Tredimensjonale utskrift av termoplastisk materiale å lage automatiserte sprøyte pumper med tilbakemelding kontroll for Microfluidic applikasjoner
Summary
Her presenterer vi en protokoll for å konstruere en trykk-kontrollerte Sprøytepumpe brukes i microfluidic programmer. Denne sprøytepumpen er laget av en additively produserte kroppen, sokkel maskinvare og åpen kildekode elektronikk. Den resulterende systemet er rimelig, enkel å bygge, og leverer godt regulert strømning for å aktivere rask microfluidic forskning.
Abstract
MicroFluidics har blitt en betenkelig verktøyet i forskning på den biologiske, kjemiske og naturvitenskap. En viktig del av microfluidic eksperimentering er en stabil væske håndteringssystem kan nøyaktig gi en vik strømningshastighet eller innløp press. Her har vi utviklet en sprøyte pumpesystem kan styre og regulere innløp væsketrykk levert til en microfluidic enhet. Dette systemet ble utformet med rimelige materialer og additiv produksjon prinsipper, utnytte tredimensjonale (3D) utskrift av termoplastisk materiale og sokkel komponenter når det er mulig. Dette systemet består av tre hovedkomponenter: en sprøytepumpe og en trykktransduceren en programmerbar microcontroller. I dette papiret detalj vi et sett med protokoller for fabrikasjon, montering og programmering sprøyte pumpe systemet. Videre har vi inkludert representant resultater som viser høy-troskapen, tilbakemeldinger kontrollen innløp press med dette systemet. Vi forventer denne protokollen tillater forskere å dikte rimelig sprøyte pumpesystemer, redusere oppføring barrieren for bruk av microfluidics i biomedisinske, kjemiske, og materiale.
Introduction
Microfluidic verktøy har blitt nyttig for forskere i biologiske og kjemiske forskning. På grunn av lavt volum utnyttelse, rask måling funksjoner og veldefinert flyt profiler, microfluidics har fått trekkraft in genomisk og proteomic forskning, høy gjennomstrømming screening, medisinsk diagnostikk, nanoteknologi, og én celle analyse1,2,3,4. Videre fleksibiliteten til microfluidic konstruksjon gir enkel grunnleggende forskning, som undersøker spatiotemporal dynamikken i kulturperler bakteriell koloniene5.
Mange typer fluid innsprøytningen systemer er utviklet for å nøyaktig leverer strøm til microfluidic enheter. Eksempler på slike injeksjon systemer på en peristaltiske og resirkulering pumper6, trykk-kontrolleren systemer7og sprøyte pumper8. Disse injeksjon system, inkludert sprøyte pumper består ofte av dyre presisjonsnivå utviklet komponenter. Forsterke disse systemene med lukket tilbakemelding kontroll av trykket i produksjonen flyt legger kostnadene for disse systemene. Svar utviklet vi robuste, rimelige sprøyte pumpe systemer som bruker lukket tilbakemelding kontroll for å regulere outputted flyt press. Ved lukket trykkontroll er behovet for kostbare presisjon-utviklet komponenter avskaffet9.
Kombinasjonen av rimelig 3D-utskrift maskinvare og en betydelig vekst i tilhørende åpen kildekode programvare har gjort design og fabrikasjon av microfluidic enheter stadig tilgjengelig for forskere fra en rekke disipliner10. Imidlertid være den som brukes til å kjøre væske gjennom disse enhetene dyrt. For å løse dette behovet for en rimelig væske kontrollsystem, utviklet vi et design som kan være fabrikasjon av forskere i laboratoriet, krever bare et lite antall montering trinn. Til tross for sin lave kostnader og enkel montering, dette systemet kan gi nøyaktig flytkontroll og gir et alternativ til kommersielt tilgjengelige, lukket sprøyte pumpesystemer, som kan være uoverkommelig dyrt.
Her gir vi protokoller for bygging og bruk av closed-loop kontrollert sprøyte pumpesystem vi utviklet (figur 1). Væsken håndteringssystem består av en fysisk sprøytepumpe som er inspirert av en tidligere studie11, en microcontroller og et piezoresistive press sensor. Når samlet og programmert med en proporsjonal-integrert-derivat (PID) kontroller, er systemet i stand til å levere en velordnet, trykk-drevet flyt til microfluidic enheter. Dette gir et rimelig og fleksibelt alternativ til høye kostnader kommersielle produkter, som muliggjør en bredere gruppe forskere å bruke microfluidics i sitt arbeid.
Protocol
Representative Results
Discussion
Her presentert vi en ny design for en sprøyte pumpesystem med lukket trykkontroll. Dette ble gjort ved å integrere en 3D-trykt sprøytepumpe med piezoresistive press sensor og en åpen kildekode mikrokontroller. Ved å bruke en PID-kontroller, var vi i stand til nettopp styre innløp trykket og gir raske svartider samtidig som stabiliteten om et angitt tidspunkt.
Mange eksperimenter med microfluidic enheter krever en presis fluidic kontroll og utnytte en godt karakterisert laminær strømnin…
Disclosures
The authors have nothing to disclose.
Acknowledgements
Forfatterne bekrefter støtte fra Office of Naval Research awards N00014-17-12306 og N00014-15-1-2502, så vel som fra Luftforsvaret Office av vitenskapelig forskning prisbelønte FA9550-13-1-0108 og National Science Foundation Grant nr. 1709238.
Materials
| Arduino IDE | Arduino.org | Arduino Uno R3 control software | |
| Header Connector, 2 Positions | Digi-Key | WM4000-ND | |
| Header Connector, 3 Positions | Digi-Key | WM4001-ND | |
| Header Connector, 4 Positions | Digi-Key | WM4002-ND | |
| Hook-up Wire, 22 Gauge, Black | Digi-Key | 1528-1752-ND | |
| Hook-up Wire, 22 Gauge, Blue | Digi-Key | 1528-1757-ND | |
| Hook-up Wire, 22 Gauge, Red | Digi-Key | 1528-1750-ND | |
| Hook-up Wire, 22 Gauge, White | Digi-Key | 1528-1768-ND | |
| Hook-up Wire, 22 Gauge, Yellow | Digi-Key | 1528-1751-ND | |
| Instrumentation Amplifier | Texas Instruments | INA122P | |
| Microcontroller, Arduino Uno R3 | Arduino.org | A000066 | |
| Mini Breadboard | Amazon | B01IMS0II0 | |
| Power Supply | BK Precision | 1550 | |
| Pressure Sensor | PendoTech | PRESS-S-000 | |
| Rectangular Connectors, Housings | Digi-Key | WM2802-ND | |
| Rectangular Connectors, Male | Digi-Key | WM2565CT-ND | |
| Resistors, 10k Ohm | Digi-Key | 1135-1174-1-ND | |
| Resistors, 330 Ohm | Digi-Key | 330ADCT-ND | |
| Stepper Motor Driver, EasyDriver | Digi-Key | 1568-1108-ND | |
| USB 2.0 Cable, A-Male to B-Male | Amazon | PC045 | |
| 3D Printed Material, Z-ABS | Zortrax | A variety of colors are available | |
| 3D Printer | Zortrax | M200 | Printing out the syringe pump components |
| Ball Bearing, 17x6x6mm | Amazon | B008X18NWK | |
| Hex Machine Screws, M3x16mm | Amazon | B00W97MTII | |
| Hex Machine Screws, M3x35mm | Amazon | B00W97N2UW | |
| Hex Nut, M3 0.5 | Amazon | B012U6PKMO | |
| Hex Nut, M5 | Amazon | B012T3C8YQ | |
| Lathe Round Rod | Amazon | B00AUB73HW | |
| Linear Ball Bearing | Amazon | B01IDKG1WO | |
| Linear Flexible Coupler | Amazon | B010MZ8SQU | |
| Steel Lock Nut, M3 0.5 | Amazon | B000NBKLOQ | |
| Stepper Motor, NEMA-17, 1.8o/step | Digi-Key | 1568-1105-ND | |
| Syringe, 10mL, Luer-Lok Tip | BD | 309604 | |
| Threaded Rod | Amazon | B01MA5XREY | |
| 1H,1H,2H,2H-Perfluorooctyltrichlorosilane | FisherScientific | AAL1660609 | |
| Camera Module | Raspberry Pi Foundation | V2 | |
| Compact Oven | FisherScientific | PR305220G | Baking PDMS pre-polymer mixture and the device |
| Dispensing Needle, 22 Gauge | McMaster-Carr | 75165A682 | |
| Dispensing Needle, 23 Gauge | McMaster-Carr | 75165A684 | |
| Fisherbrand Premium Cover Glasses | FisherScientific | 12-548-5C | |
| Glass Culture Petri Dish, 130x25mm | American Educational Products | 7-1500-5 | |
| Plasma Cleaner | Harrick Plasma | PDC-32G | Binding the cover glass with the PDMS device |
| Razor Blades | FisherScientific | 7071A141 | |
| Scotch Magic Tape | Amazon | B00RB1YAL6 | |
| Single-board Computer | Raspberry Pi Foundation | Raspberry Pi 2 model B | |
| Smart Spatula | FisherScientific | EW-06265-12 | |
| Sylgard 184 Silicone Elastomer Kit | FisherScientific | NC9644388 | |
| Syringe Filters | Thermo Scientific | 7252520 | |
| Tygon Tubing | ColeParmer | EW-06419-01 | |
| Vacuum Desiccator | FisherScientific | 08-594-15C | Degasing PDMS pre-polymer mixture and coating fluorosilane on the master mold |
| Weighing Dishes | FisherScientific | S67090A |
References
- 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).
- Duncombe, T. A., Tentori, A. M., Herr, A. E. Microfluidics: reframing biological enquiry. Nature Reviews Molecular Cell Biology. 16 (9), 554-567 (2015).
- Prakadan, S. M., Shalek, A. K., Weitz, D. A. Scaling by shrinking: empowering single-cell ‘omics’ with microfluidic devices. Nature Reviews Genetics. 18 (6), (2017).
- Kim, Y., Langer, R. Microfluidics in nanomedicine. Reviews in Cell Biology and Molecular Medicine. 1, 127-152 (2015).
- Rusconi, R., Garren, M., Stocker, R. Microfluidics expanding the frontiers of microbial ecology. Annual Review of Biophysics. 43, 65-91 (2014).
- Skafte-Pedersen, P., Sabourin, D., Dufva, M., Snakenborg, D. Multi-channel peristaltic pump for microfluidic applications featuring monolithic PDMS inlay. Lab on a Chip. 9 (20), 3003-3006 (2009).
- Heo, Y. J., Kang, J., Kim, M. J., Chung, W. K. Tuning-free controller to accurately regulate flow rates in a microfluidic network. Scientific Reports. 6, 23273 (2016).
- Kuczenski, B., LeDuc, P. R., Messner, W. C. Pressure-driven spatiotemporal control of the laminar flow interface in a microfluidic network. Lab on a Chip. 7 (5), 647-649 (2007).
- Lake, J. R., Heyde, K. C., Ruder, W. C. Low-cost feedback-controlled syringe pressure pumps for microfluidics applications. PLoS One. 12 (4), (2017).
- Kong, D. S., et al. Open-source, community-driven microfluidics with metafluidics. Nature Biotechnology. 35 (6), 523-529 (2017).
- Wijnen, B., Hunt, E. J., Anzalone, G. C., Pearce, J. M. Open-source syringe pump library. PLoS One. 9 (9), e107216 (2014).
- Ferry, M. S., Razinkov, I. A., Hasty, J. Microfluidics for synthetic biology: from design to execution. Methods in Enzymology. , 295-372 (2011).
- . Arduino Libraries for Timer.h Available from: https://github.com/JChristensen/Timer (2018)
- . Arduino Libraries for AccelStepper.h Available from: https://github.com/adafruit/AccelStepper (2018)
- Lin, F., et al. Generation of dynamic temporal and spatial concentration gradients using microfluidic devices. Lab on a Chip. 4 (3), 164-167 (2004).
- Korczyk, P. M., Cybulski, O., Makulska, S., Garstecki, P. Effects of unsteadiness of the rates of flow on the dynamics of formation of droplets in microfluidic systems. Lab on a Chip. 11 (1), 173-175 (2011).
