL | |
| Thermal laminator | Scotch/3M | TL906 | Standard home/office model |
| Tygon tubing (E-3603) | Cole-Parmer | EW-06407-70 | Use with blunt needle tips |
| Vinyl furniture bumpers | DerBlue/3M/ Everbilt | Clear, self-adhesive (6 x 2 mm and 8 x 3 mm) | Round bumpers are recommended |
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