High Speed ​​Delivery System Droplet-based para Passive Bombeamento em dispositivos microfluídicos

O bombeamento passivo requer uma grande gota colocada na saída e uma pequena colocada na entrada. Isso causará a diferença de pressão necessária para conduzir o fluxo. Gotas alternadas de fluidos diferentes farão com que os pacotes voem no canal e, eventualmente, sejam coletados na saída.

Altas taxas de fluxo podem ser alcançadas fornecendo gotículas de baixo volume a uma frequência alta o suficiente para obter um invólucro de fluido estável na entrada. Olá, sou Pedro Reto, do laboratório Justin Williams no Departamento de Engenharia Biomédica da Universidade de Wisconsin Medicine. E eu sou Brian Mogan, também do laboratório Williams.

E eu sou Aaron Burier, do Professor S Lab, também no departamento de engenharia biomédica da W Medicine. Hoje vamos mostrar um procedimento para fazer bombeamento passivo em dispositivos microfluídicos. Em nosso laboratório, usamos esse procedimento para estudar o fluxo dentro de microcanais e estudar a troca fluídica dentro do canal para aplicações biológicas.

Então vamos começar. Primeiro, usando a técnica de litografia suave, crie um dispositivo microfluídico usando polimetil suboxona. Em seguida, corte o dispositivo e reverta.

Conecte o dispositivo PDMS a uma lâmina de vidro pressionando-o na corrediça e espremendo as bolhas de ar. Um acessório reversível permite que o dispositivo seja reutilizado várias vezes. Agora encha o dispositivo com líquido.

Usamos água com corante alimentar. Se o líquido não entrar no canal sozinho, coloque uma gota de líquido na entrada e use uma pipeta na extremidade oposta para sugar o líquido pelo canal. Depois de encher o dispositivo com líquido, coloque uma pequena gota na entrada e uma gota maior na saída.

Certifique-se de que o fluido esteja se movendo, observando a pequena queda na entrada entrar em colapso enquanto a queda de saída fica maior. Antes de prosseguirmos, vamos explicar as relações básicas do bombeamento passivo. A dinâmica das gotas bombeadas depende de várias coisas, dimensões do canal com altura e comprimento e do tamanho da gota que é colocada na entrada.

Para lhe dar uma ideia melhor de como esses fatores afetam o fluxo, daremos alguns exemplos. Vamos começar com dois canais semelhantes. Eles têm a mesma largura e altura, mas um é mais longo que o outro.

Agora colocamos gotas do mesmo tamanho na entrada de cada canal. Observe como a queda de entrada de canais mais curtos entra em colapso mais rápido do que a queda de canais mais longos. Isso ocorre porque um canal mais longo tem maior resistência fluídica e o fluxo dentro dele é mais lento.

Em seguida, vamos explorar mais dois canais com o mesmo comprimento e altura, mas larguras diferentes. Vamos colocar gotas idênticas na entrada de cada canal e vê-las desmoronar. Veja como o canal mais fino leva mais tempo para recolher a queda de entrada?

Isso ocorre porque o canal mais fino possui maior resistência fluídica do que o canal mais largo. Por fim, vamos pegar dois canais idênticos e colocar gotas de tamanhos diferentes na entrada de cada um. Observe como a queda de entrada maior leva mais tempo para ser recolhida do que a queda de entrada menor.

Isso ocorre porque uma gota menor tem menos volume e maior pressão interna do que a maior. Sabendo que gotas menores são melhores do que as maiores. E tendo observado a rapidez com que essas pequenas gotas podem entrar em colapso, agora nos perguntamos como entregar gotas volumetricamente precisas à entrada de um canal de tal forma que possamos fazer experimentos biológicos.

Usando o kit de partida de micro dispensação da Lee Company, monte uma ou mais válvulas, cada uma consistindo na válvula vol, um bico com tamanho de orifício de 0,0100 polegadas e um adaptador de tubo macio. Então, aqui temos a válvula conectada à caixa de controle por meio dos conectores da válvula do tubo, o que fizemos na etapa anterior. E então temos uma fonte de tensão de pico, que é essa raiz aqui.

E então temos nossa fonte de tensão de controle, seguida pela fonte de tensão de retenção. E, finalmente, em conexão com o aterramento Para manter as válvulas no lugar enquanto aponta para a entrada. Use ferramentas de biociência, suportes em miniatura.

Eles fornecem uma maneira de mirar e segurar a válvula com precisão em uma determinada posição. Durante a experimentação, usando seringas de três quartos de onça, faça um sistema de reservatório para ser colocado alguns metros acima do dispositivo PDMS. O reservatório fornece uma cabeça de pressão para acionar os bicos.

Coloque uma agulha de seringa na seringa. Agora conecte a agulha da seringa ao tubo interno de 1,14 milímetro e, em seguida, conecte-a ao tubo de diâmetro interno de 1,58 milímetro. Usando PDMS como selante.

Agora conecte a tubulação de diâmetro interno de 1.58 milímetros ao adaptador de tubo macio da válvula. Agora que há uma linha entre a agulha da seringa e a válvula, encha os reservatórios da seringa com líquido para purgar as válvulas e permitir que o tubo seja preenchido com água. Coloque um ímã ao lado da válvula e observe o líquido começar a fluir do reservatório através da válvula e sair pelo bico de 0,01 polegada.

Controlamos este sistema com um computador usando a visualização de laboratório e a caixa de controle de pico e retenção da Lee Company. Para calibrar o sistema, aponte uma válvula para uma placa de Petri ou um barco de soro de leite para pesagem. Agora abra a válvula pelo tempo que você escolher e pese o volume total de água que sai do bico.

Divida esse volume pelo tempo total de abertura do sistema. Essa calibração permite que o usuário encontre o volume de água que sai do bico por um determinado período de tempo. Depois de calibrar o sistema, aponte o bico para a entrada de um canal com base no disparo de calibração anterior do bico, um volume tal que uma gota seja disparada na entrada do canal sem ser muito grande para causar uma bagunça ou muito pequena para passar despercebida.

Lembre-se de remover as bolhas entre os experimentos. Agora que os princípios básicos do bombeamento passivo foram compreendidos e a calibração do sistema foi explicada, vamos ver o que um usuário deve ver se as coisas estão indo bem. O vídeo a seguir é um fluxo através de um canal microfluídico que vai de volumes mais altos em frequências mais baixas para volumes baixos em altas frequências.

Isso deve dar ao usuário uma compreensão das capacidades do bombeamento anterior, juntamente com um sistema automatizado de entrega de fluidos. As dimensões do dispositivo usadas nos vídeos a seguir são 2,22 milímetros de largura, 10 milímetros de comprimento e 260 micrômetros. Os diâmetros de entrada e saída de altura são de 1,78 milímetros e 5,11 milímetros, respectivamente.

Duas ou mais válvulas são necessárias para criar fluxos alternados, conforme mostrado. Em seguida, há um vídeo mostrando a vazão máxima possível do dispositivo atual que está sendo usado. Uma única válvula é usada para fornecer fluido neste caso.

Para manter o equilíbrio do sistema, é importante apontar a válvula diretamente da parte superior da entrada. Observe a casca que a gota forma na entrada. Isso representa a pressão constante mantida pelo fornecimento de água à entrada tão rápido quanto o dispositivo pode bombeá-la passivamente.

Além disso, observe como a queda de entrada transborda em algum momento. Isso provavelmente é causado por perturbação, a queda da saída. Ao remover o transbordamento na entrada, o sistema recupera o equilíbrio e o fluxo continua.

Normalmente, acabamos de mostrar como configurar, calibrar e operar um sistema de bombeamento passivo usando microbicos disponíveis comercialmente. Ao fazer esses experimentos, é sempre importante lembrar de ter uma fonte de pressão constante para evitar que bolhas entrem em seu canal, conhecer as compensações entre a geometria do canal, o tamanho da gota para atingir os fluxos e trocas desejados. Para não deixar a queda da tomada ficar muito grande, por exemplo, ela fará uma bagunça ou alcançará sua entrada e manterá seus dispositivos PDMS limpos e secos.

Então é isso. Obrigado por assistir e boa sorte para seus experimentos.