Изготовление и тестирование трехмерного микрофлюидного микромиксера: управление частицами в чипе

Тезисы

Микромиксеры считаются важными для лабораторных устройств на мифролюидных чипах, и их низкая эффективность может стать препятствием для многих исследований в области биотехнологий. Эффективное смешивание с возможностью автоматизации по-прежнему жизненно важно. В данной исследовательской работе представлен новый метод изготовления 3D смесителя из полиметилметакрилата (ПММА). Это достигается путем объединения автоматизированного проектирования (САПР), технологии микрообработки и экспериментальных приложений с использованием манипуляции с жидкостями и наночастицами. Система состоит из 3-х слоев: нижний слой с микроканалом в форме резервуара, центральный слой со змеевидным каналом, верхний слой с входами и выходами, устройство также имеет сквозное отверстие для взаимодействий внутри системы. Такие факторы, как процесс герметизации, высокая точность и настраиваемые методы изготовления, способствуют созданию монолитной трехмерной архитектуры. Это создает скрытые проточные каналы, которые могут способствовать пассивному хаотическому перемешиванию и функциям разбавления, благодаря части пути, общей между резервуаром и змеевидными слоями. Возможности plug and play контроллера Elveflow позволяют исследователям продемонстрировать принцип работы устройства, используя цветные жидкости и флуоресцентные наночастицы, чтобы проиллюстрировать различные приложения, такие как манипуляции с частицами.

Введение

В последние несколько десятилетий микрофлюидные структуры стали краеугольным камнем для обычных устройств типа «лаборатория на чипе». Существующие методы изготовления включают использование базовой "мягкой" литографии, за которой следуют протоколы соединения PDMS / PDMS, PDMS / Стекло или PDMS / SU8 для окончательного получения готового микрофлюидного устройства. [1-4]. Несмотря на то, что стандартные формованные устройства работали хорошо, их совместимость с биологическими исследованиями, простота их настройки были некоторыми ограничениями, которые не отвечали требованиям многих приложений [5,6]. Кроме того, PDMS чувствителен к воздействию некоторых химических веществ и может даже адсорбировать белки на своей поверхности [7-9].

Термопластические полимеры (пластмассы), такие как полиметилметакрилат (ПММА), полистирол (ПС), сополимеры циклических олефинов (ЦОС) или поликарбонат (ПК), в последнее десятилетие вызывают всеобщий интерес. Это связано с тем, что они допускают легкую обработку / модификацию поверхности, прозрачны, биосовместимы [5] и, что наиболее важно, подходят для различных промышленных применений на рынке "лабораторий на чипе" (LOC) [10]. Кроме того, переход от двумерной микрофлюидики к трехмерной делает представленный в статье метод революционной технологией из-за уникальных возможностей миниатюрных жидкостных систем в области клеточной биологии, химии на чипе и капельной микрофлюидики [11].

Микромиксеры - важный элемент, необходимый для перехода от стандартных анализов к реакциям на чипе. У них есть ряд биоприложений - исследования живых клеток для медицинской диагностики, синтез наночастиц и биотехнологический анализ, такой как полимеразная цепная реакция (ПЦР) [12-14]. Чтобы объединить надежность и воспроизводимость в одном устройстве было разработано и сконструировано 3D plug and play устройство из ПММА. Устройство может быть использовано для смешивания в химии и клеточной биологии.

Цели и задачи

Ученые поставили перед этим исследованием следующие цели:

• Проектирование, моделирование и изготовление трехмерного микрофлюидного устройства.

• Подключение и проверка работоспособности устройства.

• Подключение микрофлюидной установки и пассивация микроканалов в потоке

• Смешивание и создание частиц и манипулирование ими

Материалы и методы

Отслеживание частиц и жидкостей во взаимосвязанных микроканалах с h-переходом в 3D моделировались с помощью CFD-модуля (гидродинамическое моделирование). Для симуляции диаметры частиц были определены как 200 нм и 1 мкм. Микрофлюидная система Elveflow, которая идеально подходит для подобных исследований, использовалась для закачки раствора в устройство. Контроллер Elveflow был оборудована базовым модулем и двумя каналами, а также двумя датчиками микрофлюидного потока.

Эта микрофлюидная система обеспечивает поток среды и может контролироваться во времени. Во время экспериментов два впускных отверстия были соединены с пробиркой, содержащей образцы частиц. Микрочип был помещен под микроскоп для наблюдения, и результат был записан с получением изображения в реальном времени.

Рисунок 1: Микрофлюидная экспериментальная установка с датчиками потока Elveflow и капиллярами, подключенными к трехмерному микрофлюидному устройству, наблюдаемая под микроскопом

Основные выводы

Концептуальный дизайн трехмерного микрофлюидного инструмента

Первой частью этого исследования был дизайн трехмерного микрофлюидного устройства. Были исследованы гидравлические параметры, чтобы спланировать особенности, необходимые для проектирования окончательной архитектуры. Схема взаимосвязанного канала и результаты моделирования для индекса смешения приведены на рис. 2. На рис. 2а показано распределение скоростей в предложенной конструкции, а на рис. 2b показано распределение давления по всей системе.

Рисунок 2: Моделирование методом конечных элементов значений скорости потока (a) и давления (b) в двухуровневой системе взаимосвязанных микроканалов

Генерация, смешение частиц и манипулирование ими

Конечной целью считается эффективное смешивание различных элементов, поэтому микромиксер был протестирован путем проведения теста с созданием потока. В таблице 1 приведены результаты испытаний, проведенных на отверстиях (A, B и C), которые использовались в качестве входных или выходных отверстий. Испытания были выполнены с использованием микрофлюидной установки Elveflow (контроллер и датчики потока).

Таблица 1. Схема экспериментов, основанных на альтернативном использовании отверстий в качестве входа / выхода в сочетании с закачкой окрашенных жидкостей или суспензий флуоресцентных частиц

Рисунок 3 (а) Фото экспериментальной установки под оптическим микроскопом. Фиолетовая капля, выходящая из выпускного отверстия собранного и подключенного устройства, хорошо видна в результате смешивания розовой и синей жидкостей. (б) Изображение отдельного и общего пути, сделанное через микроскоп. Отверстие для подключения выделено красной стрелкой. Масштабная линейка: 500 мкм.

На рисунке 3а представлена фотография экспериментальной установки. Микрофлюидный чип изображен во время теста, когда на выходе наблюдается смешанный фиолетовый цвет. На рис. 3b показано более увеличенное и более четкое изображение, полученное с помощью микроскопа. Заключительный этап эксперимента включает смешивание и манипуляции с частицами. Зеленая флуоресцентная суспензия полистирола вводится через отверстие A. Путь этих частиц отслеживался под микроскопом, и несколько изображений были сделаны до и сразу после точки смешивания. (Рисунок 4).

Рисунок 4: (a - b) Фото микроканалов с зелеными и красными частицами при протекании потоков отдельно до достижения точки соединения и (d - e) сразу после. (c) и (f) - фото объединения зеленой и красной флуоресценции.

Вывод

Устройства «лаборатория на чипе» позволяют объединить несколько лабораторных функций на нескольких квадратных сантиметрах. Микрофлюидные устройства обладают революционным потенциалом для радикального изменения традиционных методов в области химии, исследований окружающей среды и наук о жизни.

Методы прототипирования, используемые для разработки и производства полимерных лабораторных устройств на чипе, находятся на подъеме благодаря высокой гибкости и точности, которые они предлагают. Изготовление устройства требует много этапов оптимизации для точной настройки архитектуры и геометрии на основе требований приложения и результатов наблюдения. В этом исследовании выполняется оптимизация микрофлюидного устройства от разработки конструкции до генерации частиц и манипулирования ими.

Полученное устройство продемонстрировало свою способность работать с двумя различными функциями - смешиванием и получением градиентов в микроканалах, которые будут использовать все преимущества 3D PMMA чипа. Будущие разработки в таких приложениях, как маркировка клеток, смешивание двух типов клеток в определенном соотношении и даже разведение клеток для подсчета. Эти захватывающие результаты были достигнуты с помощью микрофлюидики с управлением потоком давлением для проведения испытаний изготовленного трехмерного микрофлюидного устройства.