Pneumatisch aangedreven microfluïdisch platform voor microdeeltjesconcentratie
Summary
Het huidige protocol beschrijft een pneumatisch microfluïdisch platform dat kan worden gebruikt voor een efficiënte microdeeltjesconcentratie.
Abstract
Het huidige artikel introduceert een methode voor het fabriceren en bedienen van een pneumatische klep om de deeltjesconcentratie te regelen met behulp van een microfluïdisch platform. Dit platform heeft een driedimensionaal (3D) netwerk met gebogen vloeistofkanalen en drie pneumatische kleppen, die netwerken, kanalen en ruimtes creëren door duplexreplicatie met polydimethylsiloxaan (PDMS). Het apparaat werkt op basis van de transiënte respons van een vloeistofdebiet dat wordt geregeld door een pneumatische klep in de volgende volgorde: (1) monsterbelasting, (2) monsterblokkering, (3) monsterconcentratie en (4) monsterafgifte. De deeltjes worden geblokkeerd door dunne membraanlaagvervorming van de zeefklep (Vs) plaat en hopen zich op in het gebogen microfluïdische kanaal. De werkvloeistof wordt afgevoerd door de bediening van twee aan/uit-kleppen. Als gevolg van de operatie werden alle deeltjes van verschillende vergrotingen met succes onderschept en losgekoppeld. Wanneer deze technologie wordt toegepast, kunnen de bedrijfsdruk, de tijd die nodig is voor de concentratie en de concentratiesnelheid variëren, afhankelijk van de afmetingen van het apparaat en de vergroting van de deeltjesgrootte.
Introduction
Vanwege het belang van biologische analyse worden microfluïdische en biomedische micro-elektromechanische systemen (BioMEMS) technologieën 1,2 gebruikt om apparaten voor de zuivering en verzameling van micromaterialen te ontwikkelen en te bestuderen 2,3,4. Deeltjesvangst wordt gecategoriseerd als actief of passief. Actieve vallen zijn gebruikt voor externe diëlektrische5, magnetophoretische6, auditieve7, visuele8 of thermische9 krachten die inwerken op onafhankelijke deeltjes, waardoor nauwkeurige controle van hun bewegingen mogelijk is. Er is echter een interactie tussen het deeltje en externe kracht vereist; de doorvoer is dus laag. In microfluïdische systemen is het regelen van het debiet erg belangrijk omdat de externe krachten worden overgedragen op de doeldeeltjes.
Over het algemeen hebben passieve microfluïdische apparaten micropillars in microkanalen10,11. Deeltjes worden gefilterd door interactie met een stromende vloeistof en deze apparaten zijn gemakkelijk te ontwerpen en goedkoop te produceren. Ze veroorzaken echter deeltjesverstopping in micropijlers, dus zijn er complexere apparaten ontwikkeld om deeltjesverstopping te voorkomen12. Microfluïdische apparaten met complexe structuren zijn over het algemeen geschikt voor het beheer van een beperkt aantal deeltjes 13,14,15,16,17,18.
Dit artikel beschrijft een methode om een pneumatisch aangedreven microfluïdisch platform voor grote deeltjesconcentraties te fabriceren en te bedienen dat de tekortkomingen18 zoals hierboven vermeld, overwint. Dit platform kan deeltjes blokkeren en concentreren door vervorming en bediening van de dunne membraanlaag van de zeefklep (Vs) plaat die zich ophoopt in gebogen microfluïdische kanalen. Deeltjes hopen zich op in gebogen microfluïdische kanalen en de geconcentreerde deeltjes kunnen zich scheiden door de werkvloeistof af te voeren via de bediening van twee PDMS-afdichtingen aan/uit-kleppen 18. Deze methode maakt het mogelijk om een beperkt aantal deeltjes te verwerken of een groot aantal kleine deeltjes te concentreren. Bedrijfsomstandigheden zoals de grootte van het debiet en de persluchtdruk kunnen ongewenste celbeschadiging voorkomen en de efficiëntie van het vangen van cellen verhogen.
Protocol
Representative Results
Discussion
Dit platform biedt een eenvoudige manier om deeltjes van verschillende groottes te zuiveren en te concentreren. Deeltjes worden opgehoopt en vrijgegeven door pneumatische klepbediening en er wordt geen verstopping waargenomen omdat er geen passieve structuur is. Met behulp van dit apparaat wordt de concentratie van deeltjes van drie maten gepresenteerd. De werkdruk, de tijd die nodig is voor de concentratie en de snelheid kunnen echter variëren afhankelijk van de afmetingen van het apparaat, de vergroting van de deeltje…
Disclosures
The authors have nothing to disclose.
Acknowledgements
Dit werk werd ondersteund door de National Research Foundation of Korea (NRF) subsidie gefinancierd door de Koreaanse overheid (Ministerie van Wetenschap en ICT). (Nee. 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).
