Pneumatisk drevet mikrofluidisk platform til mikropartikelkoncentration
Summary
Den nuværende protokol beskriver en pneumatisk mikrofluidisk platform, der kan bruges til effektiv mikropartikelkoncentration.
Abstract
Denne artikel introducerer en metode til fremstilling og betjening af en pneumatisk ventil til styring af partikelkoncentration ved hjælp af en mikrofluidisk platform. Denne platform har et tredimensionelt (3D) netværk med buede væskekanaler og tre pneumatiske ventiler, som skaber netværk, kanaler og rum gennem dupleksreplikation med polydimethylsiloxan (PDMS). Anordningen fungerer på grundlag af den forbigående respons af en væskestrømningshastighed, der styres af en pneumatisk ventil i følgende rækkefølge: (1) prøvebelastning, (2) prøveblokering, (3) prøvekoncentration og (4) prøvefrigivelse. Partiklerne blokeres af tyndt membranlagsdeformation af sigteventilen (Vs) pladen og akkumuleres i den buede mikrofluidiske kanal. Arbejdsvæsken udledes ved aktivering af to tænd / sluk-ventiler. Som et resultat af operationen blev alle partikler med forskellige forstørrelser med succes opfanget og frakoblet. Når denne teknologi anvendes, kan driftstrykket, den tid, der kræves til koncentration, og koncentrationshastigheden variere afhængigt af enhedens dimensioner og partikelstørrelsesforstørrelse.
Introduction
På grund af betydningen af biologisk analyse anvendes mikrofluidiske og biomedicinske mikroelektromekaniske systemer (BioMEMS) teknologier 1,2 til at udvikle og studere udstyr til rensning og indsamling af mikromaterialer 2,3,4. Partikelfangst er kategoriseret som aktiv eller passiv. Aktive fælder er blevet anvendt til eksterne dielektriske5, magnetoforetiske6, auditive7, visuelle8 eller termiske9 kræfter, der virker på uafhængige partikler, hvilket muliggør præcis kontrol af deres bevægelser. Imidlertid kræves en interaktion mellem partiklen og den eksterne kraft; således er gennemstrømningen lav. I mikrofluidiske systemer er styring af strømningshastigheden meget vigtig, fordi de eksterne kræfter overføres til målpartiklerne.
Generelt har passive mikrofluidiske enheder mikrosøpillarer i mikrokanaler10,11. Partikler filtreres gennem interaktion med en flydende væske, og disse enheder er nemme at designe og billige at fremstille. De forårsager imidlertid partikeltilstopning i mikrosøjler, så der er udviklet mere komplekse enheder for at forhindre partikeltilstopning12. Mikrofluidiske enheder med komplekse strukturer er generelt egnede til styring af et begrænset antal partikler 13,14,15,16,17,18.
Denne artikel beskriver en metode til fremstilling og drift af en pneumatisk drevet mikrofluidisk platform til store partikelkoncentrationer, der overvinder manglerne18 som nævnt ovenfor. Denne platform kan blokere og koncentrere partikler ved deformation og aktivering af det tynde membranlag af sigteventilen (Vs) pladen, der akkumuleres i buede mikrofluidiske kanaler. Partikler akkumuleres i buede mikrofluidiske kanaler, og de koncentrerede partikler kan adskilles ved at udlede arbejdsvæsken via aktivering af to PDMS-tætninger til / fra ventiler18. Denne metode gør det muligt at behandle et begrænset antal partikler eller koncentrere et stort antal små partikler. Driftsforhold såsom størrelsen af strømningshastigheden og tryklufttrykket kan forhindre uønsket celleskade og øge cellefangsteffektiviteten.
Protocol
Representative Results
Discussion
Denne platform giver en enkel måde at rense og koncentrere partikler i forskellige størrelser på. Partikler akkumuleres og frigives gennem pneumatisk ventilstyring, og der observeres ingen tilstopning, fordi der ikke er nogen passiv struktur. Ved hjælp af denne enhed præsenteres koncentrationen af partikler i tre størrelser. Driftstrykket, den tid, der kræves til koncentration, og hastigheden kan dog variere afhængigt af enhedens dimensioner, partikelstørrelsesforstørrelse og trykket ved Vs 18,20,21.<sup class=…
Declarações
The authors have nothing to disclose.
Acknowledgements
Dette arbejde blev støttet af National Research Foundation of Korea (NRF) tilskud finansieret af Koreas regering (Ministeriet for Videnskab og IKT). (Nej. NRF-2021R1A2C1011380).
Materials
| 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 |
Referências
- Whitesides, G. M. The origins and the future of microfluidics. Nature. 442 (7107), 368-373 (2006).
- Desitter, I., et al. A new device for rapid isolation by size and characterization of rare circulating tumor cells. Anticancer Research. 31 (2), 427-441 (2011).
- Hayes, D. F., et al. Circulating tumor cells at each follow-up time point during therapy of metastatic breast cancer patients predict progression-free and overall survival. Clinical Cancer Research. 12 (14), 4218-4224 (2016).
- Choi, S., Park, J. K. Microfluidic system for dielectrophoretic separation based on a trapezoidal electrode array. Lab on a Chip. 5 (10), 1161-1167 (2005).
- Jung, Y., et al. Six-stage cascade paramagnetic mode magnetophoretic separation system for human blood samples. Biomedical Microdevices. 12 (4), 637-645 (2010).
- Li, P., et al. Acoustic separation of circulating tumor cells. Proceedings of the National Academy of Sciences. 112 (16), 4970-4975 (2015).
- Lin, Y. H., Lee, G. B. Optically induced flow cytometry for continuous microparticle counting and sorting. Biosensors and Bioelectronics. 24 (4), 572-578 (2008).
- Gramotnev, D. K., et al. Thermal tweezers for surface manipulation with nanoscale resolution. Applied Physics Letters. 90 (5), 054108 (2007).
- Huang, L. R., et al. Continuous particle separation through deterministic lateral displacement. Science. 304 (5673), 987-990 (2004).
- Yin, D., et al. Multi-stage particle separation based on microstructure filtration and dielectrophoresis. Micromachines. 10 (2), 103 (2019).
- Yoon, Y., et al. Clogging-free microfluidics for continuous size-based separation of microparticles. Scientific Reports. 6 (1), 1-8 (2016).
- Alvankarian, J., Majlis, B. Y. Tunable microfluidic devices for hydrodynamic fractionation of cells and beads: a review. Sensors. 15 (11), 29685-29701 (2015).
- Irimia, D., Toner, M. Cell handling using microstructured membranes. Lab on a Chip. 6 (3), 345-352 (2006).
- Huang, S. B., et al. A tunable micro filter modulated by pneumatic pressure for cell separation. Sensors and Actuators B: Chemical. 142 (1), 389-399 (2009).
- Chang, Y. H., et al. A tunable microfluidic-based filter modulated by pneumatic pressure for separation of blood cells. Microfluidics and Nanofluidics. 12 (1-4), 85-94 (2012).
- Oh, C. K., et al. Fabrication of pneumatic valves with spherical dome-shape fluid chambers. Microfluidics and Nanofluidics. 19 (5), 1091-1099 (2015).
- Liu, W., et al. Dynamic trapping and high-throughput patterning of cells using pneumatic microstructures in an integrated microfluidic device. Lab on a Chip. 12 (9), 1702-1709 (2012).
- Jang, J. H., Jeong, O. C. Fabrication of a pneumatic microparticle concentrator. Micromachines. 11 (1), 40 (2020).
- McDonald, J. C., et al. Poly(dimethylsiloxane) as a material for fabricating microfluidic device. Accounts of Chemical Research. 35 (7), 491-499 (2002).
- Brivio, M., et al. A MALDI-chip integrated system with a monitoring window. Lab on a Chip. 5 (4), 378-381 (2005).
- Jeong, O. C., Konishi, S. The self-generated peristaltic motion of cascaded pneumatic actuators for micro pumps. Journal of Micromechanics and Microengineering. 18 (8), 085017 (2008).
- Taff, B. M., Voldman, J. A scalable addressable positive dielectrophoretic cell-sorting array. Analytical Chemistry. 77 (24), 7976-7983 (2005).
- Pamme, N., et al. On-chip free-flow magnetophoresis: Separation and detection of mixtures of magnetic particles in continuous flow. Journal of Magnetism and Magnetic Materials. 307 (2), 237-244 (2006).
- Harris, N. R., et al. Performance of a micro-engineered ultrasonic particle manipulator. Sensors and Actuators B: Chemical. 111, 481-486 (2005).
- Yoon, Y., et al. Clogging-free microfluidics for continuous size-based separation of microparticles. Scientific Reports. 6 (1), 1-18 (2016).
- Beattie, W., et al. Clog-free cell filtration using resettable cell traps. Lab on a Chip. 14 (15), 2657-2665 (2014).
- Cheng, Y., et al. A bubble- and clogging-free microfluidic particle separation platform with multi-filtration. Lab on a Chip. 16 (23), 4517-4526 (2016).
