Assemblage et caractérisation d’un pilote externe pour la génération d’un flux oscillatoire submillétz dans des microcanaux

Summary

Le protocole démontre une méthode pratique pour produire un flux oscillatoire harmonique de 10 à 1000 Hz dans des microcanaux. Ceci est effectué en interfaçant un diaphragme de haut-parleur contrôlé par ordinateur au microcanal de manière modulaire.

Abstract

La technologie microfluidique est devenue un outil standard dans les laboratoires chimiques et biologiques pour l’analyse et la synthèse. L’injection d’échantillons liquides, tels que des réactifs chimiques et des cultures cellulaires, est principalement réalisée par des écoulements réguliers qui sont généralement entraînés par des pompes à seringues, la gravité ou des forces capillaires. L’utilisation d’écoulements oscillatoires complémentaires est rarement envisagée dans les applications malgré ses nombreux avantages, comme l’a récemment démontré la littérature. L’obstacle technique important à la mise en œuvre d’écoulements oscillatoires dans les microcanaux est probablement responsable de l’absence de son adoption généralisée. Les pompes à seringues commerciales avancées qui peuvent produire un flux oscillatoire sont souvent plus chères et ne fonctionnent que pour des fréquences inférieures à 1 Hz. Ici, l’assemblage et le fonctionnement d’un appareil à faible coût, de type plug-and-play, basé sur des haut-parleurs qui génère un flux oscillatoire dans des microcanaux sont démontrés. Des écoulements oscillatoires harmoniques haute fidélité avec des fréquences allant de 10 à 1000 Hz peuvent être réalisés avec un contrôle d’amplitude indépendant. Des amplitudes allant de 10 à 600 μm peuvent être atteintes sur toute la plage de fonctionnement, y compris des amplitudes > 1 mm à la fréquence de résonance, dans un microcanal typique. Bien que la fréquence d’oscillation soit déterminée par le haut-parleur, nous illustrons que l’amplitude d’oscillation est sensible aux propriétés du fluide et à la géométrie du canal. Plus précisément, l’amplitude d’oscillation diminue avec l’augmentation de la longueur du circuit du canal et de la viscosité du liquide, et en revanche, l’amplitude augmente avec l’augmentation de l’épaisseur et de la longueur du tube du haut-parleur. De plus, l’appareil ne nécessite aucune fonctionnalité préalable pour être conçu sur le microcanal et est facilement détachable. Il peut être utilisé simultanément avec un débit régulier créé par une pompe à seringue pour générer des flux pulsatiles.

Introduction

Le contrôle précis du débit de liquide dans les microcanaux est crucial pour les applications de laboratoire sur puce telles que la production de gouttelettes et l’encapsulation¹, le mélange ^2,3 et le tri et la manipulation des particules en suspension ^4,5,6,7. La méthode principalement utilisée pour le contrôle du débit est une pompe à seringue qui produit des débits stables hautement contrôlés distribuant soit un volume fixe de liquide, soit un débit volumétrique fixe, souvent limité à un débit entièrement unidirectionnel. Les stratégies alternatives pour produire un écoulement unidirectionnel comprennent l’utilisation de la tête gravitationnelle⁸, des forces^{capillaires 9} ou du flux électro-osmotique¹⁰. Les pompes à seringue programmables permettent un contrôle bidirectionnel dépendant du temps des débits et des volumes distribués, mais sont limitées à des temps de réponse supérieurs à 1 s en raison de l’inertie mécanique de la pompe à seringue.

Le contrôle des flux à des échelles de temps plus courtes déverrouille une pléthore^de 6,11,12,13,14,15 de possibilités autrement inaccessibles en raison de changements qualitatifs dans la physique des écoulements. Le moyen le plus pratique d’exploiter cette physique des écoulements variée est à travers des ondes acoustiques ou des écoulements oscillatoires avec des périodes allant de ^10-1-10-9 s ou^{10 1} -10⁹ Hz. L’extrémité supérieure de cette gamme de fréquences est accessible à l’aide de dispositifs à ondes acoustiques en vrac (BAW; 100 kHz-10 MHz) et à ondes acoustiques de surface (SAW; 10 MHz-1 GHz). Dans un dispositif BAW typique, l’ensemble du substrat et la colonne de fluide sont vibrés en appliquant un signal de tension à travers un piézoélectrique lié. Cela permet des débits relativement élevés, mais entraîne également un chauffage à des amplitudes plus élevées. Dans les dispositifs SAW, cependant, l’interface solide-liquide est oscillée en appliquant une tension à une paire d’électrodes interdigitées modelées sur un substrat piézoélectrique. En raison des longueurs d’onde très courtes (1 μm-100 μm), des particules aussi petites que 300 nm peuvent être manipulées avec précision par l’onde de pression générée dans les appareils SAW. Malgré la capacité de manipuler de petites particules, les méthodes SAW se limitent à la manipulation locale des particules puisque l’onde s’atténue rapidement avec la distance de la source.

Dans la gamme de fréquences 1-100 kHz, les écoulements oscillatoires sont généralement générés à l’aide d’éléments piézo-volatils qui sont liés à un microcanal de polydiméthylsiloxane (PDMS) au-dessus d’une cavité conçue^16,17. La membrane PDMS au-dessus de la cavité à motifs se comporte comme une membrane vibrante ou un tambour qui met sous pression le fluide dans le canal. Dans cette gamme de fréquences, la longueur d’onde est supérieure à la taille du canal, mais les amplitudes de vitesse d’oscillation sont faibles. Le phénomène le plus utile dans ce régime de fréquence est la génération d’écoulements acoustiques/visqueux, qui sont des écoulements réguliers rectifiés causés par la non-linéarité inhérente à l’écoulement des liquides à inertie¹⁸. Les flux de flux réguliers se manifestent généralement par des tourbillons contrarotatifs à grande vitesse à proximité d’obstacles, de virages serrés ou de microbulles. Ces vortex sont utiles pour mélanger^19,20 et séparer des particules de 10 μm du flux^{d’écoulement 21}.

Pour les fréquences comprises entre 10 et 1000 Hz, la vitesse de la composante oscillatoire et son écoulement visqueux constant associé sont d’une ampleur considérable et utiles. De forts écoulements oscillatoires dans cette gamme de fréquences peuvent être utilisés pour la focalisation inertielle²², faciliter la génération de gouttelettes²³ et peuvent générer des conditions d’écoulement (nombres de Womersley) qui imitent le flux sanguin pour les études in vitro . D’autre part, les flux de flux sont utiles pour le mélange, le piégeage des particules et la manipulation. L’écoulement oscillatoire dans cette gamme de fréquences peut également être réalisé à l’aide d’un élément piézoélectrique lié au dispositif comme décrit ci-dessus²³. Un obstacle important à la mise en œuvre d’écoulements oscillatoires à travers un élément piézoélectrique lié est qu’il nécessite que les caractéristiques soient conçues à l’avance. De plus, les éléments de haut-parleurs collés ne sont pas détachables et un nouvel élément doit être collé à chaque appareil²⁴. Cependant, de tels appareils présentent l’avantage d’être compacts. Une autre méthode consiste à utiliser une vanne à relais électromécanique²⁰. Ces vannes nécessitent des sources de pression pneumatiques et un logiciel de contrôle personnalisé pour le fonctionnement et augmentent donc la barrière technique aux tests et à la mise en œuvre. Néanmoins, de tels dispositifs permettent l’application de l’amplitude et de la fréquence de la pression définie.

Dans cet article, la construction, le fonctionnement et la caractérisation d’une méthode conviviale pour générer des flux oscillatoires dans la gamme de fréquences de 10 à 1000 Hz dans les microcanaux sont décrits. La méthode offre de nombreux avantages tels qu’un assemblage rentable, une facilité d’utilisation et une interface prête à être utilisée avec des canaux microfluidiques standard et des accessoires tels que des pompes à seringues et des tubes. De plus, par rapport aux approches similaires précédentes²⁵, la méthode offre à l’utilisateur un contrôle sélectif et indépendant des fréquences et des amplitudes d’oscillation, y compris la modulation entre les formes d’onde sinusoïdales et non sinusoïdales. Ces fonctionnalités permettent aux utilisateurs de déployer facilement des flux oscillatoires et, par conséquent, facilitent l’adoption généralisée dans un large éventail de technologies et d’applications microfluidiques actuellement existantes dans les domaines de la biologie et de la chimie.

Protocol

1. Conception et fabrication rapides de moules prototypes Ouvrez AutoCAD sur un PC. Sélectionnez Fichier dans la barre des tâches, puis sélectionnez Ouvrir et recherchez et cliquez sur un fichier de modèle tridimensionnel (3D) du moule de canal ayant .dxf ou .dwg extension. Sélectionnez le modèle entier en cliquant et en faisant glisser une case autour de celui-ci. Exportez la conception sous forme de fichier .stl en sélectionnant Fichier | <st…

Representative Results

Pour illustrer la capacité et les performances de la configuration ci-dessus, des résultats représentatifs de l’écoulement oscillatoire dans un microcanal linéaire simple avec une section transversale carrée sont présentés. La largeur et la hauteur du canal sont de 110 μm et sa longueur est de 5 cm. Tout d’abord, nous décrivons le mouvement des particules traceuses de polystyrène sphérique et comment celles-ci peuvent être utilisées pour vérifier la fidélité du signal oscillatoire ainsi que la gamme …

Discussion

Nous avons démontré l’assemblage (voir les étapes critiques du protocole 3 et 4) et le fonctionnement (voir les étapes critiques du protocole 5 et 6) d’un appareil externe basé sur des haut-parleurs pour la génération d’un flux oscillatoire avec des fréquences comprises entre 10 et 1000 Hz dans des dispositifs microfluidiques. Le suivi des particules des particules traceuses en suspension est nécessaire pour déterminer la fidélité du mouvement harmonique ainsi que pour calibrer la gamme d’amplitudes d…

Materials

Oscillatory Driver Assembly
Alligator-to-pin wire	Adafruit	3255	Small alligator clip to male jumper wire (12)
Aux cable	Adafruit	2698	3.5 mm Male/Male stereo cable 1 m
Controller chip	Damgoo	TPA3116	50w+50w 2 channel audio amplifier (bluetooth and AUX)
DC adapter	Adafruit	798	12 V DC 1A regulated switching power adapter
Micro-pipette tip	VWR Signature	37001-532	200 ul micropipette tip
Silicone sealant	Loctite	908570	Clear silicone waterproof sealant (80 ml)
Speaker	Drok	6843996	4.5 inch 4 Ohm 40 W speaker
Speaker mount			3D printed from 'speakermount.stl' in supplementary files
Speaker-to-tube adapter			3D printed from 'speaketubeadapter.stl' in supplementary files
Microchannel Manufacture
Biopsy punch	Miltex	15110	Biopsy punch with plunger (1 – 4 mm)
Degasser
Disposable cup
Disposable spoon
Glass Slides	VWR Signature	16004-430	3" x 1" pre clean 1 mm thick
Mold			Si – SU-8 or 3D printed
Oven	Fischer Scientific		Isotemp
PDMS resin and cross-linker	Dow Chemical	4019862	Sylgard 184 PDMS resin and crosslinker (500 g)
Polyethylene tubing	Becton Dickinson Intramedic	427440	Polyethylene tubing (PE 60 – PE 200)
Razor blades	VWR	55411-050	Single edge industrial razor blades
RF plasma generator	Electro-Technic Products	BD – 20	High frequency generator
Silicone Mold Release	CRC	03301	Food Grade Silicon Mold release (16 oz)
Observation and Characterization
Camera	Edgertronic		SC2+
Lens	Nikon		Plan Fluor 10x
Microscope	Nikon		Ti Eclipse manual stage
Needles	Becton Dickinson	305175	PrecisionGlide 20G
Syringe	Becton Dickinson	1180100555	Monoject 1 ml
Syringe pump	Harvard Apparatus		Dual syringe programmable syringe pump
Tracer Particles	Spherotech	PP-10-10	Polystyrene tracer particles 1 um