미세입자 농도를 위한 공압 구동 미세유체 플랫폼
Summary
본 프로토콜은 효율적인 미세입자 농축을 위해 사용될 수 있는 공압 미세유체 플랫폼을 기술한다.
Abstract
본 기사는 미세유체 플랫폼을 사용하여 입자 농도를 제어하기 위해 공압 밸브를 제조 및 조작하는 방법을 소개한다. 이 플랫폼에는 곡선 유체 채널과 3개의 공압 밸브가 있는 3차원(3D) 네트워크가 있으며, 이 네트워크는 폴리디메틸실록산(PDMS)과의 이중 복제를 통해 네트워크, 채널 및 공간을 생성합니다. 이 장치는 공압 밸브에 의해 제어되는 유체 유량의 과도 반응을 기반으로 (1) 샘플 로딩, (2) 샘플 차단, (3) 샘플 농도 및 (4) 샘플 방출의 순서로 작동합니다. 입자는 체 밸브 (Vs) 플레이트의 얇은 다이어프램 층 변형에 의해 차단되고 곡선 미세 유체 채널에 축적됩니다. 작동 유체는 두 개의 온/오프 밸브의 작동에 의해 배출됩니다. 조작의 결과로, 다양한 배율의 모든 입자가 성공적으로 차단되고 분리되었습니다. 이 기술이 적용될 때, 작동 압력, 농도에 필요한 시간, 및 농도 속도는 장치 치수 및 입자 크기 배율에 따라 달라질 수 있다.
Introduction
생물학적 분석의 중요성으로 인해, 미세유체 및 생물의학 미세전자기계 시스템(BioMEMS) 기술1,2는 미세물질 2,3,4의 정제 및 수집을 위한 장치를 개발 및 연구하는 데 사용된다. 파티클 포획은 활성 또는 수동으로 분류됩니다. 활성 트랩은 외부 유전체5, 자기 영동6, 청각7, 시각8 또는 열9 힘에 사용되어 독립 입자에 작용하여 움직임을 정확하게 제어 할 수 있습니다. 그러나 입자와 외부 힘 사이의 상호 작용이 필요합니다. 따라서 처리량이 낮습니다. 미세유체 시스템에서, 유량을 제어하는 것은 외부 힘이 표적 입자로 전달되기 때문에 매우 중요하다.
일반적으로, 수동 미세유체 장치는 마이크로채널(10,11) 내에 마이크로필러를 갖는다. 입자는 흐르는 유체와의 상호 작용을 통해 여과되며, 이러한 장치는 설계가 쉽고 제조가 저렴합니다. 그러나, 이들은 마이크로 필러에서 입자 막힘을 일으키므로, 입자 막힘(12)을 방지하기 위해 더 복잡한 장치가 개발되었다. 복잡한 구조를 갖는 미세유체 장치는 일반적으로 제한된 수의 입자13,14,15,16,17,18을 관리하기에 적합하다.
이 글은 위에서 언급한 바와 같이 단점(18)을 극복하는 큰 입자 농도를 위해 공압식으로 구동되는 미세유체 플랫폼을 제조 및 조작하는 방법을 설명한다. 이 플랫폼은 곡선형 미세유체 채널에 축적되는 체 밸브(Vs) 플레이트의 얇은 다이어프램 층의 변형 및 작동에 의해 입자를 차단하고 농축시킬 수 있습니다. 입자는 곡선형 미세유체 채널에 축적되고, 농축된 입자는 두 개의 PDMS 씰 온/오프 밸브(18)의 작동을 통해 작동 유체를 배출함으로써 분리될 수 있다. 이 방법은 제한된 수의 입자를 처리하거나 많은 수의 작은 입자를 농축시키는 것을 가능하게 한다. 유량 및 압축 공기 압력의 크기와 같은 작동 조건은 원치 않는 셀 손상을 방지하고 셀 포집 효율을 높일 수 있습니다.
Protocol
Representative Results
Discussion
이 플랫폼은 다양한 크기의 입자를 정화하고 농축하는 간단한 방법을 제공합니다. 입자는 공압 밸브 제어를 통해 축적되고 방출되며 수동 구조가 없기 때문에 막힘도 관찰되지 않습니다. 이 장치를 사용하여 세 가지 크기의 입자 농도가 표시됩니다. 그러나, 작동 압력, 농축에 필요한 시간, 및 속도는 Vs18,20,21에서의 장치 치수, 입자 크기 배율, ?…
Disclosures
The authors have nothing to disclose.
Acknowledgements
이 사업은 한국연구재단(NRF) 한국 정부(과학기술정보통신부)가 후원하는 보조금의 지원을 받았다. (아니요. 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).
