Быстрая изготовление пользовательских микрофлюидных устройств для научно-исследовательских и образовательных приложений
Summary
Здесь мы представляем протокол для разработки и изготовления пользовательских микрофлюидных устройств с минимальными финансовыми и временные инвестиции. Цель заключается в содействии внедрению микрофлюидных технологий в биомедицинских исследовательских лабораториях и учебных заведениях.
Abstract
Микрофлюидные устройства позволяют манипулировать жидкостями, частицами, клетками, микроразмерными органами или организмами в каналах от нано до субмиллиметровых чешуек. Быстрое расширение использования этой технологии в биологических науках обусловило необходимость в методах, доступных широкому кругу исследовательских групп. Современные стандарты изготовления, такие как связь PDMS, требуют дорогостоящих и трудоемких методов литографической связи и склеивания. Целесообразной альтернативой является использование оборудования и материалов, которые легко доступны по цене, требуют минимального опыта и позволяют быстро итерации конструкций. В этой работе мы описываем протокол для проектирования и производства ПЭТ-ламината (PETLs), микрофлюидных устройств, которые являются недорогими, легко изготовить, и потребляют значительно меньше времени для генерации, чем другие подходы к технологии микрофлюиды. Они состоят из термически связанных листов пленки, в которых каналы и другие характеристики определены используя резак корабля. ПЕТЛ решают технические проблемы, связанные с конкретными местами, в то же время значительно уменьшая препятствия на пути их принятия. Такой подход облегчает доступность микрофлюидных устройств как в исследовательских, так и в учебных заведениях, обеспечивая надежную платформу для новых методов исследования.
Introduction
Микрофлюитика позволяет контролировать жидкость в небольших масштабах, с объемами от микролитров (1 х 10-6 л) до пиколитеров (1 х 10-12 л). Этот контроль стал возможным отчасти благодаря применению методов микрофабрикации, заимствованных из микропроцессорной промышленности1. Использование микроразмерных сетей каналов и камер позволяет пользователю воспользоваться отдельными физическими явлениями, характерными для малых размеров. Например, в масштабе микрометра жидкостями можно манипулировать с помощью ламинарного потока, где вязкие силы доминируют в инерционных силах. В результате диффузный транспорт становится заметной особенностью микрофлюидики, и может быть изучен количественно и экспериментально. Эти системы могут быть правильно поняты с помощью законов Фика, теории броуновского движения, уравнения тепла, и / или уравнения Навье-Стокса, которые являются важными производными в области механики жидкости и транспортных явлений2.
Потому что многие группы в биологических науках исследования сложных систем на микроскопическом уровне, первоначально считалось, что микрофлюидные устройства будут иметь немедленное и значительное влияние на научно-исследовательские приложения в биологии2,3. Это связано с тем, что диффузия доминирует в переносе малых молекул через мембраны или внутри клетки, а размеры клеток и микроорганизмов идеально подходят для субмиллиметровых систем и устройств. Таким образом, существует значительный потенциал для повышения способа проведения клеточных и молекулярных экспериментов. Однако широкое внедрение биологами микрофлюидных технологий отстает от ожиданий4. Простой причиной отсутствия передачи технологии могут быть дисциплинарные границы, разделяющие инженеров и биологов. Индивидуальные разработки и изготовление устройств остаются вне возможностей большинства групп биологических исследований, что делает их зависимыми от внешних знаний и возможностей. Отсутствие знакомства с потенциальными приложениями, затраты и время, необходимое для проектирования итерации, также являются значительными барьерами для новых пользователей. Вполне вероятно, что эти барьеры привели к подрыву инноваций и предотвращению широкого применения микрофлюиди для решения проблем в биологических науках.
В качестве примера можно привести: с конца 1990-х годов мягкая фотолитография является методом выбора для изготовления микрофлюидных устройств. PDMS (полидиметилсилоксан, органический полимер на силиконовой основе) является широко используемым материалом из-за его физических свойств, таких как прозрачность, деформируемость и биосовместимость5. Техника пользуется большим успехом, с лабораторией-на-чип е и орган-на-чип устройств постоянно разрабатываются на этой платформе6. Большинство групп, работающих над этими технологиями, однако, находятся в инженерных отделов или имеют прочные связи с ними4. Литография обычно требует чистых комнат для изготовления форм и специализированного оборудования связи. Для многих групп это делает стандартные устройства PDMS менее идеальными из-за их капитальных затрат и времени, особенно когда возникает необходимость в повторных изменениях дизайна. Кроме того, технология в основном недоступна для среднего биолога и студентов, не имеющих доступа к специализированным инженерным лабораториям. Было предложено, чтобы микрофлюидные устройства были широко приняты, они должны имитировать некоторые качества материалов, обычно используемых биологами. Например, полистирол, используемый для клеточной культуры и биоассы, является недорогим, одноразовым и поддарен для массового производства. В отличие от этого, промышленное производство микрофлюиды на основе PDMS никогда не реализовывалось из-за его механической мягкости, нестабильности поверхностной обработки и проницаемости газа5. Из-за этих ограничений, и с целью решения технических проблем с помощью индивидуальных устройств, построенных “в доме”, мы описываем альтернативный метод, который использует ксурографию7,8,9 протоколов и теплового ламинирования. Этот метод может быть принят с небольшим капиталом и время инвестиций.
ПЕТЛ изготавливаются с использованием полиэтиленовой терафталатной (ПЭТ) пленки, покрытой термоадхесивным этилен-виниловым ацетатом (EVA). Оба материала широко используются в потребительских продуктах, являются биосовместимыми и легко доступны при минимальныхзатратах 10. Пленка PET/EVA может быть получена в виде ламинирующих сумок или рулонов. Используя управляемый компьютером резак, обычно встречающихся в любительских или ремесленных магазинах, каналы вырезаются из одного кинолиста для определения архитектуры устройства11. Каналы затем герметится, применяя дополнительные пленки (или стеклянные) слои, которые связаны с помощью (офис) теплового ламинатора (Рисунок 1A). Перфорированные, самоклеящиеся виниловые бамперы добавляются для облегчения доступа к каналам. Время изготовления колеблется от 5 до 15 мин, что позволяет быстро итерацию конструкции. Все оборудование и материалы, используемые для изготовления PETL, являются коммерчески доступными и доступными (350 долларов США стартовая стоимость, по сравнению с тысячами USDs для литографии). Таким образом, ПЕТЛ обеспечивают новое решение двух основных проблем, связанных с обычными микрофлюиками: доступность и эффективность времени (см. сравнение PDMS/PETL в дополнительных таблицах 1, 2).
В дополнение к предоставлению исследователям возможность разрабатывать и изготавливать свои собственные устройства, PETLs могут быть легко приняты в классе, потому что они просты и интуитивно понятны в использовании. PETLs могут быть включены в средней школы и колледжа учебные программы8, где они используются, чтобы помочь студентам лучше понять физические, химические и биологические концепции, как диффузия, ламинарный поток, микромикс, синтез наночастиц, градиент образования и химиотаксиса.
В этой работе мы иллюстрируем общий рабочий процесс для изготовления чипов PETL модели с различными уровнями сложности. Первое устройство используется для облегчения визуализации клеток и микроорганов в небольшой камере. Второе, более сложное устройство состоит из нескольких слоев и материалов, и используется для исследований в механобиологии9. Наконец, мы создали устройство, которое отображает несколько концепций динамики жидкости (гидродинамическая фокусировка, ламинарный поток, диффузный транспорт и микромиксинг) для образовательных целей. Представленный здесь проект рабочего процесса и устройств может быть легко адаптирован для широкого спектра целей как в исследовательских, так и в классе.
Protocol
Representative Results
Discussion
В то время как микрофлюитики все чаще присутствуют в арсенале лабораторий по всему миру, темпы внедрения были разочаровывающими, учитывая потенциал для его положительного воздействия16. Низкая стоимость и высокая эффективность изготовления микрожидкости устройства имею?…
Declarações
The authors have nothing to disclose.
Acknowledgements
Работа в этой рукописи была частично поддержана Национальным научным фондом (NSF) (Грант No. CBET-1553826) (и связанные с ним дополнения ROA) и Национальные институты здравоохранения (NIH) (Грант No. R35GM124935) в J.A., и Нотр-Дам Мельхор Посещение факультета фонда F.O. Мы хотели бы поблагодарить Дженну Шьердсму и Басар Бильгизер за предоставление клеток млекопитающих и культурных протоколов и Фабио Сакко за помощь с дополнительными цифрами.
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 |
Referências
- Xia, Y., Whitesides, G. M. SOFT LITHOGRAPHY. Annual Review of Materials Science. 28 (1), 153-184 (1998).
- Beebe, D. J., Mensing, G. A., Walker, G. M. Physics and Applications of Microfluidics in Biology. Annual Review of Biomedical Engineering. 4 (1), 261-286 (2002).
- Whitesides, G. M., Ostuni, E., Takayama, S., Jiang, X., Ingber, D. E. Soft Lithography in Biology and Biochemistry. Annual Review of Biomedical Engineering. 3 (1), 335-373 (2001).
- 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).
- Berthier, E., Young, E. W. K., Beebe, D. Engineers are from PDMS-land, Biologists are from Polystyrenia. Lab on a Chip. 12 (7), 1224 (2012).
- Zhang, B., Korolj, A., Lai, B. F. L., Radisic, M. Advances in organ-on-a-chip engineering. Nature Reviews Materials. 3 (8), 257-278 (2018).
- Bartholomeusz, D. A., Boutte, R. W., Andrade, J. D. Xurography: rapid prototyping of microstructures using a cutting plotter. Journal of Microelectromechanical Systems. 14 (6), 1364-1374 (2005).
- Martínez-Hernández, K. J., Rovira-Figueroa, N. D., Ontiveros, F. . Implementation and Assessment of Student-Made Microfluidic Devices in the General Chemistry Laboratory. , (2016).
- Levis, M., et al. Microfluidics on the fly: Inexpensive rapid fabrication of thermally laminated microfluidic devices for live imaging and multimodal perturbations of multicellular systems. Biomicrofluidics. 13 (2), 024111 (2019).
- Subramaniam, A., Sethuraman, S. Chapter 18 – Biomedical Applications of Nondegradable Polymers. Natural and Synthetic Biomedical Polymers. , 301-308 (2014).
- Yuen, P. K., Goral, V. N. Low-cost rapid prototyping of flexible microfluidic devices using a desktop digital craft cutter. Lab Chip. 10 (3), 384-387 (2010).
- Oya, K., et al. Surface Characteristics of Polyethylene Terephthalate (PET) Film Exposed to Active Oxygen Species Generated via Ultraviolet (UV) Lights Irradiation in High and Low Humidity Conditions. Journal of Photopolymer Science and Technology. 27 (3), 409-414 (2014).
- Narciso, C. E., Contento, N. M., Storey, T. J., Hoelzle, D. J., Zartman, J. J. Release of Applied Mechanical Loading Stimulates Intercellular Calcium Waves in Drosophila Wing Discs. Biophysical Journal. 113 (2), 491-501 (2017).
- Suh, Y. K., Kang, S. A Review on Mixing in Microfluidics. Micromachines. 1 (3), 82-111 (2010).
- Jahn, A., Vreeland, W. N., Gaitan, M., Locascio, L. E. Controlled Vesicle Self-Assembly in Microfluidic Channels with Hydrodynamic Focusing. Journal of the American Chemical Society. 126 (9), 2674-2675 (2004).
- Weibel, D., Whitesides, G. Applications of microfluidics in chemical biology. Current Opinion in Chemical Biology. 10 (6), 584-591 (2006).
- Chen, X., Li, T., Shen, J. CO2 Laser Ablation of Microchannel on PMMA Substrate for Effective Fabrication of Microfluidic Chips. International Polymer Processing. 31 (2), 233-238 (2016).
- Chen, X., Shen, J., Zhou, M. Rapid fabrication of a four-layer PMMA-based microfluidic chip using CO2-laser micromachining and thermal bonding. Journal of Micromechanics and Microengineering. 26 (10), 107001 (2016).
