פלטפורמה מיקרופלואידית מונחית פניאומטית לריכוז מיקרו-חלקיקים
Summary
הפרוטוקול הנוכחי מתאר פלטפורמה מיקרופלואידית פנאומטית שיכולה לשמש לריכוז יעיל של מיקרו-חלקיקים.
Abstract
המאמר הנוכחי מציג שיטה לייצור והפעלה של שסתום פנאומטי לבקרת ריכוז החלקיקים באמצעות פלטפורמה מיקרופלואידית. לפלטפורמה זו יש רשת תלת-ממדית (תלת-ממדית) עם תעלות נוזל מעוגלות ושלושה שסתומים פנאומטיים, היוצרים רשתות, תעלות וחללים באמצעות שכפול דו-ממדי עם פולידימתילסילוקסן (PDMS). המכשיר פועל על סמך התגובה הארעית של קצב זרימת נוזל הנשלט על ידי שסתום פנאומטי בסדר הבא: (1) טעינת דגימה, (2) חסימת דגימה, (3) ריכוז דגימה ו-(4) שחרור דגימה. החלקיקים נחסמים על ידי עיוות שכבת הסרעפת הדקה של צלחת המסננת (Vs) ומצטברים בתעלה המיקרופלואידית המעוקלת. נוזל העבודה משוחרר על ידי הפעלה של שני שסתומי הפעלה/כיבוי. כתוצאה מהפעולה, כל החלקיקים בעלי הגדלות השונות יורטו והתנתקו בהצלחה. כאשר טכנולוגיה זו מיושמת, לחץ ההפעלה, הזמן הנדרש לריכוז וקצב הריכוז עשויים להשתנות בהתאם למידות המכשיר ולהגדלה של גודל החלקיקים.
Introduction
בשל החשיבות של ניתוח ביולוגי, טכנולוגיות מיקרופלואידיות וביו-רפואיות מיקרו-אלקטרומכניות (BioMEMS) 1,2 משמשות לפיתוח וחקר התקנים לטיהור ואיסוף של מיקרו-חומרים 2,3,4. לכידת חלקיקים מסווגת כאקטיבית או פסיבית. מלכודות פעילות שימשו עבור כוחות דיאלקטריים חיצוניים5, מגנטופורטיים6, שמיעתיים7,חזותיים 8 אותרמיים 9 הפועלים על חלקיקים עצמאיים, ומאפשרים שליטה מדויקת על תנועותיהם. עם זאת, נדרשת אינטראקציה בין החלקיק לכוח החיצוני; לפיכך, התפוקה נמוכה. במערכות מיקרופלואידיות, שליטה בקצב הזרימה חשובה מאוד מכיוון שהכוחות החיצוניים מועברים לחלקיקי המטרה.
באופן כללי, למכשירים מיקרופלואידיים פסיביים יש מיקרופילרים במיקרו-ערוצים10,11. חלקיקים מסוננים באמצעות אינטראקציה עם נוזל זורם, והתקנים אלה קלים לתכנון וזולים לייצור. עם זאת, הם גורמים לסתימת חלקיקים במיקרו-עמודים, ולכן פותחו התקנים מורכבים יותר כדי למנוע סתימת חלקיקים12. התקנים מיקרופלואידיים עם מבנים מורכבים מתאימים בדרך כלל לניהול מספר מוגבל של חלקיקים 13,14,15,16,17,18.
מאמר זה מתאר שיטה לייצור והפעלה של פלטפורמה מיקרופלואידית המונעת על ידי פנאומטית עבור ריכוזי חלקיקים גדולים המתגברת על החסרונות18 כאמור לעיל. פלטפורמה זו יכולה לחסום ולרכז חלקיקים על ידי דפורמציה והפעלה של שכבת הסרעפת הדקה של צלחת שסתום המסננת (Vs) המצטברת בתעלות מיקרופלואידיות מעוקלות. חלקיקים מצטברים בתעלות מיקרופלואידיות מעוקלות, והחלקיקים המרוכזים יכולים להיפרד על ידי פריקה של נוזל העבודה באמצעות הפעלה של שני אטמי PDMS על/כיבוי שסתומים18. שיטה זו מאפשרת לעבד מספר מוגבל של חלקיקים או לרכז מספר רב של חלקיקים קטנים. תנאי הפעלה כגון עוצמת קצב הזרימה ולחץ אוויר דחוס יכולים למנוע נזק לא רצוי לתאים ולהגביר את יעילות לכידת התאים.
Protocol
Representative Results
Discussion
פלטפורמה זו מספקת דרך פשוטה לטהר ולרכז חלקיקים בגדלים שונים. חלקיקים נצברים ומשוחררים באמצעות בקרת שסתומים פנאומטיים, ולא נצפתה סתימה מכיוון שאין מבנה פסיבי. באמצעות מכשיר זה מוצג ריכוז החלקיקים בשלושה גדלים. עם זאת, לחץ ההפעלה, הזמן הנדרש לריכוז והקצב עשויים להשתנות בהתאם לממדי המכשיר, ה…
Disclosures
The authors have nothing to disclose.
Acknowledgements
עבודה זו נתמכה על ידי מענק קרן המחקר הלאומית של קוריאה (NRF) במימון ממשלת קוריאה (משרד המדע והתקשוב). (לא. NRF-2021R1A2C1011380).
Materials
| 1.5 mm puncture | Self procduction | Self procduction | This puncture was made by requesting a mold maker based on the Miltex® Biopsy Punch with Plunger (15110-15) product. |
| 4 inch Silicon Wafer/SU-8 mold | 4science | 29-03573-01 | 4 inch (100) Ptype silicon wafer/SU-8 mold |
| Carboxyl Polystyrene Crosslinked Particle(24.9 μm) | Spherotech | CPX-200-10 | Concentrated bead sample1 |
| Flow meter | Sensirion | SLI-1000 | Flow measurement |
| High-speed camera | Photron | FASTCAM Mini | Observation of concentration |
| Hot plate | As one | HI-1000 | heating plate for curing of liquid PDMS |
| KOVAX-SYRINGE 10 mL/Syringe | Koreavaccine | 22G-10ML | Fill the microfluidic channel with bubble-free demineralized water. |
| Laboratory Conona treater/Atmospheric plasma | Electro-Technic | BD-20AC | Chip bonding/atmospheric plasma |
| Liquid polydimethylsiloxane, PDMS | Dow Corning Inc. | Sylgard 184 | Components of chip |
| Microscope | Olympus | IX-81 | Observation of concentration |
| PEEK Tubes | SAINT-GOBAIN PPL CORP. | AAD04103 | Inject or collect particles |
| Polystyrene Particle(4.16 μm) | Spherotech | PP-40-10 | Concentrated bead sample3 |
| Polystyrene Particle(8.49 μm) | Spherotech | PP-100-10 | Concentrated bead sample2 |
| Pressure controller/μflucon | AMED | μflucon | Control of air pressure |
| Spin coater | iNexus | ACE-200 | spread the liquid PDMS on SU-8 mold |
References
- Whitesides, G. M. The origins and the future of microfluidics. Nature. 442 (7107), 368-373 (2006).
- Desitter, I., et al. A new device for rapid isolation by size and characterization of rare circulating tumor cells. Anticancer Research. 31 (2), 427-441 (2011).
- Hayes, D. F., et al. Circulating tumor cells at each follow-up time point during therapy of metastatic breast cancer patients predict progression-free and overall survival. Clinical Cancer Research. 12 (14), 4218-4224 (2016).
- Choi, S., Park, J. K. Microfluidic system for dielectrophoretic separation based on a trapezoidal electrode array. Lab on a Chip. 5 (10), 1161-1167 (2005).
- Jung, Y., et al. Six-stage cascade paramagnetic mode magnetophoretic separation system for human blood samples. Biomedical Microdevices. 12 (4), 637-645 (2010).
- Li, P., et al. Acoustic separation of circulating tumor cells. Proceedings of the National Academy of Sciences. 112 (16), 4970-4975 (2015).
- Lin, Y. H., Lee, G. B. Optically induced flow cytometry for continuous microparticle counting and sorting. Biosensors and Bioelectronics. 24 (4), 572-578 (2008).
- Gramotnev, D. K., et al. Thermal tweezers for surface manipulation with nanoscale resolution. Applied Physics Letters. 90 (5), 054108 (2007).
- Huang, L. R., et al. Continuous particle separation through deterministic lateral displacement. Science. 304 (5673), 987-990 (2004).
- Yin, D., et al. Multi-stage particle separation based on microstructure filtration and dielectrophoresis. Micromachines. 10 (2), 103 (2019).
- Yoon, Y., et al. Clogging-free microfluidics for continuous size-based separation of microparticles. Scientific Reports. 6 (1), 1-8 (2016).
- Alvankarian, J., Majlis, B. Y. Tunable microfluidic devices for hydrodynamic fractionation of cells and beads: a review. Sensors. 15 (11), 29685-29701 (2015).
- Irimia, D., Toner, M. Cell handling using microstructured membranes. Lab on a Chip. 6 (3), 345-352 (2006).
- Huang, S. B., et al. A tunable micro filter modulated by pneumatic pressure for cell separation. Sensors and Actuators B: Chemical. 142 (1), 389-399 (2009).
- Chang, Y. H., et al. A tunable microfluidic-based filter modulated by pneumatic pressure for separation of blood cells. Microfluidics and Nanofluidics. 12 (1-4), 85-94 (2012).
- Oh, C. K., et al. Fabrication of pneumatic valves with spherical dome-shape fluid chambers. Microfluidics and Nanofluidics. 19 (5), 1091-1099 (2015).
- Liu, W., et al. Dynamic trapping and high-throughput patterning of cells using pneumatic microstructures in an integrated microfluidic device. Lab on a Chip. 12 (9), 1702-1709 (2012).
- Jang, J. H., Jeong, O. C. Fabrication of a pneumatic microparticle concentrator. Micromachines. 11 (1), 40 (2020).
- McDonald, J. C., et al. Poly(dimethylsiloxane) as a material for fabricating microfluidic device. Accounts of Chemical Research. 35 (7), 491-499 (2002).
- Brivio, M., et al. A MALDI-chip integrated system with a monitoring window. Lab on a Chip. 5 (4), 378-381 (2005).
- Jeong, O. C., Konishi, S. The self-generated peristaltic motion of cascaded pneumatic actuators for micro pumps. Journal of Micromechanics and Microengineering. 18 (8), 085017 (2008).
- Taff, B. M., Voldman, J. A scalable addressable positive dielectrophoretic cell-sorting array. Analytical Chemistry. 77 (24), 7976-7983 (2005).
- Pamme, N., et al. On-chip free-flow magnetophoresis: Separation and detection of mixtures of magnetic particles in continuous flow. Journal of Magnetism and Magnetic Materials. 307 (2), 237-244 (2006).
- Harris, N. R., et al. Performance of a micro-engineered ultrasonic particle manipulator. Sensors and Actuators B: Chemical. 111, 481-486 (2005).
- Yoon, Y., et al. Clogging-free microfluidics for continuous size-based separation of microparticles. Scientific Reports. 6 (1), 1-18 (2016).
- Beattie, W., et al. Clog-free cell filtration using resettable cell traps. Lab on a Chip. 14 (15), 2657-2665 (2014).
- Cheng, Y., et al. A bubble- and clogging-free microfluidic particle separation platform with multi-filtration. Lab on a Chip. 16 (23), 4517-4526 (2016).
