Summary
El presente protocolo describe una plataforma microfluídica neumática que se puede utilizar para una concentración eficiente de micropartículas.
Abstract
El presente artículo presenta un método para fabricar y operar una válvula neumática para controlar la concentración de partículas utilizando una plataforma microfluídica. Esta plataforma tiene una red tridimensional (3D) con canales de fluidos curvos y tres válvulas neumáticas, que crean redes, canales y espacios a través de la replicación dúplex con polidimetilsiloxano (PDMS). El dispositivo funciona en función de la respuesta transitoria de un caudal de fluido controlado por una válvula neumática en el siguiente orden: (1) carga de muestra, (2) bloqueo de muestra, (3) concentración de muestra y (4) liberación de muestra. Las partículas están bloqueadas por la deformación de la capa delgada del diafragma de la placa de la válvula del tamiz (Vs) y se acumulan en el canal microfluídico curvo. El fluido de trabajo se descarga mediante el accionamiento de dos válvulas de encendido / apagado. Como resultado de la operación, todas las partículas de varios aumentos fueron interceptadas y desconectadas con éxito. Cuando se aplica esta tecnología, la presión de funcionamiento, el tiempo requerido para la concentración y la tasa de concentración pueden variar según las dimensiones del dispositivo y el aumento del tamaño de partícula.
Introduction
Debido a la importancia del análisis biológico, las tecnologías de sistemas microelectromecánicos microfluídicos y biomédicos (BioMEMS) 1,2 se utilizan para desarrollar y estudiar dispositivos para la purificación y recolección de micromateriales 2,3,4. La captura de partículas se clasifica como activa o pasiva. Las trampas activas se han utilizado para las fuerzas dieléctricas externas5, magnetoforéticas6,auditivas 7, visuales8 o térmicas9 que actúan sobre partículas independientes, lo que permite un control preciso de sus movimientos. Sin embargo, se requiere una interacción entre la partícula y la fuerza externa; por lo tanto, el rendimiento es bajo. En los sistemas microfluídicos, el control del caudal es muy importante porque las fuerzas externas se transmiten a las partículas objetivo.
En general, los dispositivos microfluídicos pasivos tienen micropilares en microcanales10,11. Las partículas se filtran a través de la interacción con un fluido que fluye, y estos dispositivos son fáciles de diseñar y baratos de fabricar. Sin embargo, causan obstrucción de partículas en micropilares, por lo que se han desarrollado dispositivos más complejos para evitar la obstrucción de partículas12. Los dispositivos microfluídicos con estructuras complejas son generalmente adecuados para manejar un número limitado de partículas 13,14,15,16,17,18.
Este artículo describe un método para fabricar y operar una plataforma microfluídica impulsada neumáticamente para grandes concentraciones de partículas que supera las deficiencias18 como se mencionó anteriormente. Esta plataforma puede bloquear y concentrar partículas por deformación y accionamiento de la capa delgada del diafragma de la placa de la válvula de tamiz (Vs) que se acumula en canales microfluídicos curvos. Las partículas se acumulan en canales microfluídicos curvos, y las partículas concentradas pueden separarse descargando el fluido de trabajo mediante el accionamiento de dos sellos PDMS válvulas de encendido / apagado18. Este método permite procesar un número limitado de partículas o concentrar un gran número de partículas pequeñas. Las condiciones de funcionamiento, como la magnitud del caudal y la presión del aire comprimido, pueden evitar daños no deseados en las celdas y aumentar la eficiencia de captura de las celdas.
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Protocol
1. Diseño de la plataforma microfluídica para la concentración de partículas
- Diseñar la plataforma microfluídica neumática que consta de una válvula neumática para el flujo de fluidos en la red de flujo 3D y tres válvulas neumáticas para el funcionamiento de la válvula de tamiz (Vs), fluido (Vf) y partícula (Vp) (Figura 1).
NOTA: Los bloques Vs concentran partículas del líquido, y Vf y Vp permiten la liberación de fluidos y partículas después de la concentración. Tres puertos neumáticos proporcionan aire comprimido desde la capa de suministro de fluido/neumático (normalmente abierta) y la salida de luz de la válvula neumática para accionar la válvula. La red de canales microfluídicos está diseñada con un programa CAD18,19. - Diseñe el canal para que sea una capa de suministro neumática y una capa de red de canal 3D (Figura 2).
NOTA: La red fluida está interconectada con los canales curvos en la parte anterior y la cámara rectangular en la región posterior. Vs bloquean la entrada y las partículas se acumulan en el área de recolección del canal de fluido curvo. Los fluidos libres de partículas (líquidos libres de partículas) se salen a través de la salida Qf y las partículas concentradas a través de la salida Qp (Figura 3). - De acuerdo con las condiciones anteriores, prepare cuatro tipos de moldes SU-8.
NOTA: Los cuatro moldes incluyen un molde que permite controlar la válvula a través de la neumática, dos moldes que crean canales de fluido y un molde limpio sin forma (Figura 4 y Tabla 1). Los cuatro tipos de moldes mencionados se fabrican utilizando procesos de fotolitografía estándar. Esta fabricación de moldes consiste en un molde SU-8 en una oblea de silicio según los informes publicados anteriormente18,19. La figura 5 muestra el chip del dispositivo.
2. Fabricación de la plataforma microfluídica para la concentración de partículas
NOTA: La Figura 6 ilustra la fabricación de una plataforma microfluídica que concentra partículas.
- Replique la capa PDMS utilizando un molde SU-8 de canal de válvula neumática preparado (paso 1.3) para controlar neumáticamente la válvula.
- Vierta 10 ml de PDMS líquido y 1 ml de agente de curado (consulte la Tabla de materiales) en un molde de canal de válvula neumático preparado (paso 1.3) y active térmicamente a 90 °C durante 30 min.
- Después de curar las estructuras PDMS, separe el molde SU-8 del paso 2.1.1.
- Perfore tres puertos neumáticos de 1,5 mm (Vs, Vf y Vp) en el canal de la válvula neumática fabricado de acuerdo con el paso 2.1.2 mediante una punción de 1,5 mm (consulte la Tabla de materiales).
- Vierta 10 ml de PDMS líquido y 1 ml de agente de curado en un molde SU-8 limpio preparado preparado en el paso 1.3 y haga spin-coat a 1.500 rpm durante 15 s utilizando un recubrimiento de espín (consulte la Tabla de materiales). A continuación, activar térmicamente a 90 °C durante 30 min.
- Después de curar las estructuras PDMS, separe el molde SU-8 del paso 2.1.4.
NOTA: La capa de diafragma de la válvula controla el flujo de fluido de acuerdo con la presión neumática. - Tratar el plasma atmosférico (ver Tabla de Materiales) a las estructuras PDMS preparadas en los pasos 2.1.3 y 2.1.5 durante 20 s.
- Alinee directamente las estructuras PDMS tratadas con plasma a partir del paso 2.1.6 de acuerdo con la estructura del canal verificando con un microscopio.
- Unir las estructuras PDMS alineadas preparadas en el paso 2.1.7 calentando a 90 °C durante 30 min.
- Perfore un orificio de 1,5 mm de diámetro en la entrada del canal de fluido (Qfp) y las salidas del canal de fluido (Qf y Qp) dentro de la parte del canal neumático a la que está unida la capa delgada del diafragma, mediante una punción de 1,5 mm.
- Replique ambos lados de la capa PDMS utilizando dos moldes SU-8 para hacer un canal microfluídico. Utilice un molde de canal microfluídico curvo y rectangular en la parte delantera y un molde de canal de interconexión microfluídica en la parte trasera.
- Vierta 10 ml de PDMS líquido y 1 ml de agente de curado en el molde de canal microfluídico curvo y rectangular y en la capa de espín a 1.200 rpm durante 15 s. A continuación, cree moldes para la cámara de fluido curva y los canales de fluido mediante activación térmica a 90 °C durante 30 min (Figura 6A).
- Separe la capa PDMS en la que se forma el canal microfluídico, luego haga un molde activado por calor que cubra la pared de ventilación sellada uniéndose a la oblea de vidrio tratando el plasma atmosférico durante 20 s (Figura 6B).
- Vierta 3 ml de PDMS líquido en el canal de interconexión del molde SU-8 (Figura 6C).
- Organice la estructura fabricada en el paso 2.2.2 con el molde de canal de interconexión en PDMS líquido en el molde de canal de interconexión microfluídica y seque la estructura superpuesta a 130 °C durante 30 min (Figura 6D).
NOTA: Al curar la estructura trasera, el molde PDMS fabricado en el paso 2.2.2 se infla por la presión térmica de la capa de aire, y la capa PDMS deformada se activa térmicamente (Figura 6E)16. - Después del curado, retire el molde frontal SU-8 de la capa de red del canal microfluídico y despegue cuidadosamente el molde PDMS trasero (Figura 6F).
NOTA: La capa de red fluídica 3D permite la creación de una cámara de fluido curvada anterior y canales microfluídicos. - Vierta 10 ml de PDMS líquido y 1 ml de agente de curado en un molde SU-8 limpio. A continuación, activar térmicamente a 90 °C durante 30 min.
- Después de curar las estructuras PDMS, separe el molde SU-8.
NOTA: Este paso crea la capa de sellado adicional. - Tratar el plasma atmosférico a estructuras PDMS preparadas en los pasos 2.2.3 y 2.2.7 durante 20 s.
- Alinee directamente las estructuras PDMS tratadas con plasma de acuerdo con la estructura del canal verificando con un microscopio.
- Unir las estructuras PDMS alineadas calentando a 90 °C durante 30 min.
- Alinear las estructuras PDMS preparadas en los pasos 2.1 y 2.2 según la estructura del canal y unirlas tratando plasma atmosférico durante 20 s.
3. Configuración del dispositivo
NOTA: La Figura 7 muestra la fabricación de una plataforma microfluídica que concentra partículas.
- Llene manualmente el canal microfluídico con agua desmineralizada sin burbujas con una jeringa de 10 ml.
- Para controlar el P_Qfp y las tres válvulas neumáticas (P_Vs, P_Vf y P_Vp) que controlan el flujo de microperlas, inserte un controlador de presión de precisión con cuatro o más canales de salida (consulte la Tabla de materiales) para el fluido de trabajo (Qfp) en la plataforma microfluídica.
NOTA: Un controlador de presión de precisión con cuatro canales de salida se puede reemplazar con múltiples controladores de presión de precisión. En este experimento, la presión de funcionamiento de P_Qfp fue de 10 kPa, P_Vs fue de 15 kPa y P_Vf y P_Vp fueron de 18 kPa (Figura 8 y Tabla 2). La Figura 8 muestra el caudal de fluido de trabajo a lo largo del tiempo a medida que las partículas son concentradas por la plataforma microfluídica con P_Vs de 15 kPa, y la Tabla 2 muestra los resultados de actuación de acuerdo con las válvulas neumáticas. - Preparar partículas de prueba de poliestireno carboxilo de varios tamaños en agua destilada (ver Tabla de Materiales).
NOTA: Los tamaños de partícula utilizados en este experimento fueron 24.9, 8.49 y 4.16 μm; se pueden usar partículas de varios tamaños dependiendo de la presión de P_Vs. - Para controlar el caudal del fluido de trabajo, llene una botella de vidrio medio llena de agua (fluido de trabajo) y conecte la tapa de la botella de vidrio al canal de salida del controlador y a la microválvula.
NOTA: Conecte un tubo a la microválvula para recibir aire comprimido del controlador y el otro tubo para inyectar agua. - Observe el funcionamiento de la plataforma a través de un microscopio invertido para todas las operaciones de la plataforma y mida el caudal de funcionamiento a lo largo del tiempo en la salida mediante un medidor de flujo de líquido (consulte la Tabla de materiales).
4. Funcionamiento del dispositivo
- Inyecte la mezcla partícula/fluido bajo presión en la entrada (Qfp) con Vp (Figura 9A).
NOTA: El flujo de partículas y fluido limpio desde la salida a través de los canales interconectados se controlan a través de Vp y Vf, respectivamente (Tabla 2). - Aplique presión a Vs a 15 kPa y Vp a 18 kPa para accionar la válvula.
NOTA: En este momento, el diafragma se deforma, las partículas del fluido Qfp se bloquean en el espacio de contacto entre el canal de fluido curvo y el fluido curvo en voladizo, y el fluido Qfp no deseado se libera a través del Qf abierto (Figura 9B, C). - Cuando las partículas estén concentradas, aplique presión solo a Vf.
NOTA: En este momento, cuando la presión se aplica solo a Vf, las partículas obstruidas se liberan a través de Qp (Figura 9D).
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Representative Results
La Figura 8 muestra el caudal de los caudales para una operación de plataforma de cuatro etapas, como se menciona en la Tabla 2. La primera etapa es el estado de carga (un estado). La plataforma se suministró con fluido con todas las válvulas abiertas, y el fluido de trabajo (Qf) y las partículas (Qp) son casi idénticos ya que la red de canales microfluídicos exhibe simetría estructural. En la segunda etapa (estado b), el aire comprimido se transportó a Vs para bloquear las partículas, y a medida que el diafragma Vs se deformó, la trayectoria del flujo se estrechó y el caudal medido en el puerto de salida se redujo por resistencia hidráulica. Los caudales de Qf y Qp fueron casi similares, y la diferencia fue inferior al 2,67%. En la tercera etapa (estado c), se entregó aire comprimido a Vs y Vp para la concentración de partículas, con Vs y Vp cerrados y Vf abiertos. El Qp medido fue cercano a cero, y el Qf fue aproximadamente 1,42 veces mayor que el del estado b. En la mayoría de los casos, el caudal se duplica cuando ambos canales de disipación están en funcionamiento, pero la plataforma tiene diferentes tipos de resistencia hidráulica en los principales canales de fluido y V, por lo que se reduce el flujo total del fluido de trabajo. Finalmente (estado d), el aire comprimido se entregó solo a Vf para recoger las partículas concentradas, y los caudales de Qf y Qp se invirtieron. El flujo fue cero porque Vf bloqueó Qf, y Qp fue aproximadamente 1,42 veces el estado b. La relación de concentración de las partículas (Qp/(Qf+Qp) × 100) fue de 3,96-4,53. Esto demuestra que el accionamiento secuencial programado con la válvula neumática funciona bien debido a los cambios de flujo.
La Figura 9 muestra la pantalla capturando partículas concentradas. La Figura 9A muestra el estado de flujo del fluido con las tres válvulas neumáticas no accionadas, la Figura 9B muestra el método utilizado para atrapar las partículas, la Figura 9C muestra el método del tamiz y la Figura 9D muestra la eyección de las perlas concentradas. Las partículas se concentraron y acumularon en el área de recolección cuando se cerraron Vs y Vp, y todas las partículas concentradas recolectadas se liberaron dentro de los 4 s cuando solo vf se cerró. Por lo tanto, el dispositivo recoge con éxito muchas partículas adecuadas para la recolección y concentración de partículas.
Figura 1: Diagrama esquemático de una plataforma microfluídica neumática para la concentración de micropartículas (P, puerto; Q, caudal; f, fluido; p, partícula; V, válvula; s, tamiz). Haga clic aquí para ver una versión más grande de esta figura.
Figura 2: Montaje de la plataforma microfluídica neumática para la concentración de micropartículas. Haga clic aquí para ver una versión más grande de esta figura.
Figura 3: Esquema de Vs en la plataforma microfluídica neumática para la concentración de micropartículas (P, puerto; Q, caudal; f, fluido; p, partícula; V, válvula; s, tamiz). Haga clic aquí para ver una versión más grande de esta figura.
Figura 4: Imagen CAD de la plataforma microfluídica neumática para la concentración de micropartículas. (A) Válvula de canal neumático. (B) Canal de fluido principal. (C) Canal de fluido de interconexión. (D) Imagen cruzada de cada canal (Para las dimensiones de 1 a 7, véase la Tabla 1). Haga clic aquí para ver una versión más grande de esta figura.
Figura 5: Imagen de fabricación de la plataforma microfluídica neumática para la concentración de micropartículas. Haga clic aquí para ver una versión más grande de esta figura.
Figura 6: Esquema de la sección transversal de la red de canales fluídicos 3D durante la fabricación. (A) Se crean moldes para la cámara de fluido curva y el canal de fluido para el moldeo de réplicas. (B) Unión por plasma de la capa PDMS después del curado a una oblea de vidrio. (C) El PDMS líquido se vierte en el molde SU-8 para crear el canal de interconexión. (D) La cámara de fluido y la estructura del canal de fluido están dispuestas en PDMS líquido en el molde SU-8. (E) El sistema se infla por la presión térmica de la capa de aire. (F) Se retira la estructura inflada y el molde SU-8. Haga clic aquí para ver una versión más grande de esta figura.
Figura 7: Esquema de la plataforma microfluídica neumática configurada para la concentración de micropartículas. Haga clic aquí para ver una versión más grande de esta figura.
Figura 8: El caudal de los caudales para una operación de plataforma de cuatro etapas. Los caudales de fluido de trabajo Qf y Qp después de los tiempos de operación Vf y Vp establecidos (tiempos de concentración de partículas) en una plataforma microfluídica neumática con una Vs de 15 kPa. a-d muestra el estado de operación de la plataforma microfluídica neumática de acuerdo con la Tabla 2. (1) Carga de muestras, (2) Bloqueo de muestras, (3) Concentración de muestras, (4) Liberación de muestras. Haga clic aquí para ver una versión más grande de esta figura.
Figura 9: Funcionamiento del concentrador de micropartículas. A) Antes de la operación. (B) Tamizado de micropartículas. (C) Terminación del tamiz de micropartículas. (D) Liberación de partículas concentradas. Haga clic aquí para ver una versión más grande de esta figura.
| Número | Estructura | Ancho (W) o diámetro (D), (μm) | |||
| 1 | Cámara neumática | 1200 (D) | |||
| 2 | Canal neumático | 50 (W) | |||
| 3 | Canal fluido | 200 (O) | |||
| 4 | Cámara de fluidos para Vs | 800 (D) | |||
| 5 | Cámara de fluidos para Vp (Vf) | 400 (D) | |||
| 6 | Cámara de interconexión | 400 (D) | |||
| 7 | Canal de interconexión | 200 (O) | |||
Tabla 1: Dimensiones de la plataforma microfluídica neumática (1 a 7 en la Figura 4).
| Estado | Microfluídica neumática Operación de la plataforma |
Funcionamiento de la válvula neumática | |||
| Señal | Vs | Vf | Vp | ||
| un | Carga | 4 | APAGADO | APAGADO | APAGADO |
| b | Bloqueante | 1 | EN | APAGADO | APAGADO |
| c | Concentración | 2 | EN | APAGADO | EN |
| d | Lanzamiento | 3 | APAGADO | EN | APAGADO |
Tabla 2: Operación de plataforma microfluídica neumática por operación de válvula neumática, que se muestra en la Figura 8.
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Discussion
Esta plataforma proporciona una forma sencilla de purificar y concentrar partículas de varios tamaños. Las partículas se acumulan y liberan a través del control de la válvula neumática, y no se observa obstrucción porque no hay una estructura pasiva. Usando este dispositivo, se presenta la concentración de partículas de tres tamaños. Sin embargo, la presión de funcionamiento, el tiempo requerido para la concentración y la velocidad pueden variar según las dimensiones del dispositivo, el aumento del tamaño de partícula y la presión en Vs 18,20,21.
Al realizar el paso 3.1, las burbujas de aire pueden permanecer en la superficie curva del canal. Cuando la burbuja de aire permanece, el ambiente en el canal cambia, por lo que es necesario verificar el canal con mucho cuidado a través de un microscopio antes de la operación.
En comparación con estudios anteriores, esta plataforma tiene algunas ventajas y desventajas. En el método dielectroforético, se utilizan menos partículas diana22. Se requirió un proceso adicional para preparar partículas para mejorar la interacción física entre las partículas y las fuerzas externas22,23. Se deben considerar problemas de diseño complejos para aumentar la eficiencia de separación en sistemas de separación magnetoforética 5,22. Esta plataforma mostró una mayor eficiencia de separación que el método ultrasónico, que puede separar muestras a altas tasas de flujo24. Sin embargo, debido a que esta plataforma no tiene una estructura pasiva, no se observó ningún efecto de obstrucción 25,26,27 cuando las cuentas fueron atrapadas y acumuladas, a diferencia del método pasivo. 7,10 Esta plataforma se puede utilizar para el pretratamiento del agua al concentrar y extraer biopartículas en suspensión, ya que el funcionamiento no se ve afectado por las propiedades de las partículas físicas18,21.
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Disclosures
Los autores no tienen conflictos de intereses que revelar.
Acknowledgments
Este trabajo fue apoyado por la subvención de la Fundación Nacional de Investigación de Corea (NRF) financiada por el gobierno de Corea (Ministerio de Ciencia y TIC). (No. NRF-2021R1A2C1011380).
Materials
| Name | Company | Catalog Number | Comments |
| 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 |
References
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