Montaje y caracterización de un driver externo para la generación de flujo oscilatorio sub-kilohercios en microcanales

Summary

El protocolo demuestra un método conveniente para producir flujo oscilatorio armónico de 10-1000 Hz en microcanales. Esto se realiza interconectando un diafragma de altavoz controlado por computadora con el microcanal de manera modular.

Abstract

La tecnología microfluídica se ha convertido en una herramienta estándar en los laboratorios químicos y biológicos tanto para el análisis como para la síntesis. La inyección de muestras líquidas, como reactivos químicos y cultivos celulares, se logra predominantemente a través de flujos constantes que generalmente son impulsados por bombas de jeringas, gravedad o fuerzas capilares. El uso de flujos oscilatorios complementarios rara vez se considera en aplicaciones a pesar de sus numerosas ventajas, como se ha demostrado recientemente en la literatura. La importante barrera técnica para la implementación de flujos oscilatorios en microcanales es probablemente responsable de la falta de su adopción generalizada. Las bombas de jeringa comerciales avanzadas que pueden producir flujo oscilatorio, a menudo son más caras y solo funcionan para frecuencias inferiores a 1 Hz. Aquí, se demuestra el montaje y operación de un aparato basado en altavoces de bajo costo, tipo plug-and-play, que genera flujo oscilatorio en microcanales. Se pueden lograr flujos oscilatorios armónicos de alta fidelidad con frecuencias que van desde 10-1000 Hz junto con un control de amplitud independiente. Se pueden lograr amplitudes que van desde 10-600 μm en todo el rango de operación, incluidas amplitudes > 1 mm a la frecuencia de resonancia, en un microcanal típico. Aunque la frecuencia de oscilación está determinada por el altavoz, ilustramos que la amplitud de oscilación es sensible a las propiedades del fluido y la geometría del canal. Específicamente, la amplitud de oscilación disminuye con el aumento de la longitud del circuito del canal y la viscosidad del líquido, y en contraste, la amplitud aumenta con el aumento del grosor y la longitud del tubo del altavoz. Además, el aparato no requiere características previas para ser diseñado en el microcanal y es fácilmente desmontable. Se puede utilizar simultáneamente con un flujo constante creado por una bomba de jeringa para generar flujos pulsátiles.

Introduction

El control preciso del caudal de líquido en microcanales es crucial para aplicaciones de laboratorio en un chip, como la producción de gotas y la encapsulación¹, la mezcla ^2,3 y la clasificación y manipulación de partículas en suspensión ^4,5,6,7. El método predominantemente utilizado para el control de flujo es una bomba de jeringa que produce flujos constantes altamente controlados que dispensan un volumen fijo de líquido o un caudal volumétrico fijo, a menudo limitado a un flujo completamente unidireccional. Las estrategias alternativas para producir flujo unidireccional incluyen el uso de la cabeza gravitacional⁸, las fuerzas^{capilares 9} o el flujo electro-osmótico¹⁰. Las bombas de jeringa programables permiten un control bidireccional dependiente del tiempo de los caudales y los volúmenes dispensados, pero se limitan a tiempos de respuesta superiores a 1 s debido a la inercia mecánica de la bomba de jeringa.

El control de flujo a escalas de tiempo más cortas desbloquea una gran cantidad de 6,11,12,13,14,15 de posibilidades que de otro modo serían inaccesibles debido a cambios cualitativos en la física de flujo. El medio más práctico de aprovechar esta variada física de flujo es a través de ondas acústicas o flujos oscilatorios con períodos de tiempo que van desde ^{10-1– 10-9} s o 10¹ -10⁹ Hz. Se accede al extremo superior de este rango de frecuencia utilizando dispositivos de onda acústica a granel (BAW; 100 kHz-10 MHz) y onda acústica superficial (SAW; 10 MHz-1 GHz). En un dispositivo BAW típico, todo el sustrato y la columna de fluido vibran aplicando una señal de voltaje a través de un piezoeléctrico unido. Esto permite rendimientos relativamente altos, pero también da como resultado un calentamiento a amplitudes más altas. En los dispositivos SAW, sin embargo, la interfaz sólido-líquido oscila aplicando voltaje a un par de electrodos interdigitados modelados sobre un sustrato piezoeléctrico. Debido a las longitudes de onda muy cortas (1 μm-100 μm), partículas tan pequeñas como 300 nm pueden ser manipuladas con precisión por la onda de presión generada en los dispositivos SAW. A pesar de la capacidad de manipular partículas pequeñas, los métodos SAW se limitan a la manipulación de partículas locales, ya que la onda se atenúa rápidamente con la distancia de la fuente.

En el rango de frecuencia de 1-100 kHz, los flujos oscilatorios generalmente se generan utilizando elementos piezoeléctricos que están unidos a un microcanal de polidimetilsiloxano (PDMS) sobre una cavidad diseñada^16,17. La membrana PDMS por encima de la cavidad estampada se comporta como una membrana vibratoria o tambor que presuriza el fluido dentro del canal. En este rango de frecuencia, la longitud de onda es mayor que el tamaño del canal, pero las amplitudes de velocidad de oscilación son pequeñas. El fenómeno más útil en este régimen de frecuencias es la generación de flujos de flujo acústicos/viscosos, que son flujos constantes rectificados causados por la no linealidad inherente al flujo de líquidos con inercia¹⁸. Los flujos de flujo constante generalmente se manifiestan como vórtices contrarrotatorios de alta velocidad en las cercanías de obstáculos, esquinas afiladas o microburbujas. Estos vórtices son útiles para mezclar^19,20 y separar partículas de 10 μm de tamaño de la corriente de flujo²¹.

Para frecuencias en el rango de 10-1000 Hz, tanto la velocidad del componente oscilatorio como su flujo viscoso constante asociado son considerables en magnitud y útiles. Los flujos oscilatorios fuertes en este rango de frecuencia se pueden utilizar para el enfoque inercial²², facilitar la generación^{de gotas 23} y pueden generar condiciones de flujo (números de Womersley) que imitan el flujo sanguíneo para estudios in vitro . Por otro lado, los flujos de transmisión son útiles para la mezcla, el atrapamiento de partículas y la manipulación. El flujo oscilatorio en este rango de frecuencias también se puede lograr utilizando un elemento piezoeléctrico unido al dispositivo como se describió anteriormente²³. Un obstáculo importante para implementar flujos oscilatorios a través de un elemento piezoeléctrico unido es que requiere que las características se diseñen de antemano. Además, los elementos del altavoz enlazados no son desmontables, y se debe unir un nuevo elemento a cada dispositivo²⁴. Sin embargo, tales dispositivos presentan la ventaja de ser compactos. Un método alternativo es el uso de una válvula de relé electromecánica²⁰. Estas válvulas requieren fuentes de presión neumáticas y software de control personalizado para su operación y, por lo tanto, aumentan la barrera técnica para las pruebas y la implementación. Sin embargo, tales dispositivos permiten la aplicación de la amplitud y frecuencia de presión establecidas.

En este artículo, se describe la construcción, operación y caracterización de un método fácil de usar para generar flujos oscilatorios en el rango de frecuencia de 10-1000 Hz en microcanales. El método ofrece numerosas ventajas, como un montaje rentable, facilidad de operación y listo para interactuar con canales microfluídicos estándar y accesorios como bombas de jeringa y tubos. Además, en comparación con enfoques similares anteriores²⁵, el método ofrece al usuario un control selectivo e independiente de las frecuencias y amplitudes de oscilación, incluida la modulación entre formas de onda sinusoidales y no sinusoidales. Estas características permiten a los usuarios implementar fácilmente flujos oscilatorios y, por lo tanto, facilitan la adopción generalizada en una amplia gama de tecnologías y aplicaciones microfluídicas actualmente existentes en los campos de la biología y la química.

Protocol

1. Diseño y fabricación rápida de moldes de prototipos Abra AutoCAD en un PC. Seleccione Archivo en la barra de tareas, luego seleccione Abrir y busque y haga clic en un archivo de modelo tridimensional (3D) del molde de canal que tiene .dxf o .dwg extensión. Seleccione todo el modelo haciendo clic y arrastrando un cuadro a su alrededor. Exporte el diseño como un archivo .stl seleccionando Archivo | Exportar, luego Otros …

Representative Results

Para ilustrar la capacidad y el rendimiento de la configuración anterior, se presentan resultados representativos del flujo oscilatorio en un microcanal lineal simple con una sección transversal cuadrada. El ancho y la altura del canal son de 110 μm y su longitud es de 5 cm. En primer lugar, describimos el movimiento de las partículas trazadoras de poliestireno esférico y cómo se pueden utilizar para comprobar la fidelidad de la señal oscilatoria, así como el rango de amplitudes de oscilación alcanzables. Luego …

Discussion

Hemos demostrado el montaje (ver protocolo pasos críticos 3 y 4) y operación (ver protocolo pasos críticos 5 y 6) de un aparato basado en altavoces externos para la generación de flujo oscilatorio con frecuencias en el rango de 10 a 1000 Hz en dispositivos microfluídicos. El seguimiento de partículas trazadoras en suspensión es necesario para determinar la fidelidad del movimiento armónico, así como para calibrar el rango de amplitudes de oscilación alcanzables en el rango de frecuencias de funcionamiento. La c…

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