프로토 타입 소형 흐름 사이토와 동반자 미세 유체 혼합 기술의 감소 - 중력 환경 하드웨어 데모
Summary
우주 비행 혈액 진단은 혁신이 필요합니다. 몇몇 시위, 기내 감소 중력 건강 진단 기술을 설명하는 발표되었다. 여기에서 우리는 구성 요소와 다른 설정에 적용 할 준비 전략과 프로토 타입 현장 진료 흐름 세포 계측법 설계를위한 포물선 비행 시험 장비의 건설 및 운영을위한 방법을 제시한다.
Abstract
최근까지, 우주 비행사 혈액 샘플, 기내 수집 된 우주 왕복선에 지구로 전송하고, 지상 실험실에서 분석 하였다. 인간이 낮은 지구 궤도를 넘어 여행하는 경우, 공간 준비, 현장 진료으로 전환 (POC) 테스트가 필요합니다. 이러한 시험 발사 및 우주 비행의 스트레스에 의한 종합 감소 된 중력 환경에서 수행하기 쉽고, 영향을받지 할 필요가있다. 수많은 POC 장치는 실험실 규모 대응을 모방하기 위해 개발되었지만, 가장 좁은 애플리케이션을 가지고 거의 기내, 감소 된 중력 환경에서 사용이 입증. 사실, 감소 중력에서 생물 의학 진단의 시위는 새로운 기술을 테스트하고자 할 때 어려운 구성 요소의 선택과 특정 물류 도전에 접근 할 수있게, 모두 제한됩니다. 빈 공간을 채울 수 있도록하기 위해, 우리는 건설 및 운영 프로토 타입 혈액 진단 장치 및 그 관련 페이지에 대한 모듈 식 방법을 제시하고 있습니다포물선 비행 감소 중력 기내 비행 테스트를위한 기준을 충족 arabolic 비행 시험 장비입니다. 이 방법은 첫 번째 비행 감소 중력 유동 세포 계수기의 테스트 및 동반자 미세 유체 혼합 칩 장비의 조립에 초점을 맞추고있다. 구성 요소는 microvolume 샘플 로더로 다른 디자인 및 일부 사용자 지정 구성 요소에 적용 할 수 있으며 마이크로 믹서이 특히 관심의 대상이 될 수있다. 방법은 다음의 변화는 사용자 교육, 표준 운영 절차 (SOP)의 개발, 및 기타 문제와 관련하여 성공적인 비행 시험을 준비하기 위해 가이드 라인과 제안을 제공함으로써, 비행 준비에 초점을 맞추고있다. 마지막으로, 우리의 시위에 특정 비행 실험 절차가 설명되어 있습니다.
Introduction
현재의 공간을 준비 건강 진단의 무능력은 깊은 유인 우주 탐사에 대한 제한 요소를 제공합니다. 진단, 종합 감소 중력에서 사용하기 쉬운, 그리고 발사 및 우주 비행 (예를 들어, 높은 G-힘, 진동, 방사선, 온도 변화 및 기내 압력 변화)의 스트레스에 의해 상대적으로 영향을받지 않을 필요가있다. 현장 진료 검사 (POCT)의 발전은 작은 환자 표본 (예를 들어, 손가락 찌르기), 단순하고 작은 유체 공학 (즉, 미세 유체)의 사용을 통해 효과적인 우주 비행 솔루션 번역 및 기타 중, 전력 요구 사항을 줄일 수 있습니다 장점. 하나 매력적인 방식은 셀 카운팅과 바이오 마커 정량뿐만 아니라 상당한 소형화 전위 향해 포함한 때문에 기술의 광범위한 효용의 공간 POC 대해 유동 세포 계측법이다. 이전 공간 관련 유동 세포 계측기는 '핵 포장 effic 포함iency '동시 아크 램프 유도 형광 및 전자 볼륨 (풀 베는 볼륨) 측정 1-4 사용 (NPE) 악기, 대표 사이토 상대적으로 작은 벤치 탑 흐름'무중력 '5시 데이터 세포 계측법 실시간 흐름의 1 세대, '사이토 쉬스 마이크로 플로우'는 4 – 5 부분으로 백혈구 (WBC) 차동 수있는 5 μL 전체 혈액 샘플 6-9를 전처리하고, 사용하는 '광섬유 기반의'최근 국제에 내장 된 테스트의 유동 세포 계측기 우주 정거장 10.
잠재적 인 공간 응용 프로그램에 대한 평가 진단 기술은 일반적으로 무중력 상태 (예를 들어, 무중력, 화성의 중력) (11)의 선택 수준을 시뮬레이션하기 위해 약 포물선 비행 궤도를 사용 감소 중력 항공기 수행됩니다. 비행의 기회가 제한되어 있기 때문에 평가가 도전, repet미세 중력의 짧은 창을 직관적으로 어려운 방법이나 일반적으로 20 ~ 40 초 이상 중단 기간을 필요로 프로세스를 평가하기 위해 할 수 있습니다, 시위 쉽게 기내 12-15 활용되지 않은 추가 장비가 필요할 수 있습니다. 또한, 체외 진단 (IVD) 기술의 사용, 또는 감소 중력을 위해 설계의 이전 시위는 제한되어 있으며 많은 작업이 게시되지 않은 남아있다. 상기 유동 세포 계측기에 더하여, 문헌에 기술 된 다른 공간 관련 IVD-기술은 자동화 12 사이토 카메라 기반 면역 표현형 애플리케이션 16 전혈 염색 장치, 통합 전위차, amperometry 및 conductometry위한 휴대용 임상 분석기를 포함 12,17, 진단 플랫폼 1 'CD에 랩'확산 기반 혼합 및 분리 (18), 및 회전에 의존하는 분석 정량 분석을위한 미세 유체 'T-센서'장치9,20. 장치 평가가 가능하도록 시도 (또는 가능한 무엇인지 파악) 할 때 감소 중력 테스트를 처음으로 사용하는 사람은, 또한 체외 진단 관련이없는 포물선 비행 시범을 보일 수 있습니다. 잘 문서화 비행 준비, 기내 전략, 비행 시험 장비와 다른 이전 의료 또는 생물학적 실험에서 데모 표 1 ~ 15, 21 ~ 35에 포함되어 있습니다. 이 때문에 수동 비행 작업, 전문 장비의 사용 및 실험 봉쇄의 포함에 유익 할 수있다.
| 범주 | 예 |
| 응급 의료 | 기관 삽관 (후두경 유도에 매닉21)에서, 심장 생활 지원 (마취 돼지) (22) |
| 외과 치료 | 복강경 수술 (영상 (24, 25), 마취 된 돼지 23 시뮬레이션) |
| 의학 화상 진찰 또는 생리 평가 | 하체 부압 실 (26), 도플러 유량계 (헤드 장착) (27), 중심 정맥압 모니터 (28)와 초음파 |
| 전문 생물학적 장비 | 마이크로 플레이트 리더 (및 기내 글로브 박스) (29), 세포주기 실험 30, 현미경 용 온도 제어 시스템 (시야, 위상차, 및 멀티 채널 형광 능력) (15), 모세관전기 영동 장치는 비디오 현미경 (31)에 결합 |
| 다른 | 관찰 집게 (32)와 공장 수확, 포함 된 쥐 33, 34 및 물고기 (35) |
잘 설명 된 방법 / 실험을 표 1. 포물선 비행 데모 예제
앞의 예에서 확장하여 성공적인 비행 시위에 더 큰 통찰력을 제공하기 위해, 우리는 포물선 비행 시험 장비의 일부로서 관련 미세 유체 혼합 기술의 유동 세포 계측기 프로토 타입의 건설 및 운영을위한 모듈 형 및 적응 절차를 제시한다. 장비는 샘플 로딩, 미세 유체 혼합, 형광 입자 검출 시연을 가능하게하고, 공간 환경에 2010 년 NASA의 촉진 액세스 (FAST) 포물선 flig 온보드 테스트되었습니다9 월 29 일부터 10 월 1 일에 비행 HTS는 2010 년이 시위는 손가락 끝 크기의 혈액 샘플을로드 희석 또는 시약과 혼합되는 잠재적 인 장치 워크 플로우의 각각 시작, 중간 및 끝에서 끌어, 광학을 통해 분석 검출. 소형 장치에 흐름 cytometer 스케일링 혁신과주의 부품 선택이 필요합니다. 사용자 정의 및 기성 구성 요소는 마지막 구성 요소 선택의 가장 초기 근사치로 선정, 여기에 사용되며, 다른 혁신의 설계에 적용 할 수 있습니다. 프로토 성분 선택의 윤곽을 따라 설치가 감싸고 조립 골격로서의지지 구조체에 대하여 설명한다. 프로토 타입 구성 요소는 위치를 할당 확보, 성공적인 실험에 필요한 추가 구성 요소와 함께 제공됩니다. 주의는 표준 운영 절차 (SOP) 개발, 교육 및 기타 물류를 포함하는 더 추상적 인 절차에 이동합니다. 마지막으로, 데모 특정 절차는설명. 특정 프로토 타입 여기를 구현하지만 여기에 설명 된 전략과 장비 구성 요소 (예를 들어, 현미경, 아크릴 상자, 등) 지원의 선택, 감소 된 중력 환경에서 어떤 혈액 진단 장비를 테스트에 관련된 일반적인 문제와 도전 이야기 .
2010 년에 위치한 두 개의 달 중력은 (약 1/6 지구 중력을 달성) 궁극적으로이 3 일에 걸쳐 일정이 변경 되었더라도 두 개의 마이크로 중력 비행은 4 일에 걸쳐 예정되었다. 데모는 수정 개인적으로 운영, 좁은 바디 제트 여객기 36 내장 하였다. 각 비행은 각각 높은 중력이 감소 – 중력 상태의 20 ~ 25 초 다음에 (약 1.8 g)의 20 초를 산출, 30 ~ 40 포물선을 제공했다. 포물선의 절반이 실행 된 후, 비행기는 턴어라운드 비행기를 활성화하고 체육 동안 착륙 지점을 향해 다시 머리를 수평 비행에서 약 5 ~ 10 분 동안 일시 중지포물선의 나머지 부분을 rforming.
Protocol
Representative Results
Discussion
여기에 설명 된 방법은 지상 시험 비교 결과, 2010 FAST 포물선 항공편 중 주요 기술 구성 요소 (샘플 로딩, 미세 유체 혼합 및 광 검출)을 효과적으로 시연 가능. 여기에 기술 교육 및 SOP 방법은 특히 효과적이었고, 포물선 비행 온보드 사용할 수없는 것입니다 연습 시위에 의존 도구와 다른 '목발'의 존재를 조명하는 데 도움이.
개선을위한 지역 봉쇄와 레이아웃을 포함한?…
Disclosures
The authors have nothing to disclose.
Acknowledgements
하드웨어 개발은 NASA SBIR 계약의 NNX09CA44C 및 NNX10CA97C에 의해 지원되었다. 광학 블록 및 샘플 로더 시위에 대한 데이터 분석은 NASA 단계 III 계약 NNC11CA04C에 의해 지원되었다. 인간 혈액 수집은 NASA IRB 프로토콜 # SA-10-008를 사용하여 수행 하였다. 내쇼날 인스트루먼트의 의료 기기 그랜트 프로그램을 통해 제공되는 제어 / 수집 소프트웨어. 마이크로 칩에 대한 금형은 존스 홉킨스 미세 시설 및 나노 시스템에 대한 하버드 센터에서 이루어졌다. 오토 J. Briner 복음과 누가 복음 제피 (DNA 의학 연구소) 비행 주 동안 2010 년 여름 NASA 비행 영상 직원이 제공하는 비디오 영상 중에 랙 어셈블리에 도움. 카를로스 바리 (DNA 의학 연구소) 사진과 그림 도움을 제공했다. 기술 2010 프로그램에 대한 공간 환경으로의 촉진 액세스, NASA 감소 중력 사무실, 인간의 적응 및 대책 부, NASA 글렌 연구 센터에 대한 특별 감사,ZIN 기술, 및 인간 연구 프로그램.
Materials
| Name of Material/ Equipment | Company | Catalog Number | Comments/Description |
| Micro air pump | Smart Products, Inc. | AP-2P02A | Max pressure = 6.76 psi; 1.301” x 0.394” x 0.650” , 0.28 oz (8 g); available direct from Smart Products |
| Differential pressure sensor | Honeywell International, Inc. | ASDX015D44R | Range of 0-15psi; 0.974" x 0.550" x 0.440", 0.09 oz (2.565 g); suppliers include Digi-Key and Mouser Electronics |
| Rigid plastic vial (small size) | Loritz & Associates, Inc. | 55-05 | Polystyrene; ID 0.81" (20.6 mm), IH 2.06" (52.4 mm); available direct from LA Container Inc.; similar product available from Dynalab Corp. |
| Rigid plastic vial (larger size) | Loritz & Associates, Inc. | 55-140 | Polystyrene; ID 1.88" (47.6 mm), IH 3.31" (84.1 mm); available direct from LA Container Inc.; similar product available from Dynalab Corp. |
| latex examination gloves | dynarex corporation | 2337 | Middle finger used for latex diaphragm in fluid source vial. Other brands (e.g., Aurelia ® Vibrant ™) acceptable. |
| Optical glue | Norland Products | NOA 88 | Low outgassing adhesive; available direct from Norland; Also available from Edmund Optics Inc. |
| 3-way solenoid valves | The LEE Company | LHDA0531115H | Gas valves, but can function with liquid; 1.29 " L, 0.28 " D. Discontinued product. Similar products available from The LEE Company. |
| Volumetric water flowmeter | OMEGA Engineering inc. | FLR-1602A | Non-contacting flow rate meter strongly preferred. We recommend SENSIRION LG16 OEM Liquid Flow Sensor for flow rates from nl/min up to 5 ml/min. |
| PCD-mini photon detector | Sensl | PCDMini-00100 | For fluorescence detection; available direct from Sensl |
| Accelerometer | Crossbow Technology, Inc. | CXL02LF3 | 3-demensional force detection. Supplied to DMI by NASA. Similar product available from Vernier Software & Technology, LLC. |
| Stereomicroscope | AmScope | SE305R-AZ-E | |
| CCD Camera | Thorlabs | DCU223C | 1024 x 768 Resolution, Color, USB 2.0; available direct from Thorlabs |
| USB and Trigger Cable (In/Out) for CCD Camera | Thorlabs | CAB-DCU-T1 | Available direct from Thorlabs |
| Microbore tubing | Saint-Gobain Corporation | AAD04103 | Tygon®; ID 0.02", OD 0.06", 500ft, 0.02" wall. Suppliers: VWR, Thermo Fisher Scientific Inc. |
| Hollow steel pins | New England Small Tube | (Custom) | 0.025" OD, 0.017" ID, 0.500” L, stainless steel tube, type 304, cut, deburred, passivated; enable microbore tubing connections, chip tubing connections |
| Slide clamp | World Precision Instruments, Inc. | 14042 | Available direct from World Precision Instruments |
| Leur adaptor pieces | World Precision Instruments, Inc. | 14011 | Available direct from World Precision Instruments |
| Silicon wafer | Addison Engineering, Inc. | 6" diameter; for SU-8 mold fabrication | |
| Polydimethylsiloxane (PDMS) elastomer base | Dow Corning | 3097366-1004 | Supplier: Global Industrial SLP, LLC |
| Polydimethylsiloxane (PDMS) elastomer curing agent | Dow Corning | 3097358-1004 | Supplier: Global Industrial SLP, LLC |
| Needle (23 gauge), bevel tip | Terumo Medical Corporation | NN-2338R | Ultra thin wall; 23G x 1.5"; 22G also usable; suppliers: Careforde, Inc., Port City Medical |
| Dispensing needle (23 gauge), blunt tip | CML Supply | 901-23-100 | 23Gx 1"; available from CML Supply |
| Rotary tool | Robert Bosch Tool Corporation | 1100-01 | Dremel® 1100-01 Stylus™ |
| Cover glass | Thermo Fisher Scientific, Inc. | 12-518-105E | Gold Seal™ noncorrosive borosilicate glass; for PDMS chip cover; 24×60 mm; available from Thermo Fisher Scientific, Inc. |
| Vacuum pump | Mountain | MTN8407 | For degassing PDMS; supplier: Ryder System, Inc. |
| Vacuum chamber | Thermo Fisher Scientific, Inc. | 5311-0250 | Nalgene™ Transparent Polycarbonate; available from Thermo Fisher Scientific, Inc. |
| Plasma cleaner | Harrick Plasma | PDC-32G | |
| Hand magnifier | Mitutoyo | 183-131 | Use in reverse direction to enable viewing at ~15". |
| Ethanol | CAROLINA | 861283 | For chip cleaning. Dilute to 70% using millipore water. |
| Water purification system | Thermo Fisher Scientific, Inc. | D11901 | Available direct from Thermo Fisher Scientific, Inc. |
| Optomechanical translation mounts | Thorlabs | K6X | 6-Axis Kinematic Optic Mount; discontinued product; new product (K6XS) available direct from Thorlabs |
| Laptop | Hewlett-Packard | VP209AV | HP Pavilion Laptop running Windows 7 |
| Laptop tray (spring loaded) | National Products, INC. | RAM-234-3 | RAM Tough-Tray™. Can accommodate 10 to 16 inch wide laptops. |
| USB splitter | Connectland Technology Limited | 3401167 | |
| USB Data Acquisition Cards (8 analog input, 12 digital I/O) | National Instruments | NI USB-6008 | 12-Bit, 10 kS/s Low-Cost Multifunction DAQ |
| USB Data Acquisition Cards (16 analog input, 32 digital I/O) | National Instruments | NI USB-6216 | 16-Bit, 400 kS/s Isolated M Series MIO DAQ, Bus-Powered |
| Control/acquisition Software | National Instruments | LabVIEW 2009 | Custom coded National Instruments (NI) LabVIEW |
| 3D Solid Modeling Software | Dassault Systèmes SolidWorks Corp. | SolidWorks 2011 | |
| 2D Modeling Software | AUTODESK | AutoCAD LT 2008 | |
| Vertical equipment rack | (NASA provided) | N/A | |
| Solid aluminum optical breadboard | Thorlabs | MB2424 | 24" x 24" x 1/2", 1/4"-20 Taps; available direct from Thorlabs |
| Industrial grade steel and hardener | The J-B Weld Company | J-B Weld Steel Reinforced Epoxy Glue | |
| Micro-hematocrit capillary | Fisher Scientific | 22-362-574 | inner diamter 1.1 to 1.2 mm |
| 1 mL syringes | Henke-Sass, Wolf | 4010.200V0 | NORM-JECT®; supplier: Grainger, Inc. |
| Human red blood cells | Innovative Research | IPLA-WB3 | Tested and found negative by supplier for: HBsAg, HCV, HIV-1, HIV-2, HIV-1Ag or HIV 1-NAT, ALT, and syphilis by FDA-Approved Methods. Because no test methods can guarantee with 100% certainty the absence of an infectious agent, human derived products should be handled as suggested in the U.S. Department of Health and Human Services Manual on BIOSAFETY IN MICROBIOLOGICAL AND BIOMEDICAL LABORATORIES, FOR POTENTIALLY INFECTIOUS HUMAN SERUM OR BLOOD SPECIMENS |
| Phosphate buffered saline concentrate | P5493 | SIGMA | 10x; diluted to 1x |
| Tween | P9416 | SIGMA | TWEEN® 20 |
| Centrifuge | LW Scientific | STRAIGHT8-5K | Swing-Out 8-place Centrifuge. Available through authorized dealers. Other centrifuges available direct from LW Scientific. |
| HD video recorder | Sony | MHS-CM5 | |
| Orange fluorescent nucleic acid stain | Invitrogen | S-11364 | SYTO® 83 Orange Fluorescent Nucleic Acid Stain. Stored in DMSO solvent. Always wear reccommended Personal Protective Equipment. No special handling advice required. |
| Fluorescent counting beads | Invitrogen | MP 36950 | CountBright™ Absolute Counting Beads. Always wear reccommended Personal Protective Equipment. No special handling advice required. |
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