Araştırma ve Eğitim Uygulamaları için Özel Mikroakışkan Cihazların Hızlı İmalatı
Summary
Burada en az finansal ve zaman yatırımı ile özel mikroakışkan cihazlar tasarlamak ve imal etmek için bir protokol salıyoruz. Amaç, biyomedikal araştırma laboratuvarlarında ve eğitim ortamlarında mikroakışkan teknolojilerin benimsenmesini kolaylaştırmaktır.
Abstract
Mikroakışkan cihazlar, nanodan milimetre-altı ölçeklere kadar çeşitli kanallarda sıvıların, parçacıkların, hücrelerin, mikro boyutlu organların veya organizmaların manipülasyonuna olanak tanır. Biyolojik bilimlerde bu teknolojinin kullanımında hızlı bir artış araştırma gruplarının geniş bir yelpazede erişilebilir yöntemler için bir ihtiyaç yol açmıştır. PDMS yapıştırma gibi mevcut üretim standartları, pahalı ve zaman alıcı litografik ve yapıştırma teknikleri gerektirir. Uygun bir alternatif kolayca uygun fiyatlı ekipman ve malzemelerin kullanımı, en az uzmanlık gerektiren ve tasarımların hızlı yineleme için izin. Bu çalışmada, pet-laminatlar (PETLs), ucuz, üretimi kolay ve mikroakışkan teknolojisine diğer yaklaşımlara göre üretmek için önemli ölçüde daha az zaman tüketen mikroakışkan cihazların tasarımı ve üretimi için bir protokol açıklanmaktadır. Onlar termal bağlı film sayfaları oluşur, hangi kanallar ve diğer özellikleri bir zanaat kesici kullanılarak tanımlanır. PETL’ler alana özgü teknik sorunları çözerken, evlat edinmenin önündeki engelleri önemli ölçüde azaltır. Bu yaklaşım, mikroakışkan cihazların hem araştırma hem de eğitim ortamlarında erişilebilirliğini kolaylaştırarak yeni sorgulama yöntemleri için güvenilir bir platform sağlar.
Introduction
Mikroakışkanlar, mikrolitrelerden (1 x 10-6 L) pikolitreye (1 x 10-12 L) kadar değişen hacimlerle küçük ölçeklerde sıvı kontrolü sağlar. Bu kontrol kısmen mikroişlemciendüstrisindenödünç alınan mikrofabrikasyon tekniklerinin uygulanması ile mümkün olmuştur. Kanalların ve odaların mikro boyutlu ağlarının kullanılması, kullanıcının küçük boyutların karakteristik belirgin fiziksel olaylarından yararlanmasını sağlar. Örneğin, mikrometre ölçeğinde, sıvılar, viskoz kuvvetlerin atalet kuvvetlerine hakim olduğu laminar akış kullanılarak manipüle edilebilir. Sonuç olarak, diffüzif taşıma mikroakışkanların belirgin özelliği haline gelir ve nicel ve deneysel olarak incelenebilir. Bu sistemler düzgün Fick yasaları, Brownhareket teorisi, ısı denklemi ve / veya navier-Stokes denklemleri, hangi akışkanlar mekaniği ve ulaşım olayları2alanlarında önemli türevleri kullanılarak anlaşılabilir .
Biyolojik bilimlerdeki birçok grup mikroskobik düzeyde karmaşık sistemleri incelediği için, başlangıçta mikroakışkan cihazların biyoloji2,3’tekiaraştırma uygulamaları üzerinde ani ve önemli bir etkisi olacağı düşünüldü. Bunun nedeni, küçük moleküllerin membranlar arasında veya bir hücre içinde taşınmasında baskın olan difüzyondur ve hücre ve mikroorganizmaların boyutları milimetre-altı sistemler ve cihazlar için ideal bir uyum sağlar. Bu nedenle, hücresel ve moleküler deneylerin yapılma biçimini geliştirmek için önemli bir potansiyel vardı. Ancak, biyologlar tarafından mikroakışkan teknolojilerin geniş benimsenmesi beklentilerin gerisinde kalmıştır4. Teknoloji transferinin olmamasının basit bir nedeni, mühendisleri ve biyologları birbirinden ayıran disiplin sınırları olabilir. Özel cihaz tasarımı ve imalatı, çoğu biyolojik araştırma grubundaki yeteneklerin hemen dışında kalarak onları dış uzmanlık ve tesislere bağımlı hale getirmektedir. Potansiyel uygulamalar, maliyet ve tasarım yineleme için gerekli zaman aşinalık eksikliği de yeni benimseyenler için önemli engellerdir. Bu engellerin yeniliği bozan ve biyolojik bilimlerdeki zorlukları ele almak için mikroakışkanların yaygın olarak uygulanmasını önleme etkisi ne kadar büyük tür.
Bir örnek: 1990’ların sonundan beri yumuşak fotolitografi mikroakışkan cihazların üretimi için tercih edilen yöntem olmuştur. PDMS (polidimethylsiloxane, silikon bazlı organik polimer) şeffaflık, deforme edilebilirlik ve biyouyumluluk 5 gibi fizikselözellikleri nedeniyle yaygın olarak kullanılan bir malzemedir. Bu teknik, bu platformda sürekli olarak geliştirilen lab-on-a-chip ve organ-on-a-chip cihazları ile büyük bir başarı elde etti6. Ancak bu teknolojiler üzerinde çalışan grupların çoğu mühendislik bölümlerinde bulunur veya onlarla güçlü bağları vardır4. Litografi genellikle kalıp ve özel yapıştırma ekipmanları imalatı için temiz odalar gerektirir. Birçok grup için bu, standart PDMS aygıtlarını, özellikle tekrarlanan tasarım değişiklikleri yapma ihtiyacı olduğunda, sermaye maliyetleri ve müşteri adayı zamanı nedeniyle idealden daha az hale getirir. Ayrıca, teknoloji çoğunlukla ortalama biyolog ve özel mühendislik laboratuvarları erişimi olmayan öğrenciler için erişilemez. Mikroakışkan cihazların yaygın olarak benimsenmesi için biyologlar tarafından yaygın olarak kullanılan malzemelerin bazı özelliklerini taklit etmeleri gerektiği ileri sürülmektedir. Örneğin, hücre kültürü ve biyoassays için kullanılan polistiren ucuz, tek kullanımlık ve seri üretim için münasip. Buna karşılık, PDMS tabanlı mikroakışkanların endüstriyel imalatı mekanik yumuşaklığı, yüzey işleme kararsızlığı ve gaz geçirgenliği nedeniyle hiçbir zaman gerçekleştirilmemiştir5. Bu sınırlamalar nedeniyle ve “şirket içinde” inşa edilmiş özelleştirilmiş cihazlar kullanarak teknik zorlukları çözme amacı ile, xurography7,8,9 protokolleri ve termal laminasyon kullanan alternatif bir yöntem açıklar. Bu yöntem az sermaye ve zaman yatırımı ile benimsenebilir.
PETLs polietilen tereftalat kullanılarak imal edilir (PET) film, termoadhesif etilen-vinil asetat ile kaplı (EVA). Her iki malzeme de tüketici ürünlerinde yaygın olarak kullanılır, biyouyumludur ve minimum maliyetle10’ahazırdır. PET/EVA filmi lamine poşet veya rulo şeklinde elde edilebilir. Genellikle hobisi veya zanaat mağazalarında bulunan bir bilgisayar kontrollü zanaat kesici kullanarak, kanallar cihazın mimarisi tanımlamak için tek bir film sayfası kesilir11. Kanallar daha sonra bir (ofis) termal laminatör(Şekil 1A)kullanılarak bağlanmış ek film (veya cam) katmanları uygulanarak mühürlenir. Kanallara erişimi kolaylaştırmak için delikli, kendinden yapışkanlı vinil tamponlar eklenir. Üretim süreleri 5 ila 15 dakika arasında değişir, bu da hızlı tasarım yinelemesine olanak tanır. PETL’lerin üretimi için kullanılan tüm ekipman ve malzemeler ticari olarak erişilebilir ve uygun fiyatlıdır (<350 USD başlangıç maliyeti, litografi için binlerce USD ile karşılaştırıldığında). Bu nedenle, PETLs konvansiyonel mikroakışkanlar tarafından ortaya çıkan iki ana sorunlara yeni bir çözüm sağlar: uygun fiyat ve zaman etkinliği (Ek Tablolar 1, 2PDMS / PETL karşılaştırma bakınız).
Araştırmacılara kendi cihazlarını tasarlama ve imal etme fırsatı sunmanın yanı sıra, PETL’ler kullanımı basit ve sezgisel oldukları için sınıfta kolayca benimsenebilir. PETLs lise ve üniversite müfredat8dahil edilebilir , öğrencilerin daha iyi fiziksel anlamalarına yardımcı olmak için kullanılan nerede, kimyasal ve biyolojik kavramları, difüzyon gibi, laminar akış, mikromiksleme, nanopartikül sentezi, degrade oluşumu ve kemotaksis.
Bu çalışmada, farklı karmaşıklık düzeylerine sahip model PETLs yongalarının imalatı için genel iş akışını gösteriyoruz. İlk cihaz küçük bir odada hücre ve mikro organların görüntülenmesi kolaylaştırmak için kullanılır. İkinci, daha karmaşık cihaz birkaç katman ve malzemeden oluşur ve mekanobiyoloji9araştırma için kullanılır. Son olarak, eğitim amaçlı çeşitli akışkandinamiği kavramları (hidrodinamik odaklama, laminar akış, diffusive transport ve micromixing) görüntüleyen bir cihaz inşa ettik. Burada sunulan iş akışı ve cihaz tasarımları, hem araştırma hem de sınıf ortamlarında çok çeşitli amaçlariçin kolayca uyarlanabilir.
Protocol
Representative Results
Discussion
Mikroakışkanlar giderek dünya çapında laboratuvarların alet kutusunda mevcut iken, benimsenme hızı hayal kırıklığı olmuştur, olumlu etkisi için potansiyel göz önüne alındığında16. Mikroakışkan cihaz imalatının düşük maliyeti ve yüksek verimi, ortalama bir araştırma laboratuvarında bu teknolojinin benimsenmesini hızlandırmak için gereklidir. Burada açıklanan yöntem, litografik yöntemlerin gerektirdiği zaman ve maliyetin çok altında iki ve üç boyutlu ayg?…
Declarações
The authors have nothing to disclose.
Acknowledgements
Bu el yazmasındaki çalışmalar kısmen Ulusal Bilim Vakfı (NSF) (Grant No. CBET-1553826) (ve ilgili ROA eki) ve Ulusal Sağlık Enstitüleri (NIH) (Grant No. R35GM124935) J.Z.’ye ve Notre Dame Melchor’dan F.O.’ya Fakülte fonunu ziyaret etti. Jenna Sjoerdsma ve Başar Bilgiçer’e memeli hücreleri ve kültür protokolleri ve Fabio Sacco’ya ek rakamlarla desteklerinden dolayı teşekkür ederiz.
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).
