Pneumatisch angetriebene mikrofluidische Plattform für die Mikropartikelkonzentration

Zusammenfassung

Das vorliegende Protokoll beschreibt eine pneumatische mikrofluidische Plattform, die für eine effiziente Mikropartikelkonzentration verwendet werden kann.

Zusammenfassung

Der vorliegende Artikel stellt ein Verfahren zur Herstellung und zum Betrieb eines pneumatischen Ventils zur Steuerung der Partikelkonzentration unter Verwendung einer mikrofluidischen Plattform vor. Diese Plattform verfügt über ein dreidimensionales (3D) Netzwerk mit gekrümmten Fluidkanälen und drei pneumatischen Ventilen, die Netzwerke, Kanäle und Räume durch Duplexreplikation mit Polydimethylsiloxan (PDMS) erzeugen. Das Gerät arbeitet auf der Grundlage des Einschwingverhaltens einer Flüssigkeitsdurchflussrate, die von einem pneumatischen Ventil in der folgenden Reihenfolge gesteuert wird: (1) Probenbeladung, (2) Probenblockierung, (3) Probenkonzentration und (4) Probenfreigabe. Die Partikel werden durch dünne Membranschichtverformung der Siebventilplatte (Vs) blockiert und reichern sich im gekrümmten mikrofluidischen Kanal an. Das Arbeitsfluid wird durch die Betätigung von zwei Ein-/Aus-Ventilen ausgetragen. Als Ergebnis der Operation wurden alle Partikel verschiedener Vergrößerungen erfolgreich abgefangen und ausgebremst. Wenn diese Technologie angewendet wird, können der Betriebsdruck, die für die Konzentration erforderliche Zeit und die Konzentrationsrate je nach Geräteabmessungen und Partikelgrößenvergrößerung variieren.

Einleitung

Aufgrund der Bedeutung der biologischen Analyse werden mikrofluidische und biomedizinische mikroelektromechanische Systeme (BioMEMS)^1,2 verwendet, um Geräte für die Reinigung und Sammlung von Mikromaterialien zu entwickeln und zu untersuchen^2,3,4. Die Partikelabscheidung wird als aktiv oder passiv kategorisiert. Aktive Fallen wurden für externe dielektrische⁵, magnetophorische⁶, auditive⁷, visuelle⁸ oder thermische^9-Kräfte verwendet, die auf unabhängige Partikel wirken und eine präzise Steuerung ihrer Bewegungen ermöglichen. Es ist jedoch eine Wechselwirkung zwischen dem Teilchen und der äußeren Kraft erforderlich; Somit ist der Durchsatz gering. In mikrofluidischen Systemen ist die Kontrolle der Durchflussrate sehr wichtig, da die äußeren Kräfte auf die Zielpartikel übertragen werden.

Im Allgemeinen haben passive mikrofluidische Bauelemente Mikrosäulen in Mikrokanälen^10,11. Partikel werden durch Wechselwirkung mit einer strömenden Flüssigkeit gefiltert, und diese Geräte sind einfach zu entwerfen und kostengünstig herzustellen. Sie verursachen jedoch Partikelverstopfungen in Mikrosäulen, so dass komplexere Geräte entwickelt wurden, um eine Verstopfung von Partikeln^{zu verhindern 12}. Mikrofluidische Bauelemente mit komplexen Strukturen eignen sich im Allgemeinen für die Verwaltung einer begrenzten Anzahl von Partikeln 13,14,15,16,17,18.

Dieser Artikel beschreibt ein Verfahren zur Herstellung und zum Betrieb einer pneumatisch angetriebenen mikrofluidischen Plattform für große Partikelkonzentrationen, die die oben genannten Mängel¹⁸ überwindet. Diese Plattform kann Partikel durch Verformung und Betätigung der dünnen Membranschicht der Siebventilplatte (Vs), die sich in gekrümmten mikrofluidischen Kanälen ansammelt, blockieren und konzentrieren. Partikel sammeln sich in gekrümmten mikrofluidischen Kanälen an, und die konzentrierten Partikel können sich trennen, indem sie das Arbeitsfluid über die Betätigung von zwei Ein- / Aus-Ventilen der PDMS-Dichtungen^{ablassen 18}. Diese Methode ermöglicht es, eine begrenzte Anzahl von Partikeln zu verarbeiten oder eine große Anzahl kleiner Partikel zu konzentrieren. Betriebsbedingungen wie die Größe der Durchflussrate und des Druckluftdrucks können unerwünschte Zellschäden verhindern und die Effizienz des Zellfangs erhöhen.

Protokoll

1. Design der mikrofluidischen Plattform für die Partikelkonzentration

1. Entwerfen Sie die pneumatische mikrofluidische Plattform, bestehend aus einem pneumatischen Ventil für den Flüssigkeitsfluss im 3D-Strömungsnetzwerk und drei pneumatischen Ventilen für den Sieb- (Vs), Fluid- (Vf) und Partikel- (Vp) Ventilbetrieb (Abbildung 1).
   HINWEIS: Vs-Blöcke konzentrieren Partikel aus der Flüssigkeit, und Vf und Vp ermöglichen die Freisetzung von Flüssigkeit und Partikeln nach der Konzentration. Drei pneumatische Anschlüsse liefern Druckluft aus der Flüssigkeits-/pneumatischen Versorgungsschicht (normalerweise offen) und dem pneumatischen Ventillichtauslass zur Betätigung des Ventils. Das mikrofluidische Kanalnetzwerk wird mit einem CAD-Programm^18,19 ausgelegt.
2. Entwerfen Sie den Kanal als pneumatische Versorgungsschicht und als 3D-Kanalnetzwerkschicht (Abbildung 2).
   HINWEIS: Das Fluidnetzwerk ist mit den gekrümmten Kanälen im vorderen Teil und der rechteckigen Kammer im hinteren Bereich verbunden. Vs blockieren den Einlass, und Partikel sammeln sich im Sammelbereich des gekrümmten Flüssigkeitskanals an. Partikelfreie Flüssigkeiten (partikelfreie Flüssigkeiten) werden durch den Qf-Auslass und die konzentrierten Partikel durch den Qp-Auslass austreten (Abbildung 3).
3. Bereiten Sie gemäß den oben genannten Bedingungen vier Arten von SU-8-Formen vor.
   HINWEIS: Die vier Formen enthalten eine Form, mit der das Ventil über Pneumatik gesteuert werden kann, zwei Formen, die Flüssigkeitskanäle erzeugen, und eine saubere Form ohne Form (Abbildung 4 und Tabelle 1). Die vier genannten Arten von Formen werden mit Standard-Photolithographie-Verfahren hergestellt. Dieser Formenbau besteht aus einer SU-8-Form auf einem Siliziumwafer gemäß den zuvor veröffentlichten Berichten^18,19. Abbildung 5 zeigt den Gerätechip.

2. Herstellung der mikrofluidischen Plattform zur Partikelkonzentration

HINWEIS: Abbildung 6 zeigt die Herstellung einer mikrofluidischen Plattform, die Partikel konzentriert.

1. Replizieren Sie die PDMS-Schicht mit einem vorbereiteten pneumatischen Ventilkanal SU-8 (Schritt 1.3) zur pneumatischen Steuerung des Ventils.
   1. Gießen Sie 10 ml flüssiges PDMS und 1 ml Härter (siehe Materialtabelle) in eine vorbereitete pneumatische Ventilkanalform (Schritt 1.3) und aktivieren Sie sie bei 90 °C für 30 min.
   2. Nachdem die PDMS-Strukturen ausgehärtet sind, trennen Sie die SU-8-Form von Schritt 2.1.1.
   3. Mit einer 1,5-mm-Punktion (siehe Materialtabelle) werden drei 1,5-mm-Pneumatikanschlüsse (Vs, Vf und Vp) in den gemäß Schritt 2.1.2 hergestellten pneumatischen Ventilkanal gestanzt (siehe Materialtabelle).
   4. Gießen Sie 10 ml flüssiges PDMS und 1 ml Härter in eine vorbereitete, saubere SU-8-Form, die in Schritt 1.3 vorbereitet wurde, und schleudern Sie sie bei 1.500 U / min für 15 s mit einem Spin-Coater (siehe Materialtabelle). Dann bei 90 °C für 30 min wärmeaktivieren.
   5. Nachdem die PDMS-Strukturen ausgehärtet sind, trennen Sie die SU-8-Form von Schritt 2.1.4.
      HINWEIS: Die Ventilmembranschicht steuert den Flüssigkeitsfluss entsprechend dem pneumatischen Druck.
   6. Atmosphärisches Plasma (siehe Materialtabelle) werden mit den in den Schritten 2.1.3 und 2.1.5 für 20 s hergestellten PDMS-Strukturen behandelt.
   7. Direkt plasmabehandelte PDMS-Strukturen aus Schritt 2.1.6 entsprechend der Kanalstruktur durch Überprüfung mit einem Mikroskop ausrichten.
   8. Die in Schritt 2.1.7 vorbereiteten ausgerichteten PDMS-Strukturen werden durch Erhitzen auf 90 °C 30 min lang verklebt.
   9. Stanzen Sie ein Loch mit einem Durchmesser von 1,5 mm in den Flüssigkeitskanaleinlass (Qfp) und die Flüssigkeitskanalauslässe (Qf und Qp) innerhalb des pneumatischen Kanalteils, mit dem die dünne Membranschicht verbunden ist, mit einer Punktion von 1,5 mm.
2. Replizieren Sie beide Seiten der PDMS-Schicht mit zwei SU-8-Formen, um einen mikrofluidischen Kanal zu erzeugen. Verwenden Sie eine gekrümmte und rechteckige mikrofluidische Kanalform auf der Vorderseite und eine mikrofluidische Verbindungskanalform auf der Rückseite.
   1. Gießen Sie 10 ml flüssiges PDMS und 1 ml Härter in die gekrümmte und rechteckige mikrofluidische Kanalform und drehen Sie sie bei 1.200 U / min für 15 s. Erstellen Sie dann Formen für die gekrümmte Fluidkammer und die Fluidkanäle durch thermische Aktivierung bei 90 °C für 30 min (Abbildung 6A).
   2. Trennen Sie die PDMS-Schicht, auf der der mikrofluidische Kanal gebildet wird, und machen Sie dann eine wärmeaktivierte Form, die die versiegelte Entlüftungswand bedeckt, indem Sie sich an den Glaswafer binden, indem Sie atmosphärisches Plasma für 20 s behandeln (Abbildung 6B).
   3. Gießen Sie 3 ml flüssiges PDMS in den Verbindungskanal der SU-8-Form (Abbildung 6C).
   4. Die in Schritt 2.2.2 hergestellte Struktur wird mit der Verbindungskanalform in flüssigem PDMS auf der mikrofluidischen Verbindungskanalform angeordnet und die überlagerte Struktur bei 130 °C für 30 min getrocknet (Abbildung 6D).
      HINWEIS: Beim Aushärten der hinteren Struktur wird die in Schritt 2.2.2 hergestellte PDMS-Form durch den thermischen Druck der Luftschicht aufgeblasen, und die verformte PDMS-Schicht wird thermisch aktiviert (Abbildung 6E)¹⁶.
   5. Entfernen Sie nach dem Aushärten die vordere SU-8-Form von der mikrofluidischen Kanalnetzwerkschicht und ziehen Sie die hintere PDMS-Form vorsichtig ab (Abbildung 6F).
      HINWEIS: Die 3D-Fluidik-Netzwerkschicht ermöglicht die Erstellung einer vorderen gekrümmten Fluidkammer und mikrofluidischer Kanäle.
   6. Gießen Sie 10 ml flüssiges PDMS und 1 ml Härter in eine saubere SU-8-Form. Dann bei 90 °C für 30 min wärmeaktivieren.
   7. Nachdem die PDMS-Strukturen ausgehärtet sind, trennen Sie die SU-8-Form.
      HINWEIS: In diesem Schritt wird die zusätzliche Dichtschicht erstellt.
   8. Das atmosphärische Plasma wird mit PDMS-Strukturen behandelt, die in den Schritten 2.2.3 und 2.2.7 für 20 s hergestellt wurden.
   9. Richten Sie direkt plasmabehandelte PDMS-Strukturen entsprechend der Kanalstruktur aus, indem Sie dies mit einem Mikroskop überprüfen.
   10. Verkleben Sie die ausgerichteten PDMS-Strukturen durch Erhitzen bei 90 °C für 30 min.
3. Die in den Schritten 2.1 und 2.2 vorbereiteten PDMS-Strukturen werden entsprechend der Kanalstruktur ausgerichtet und durch Behandlung von atmosphärischem Plasma für 20 s gebunden.

3. Einrichten des Geräts

HINWEIS: Abbildung 7 zeigt die Herstellung einer mikrofluidischen Plattform, die Partikel konzentriert.

1. Füllen Sie den mikrofluidischen Kanal manuell mit blasenfreiem demineralisiertem Wasser mit einer 10-ml-Spritze.
2. Um die P_Qfp und die drei pneumatischen Ventile (P_Vs, P_Vf und P_Vp) zu steuern, die den Mikroperlenfluss steuern, setzen Sie einen Präzisionsdruckregler mit vier oder mehr Ausgangskanälen (siehe Materialtabelle) für das Arbeitsfluid (Qfp) in die mikrofluidische Plattform ein.
   HINWEIS: Ein Präzisionsdruckregler mit vier Ausgangskanälen kann durch mehrere Präzisionsdruckregler ersetzt werden. In diesem Experiment betrug der Betriebsdruck von P_Qfp 10 kPa, P_Vs 15 kPa und P_Vf und P_Vp jeweils 18 kPa (Abbildung 8 und Tabelle 2). Abbildung 8 zeigt den Arbeitsflüssigkeitsdurchfluss im Laufe der Zeit, da Partikel von der mikrofluidischen Plattform mit P_Vs von 15 kPa konzentriert werden, und Tabelle 2 zeigt die Betätigungsergebnisse entsprechend den pneumatischen Ventilen.
3. Herstellen von Carboxylpolystyrol-Testpartikeln unterschiedlicher Größe in destilliertem Wasser (siehe Materialtabelle).
   HINWEIS: Die in diesem Experiment verwendeten Partikelgrößen waren 24,9, 8,49 und 4,16 μm; Je nach Druck der P_Vs können Partikel unterschiedlicher Größe verwendet werden.
4. Um die Durchflussrate der Arbeitsflüssigkeit zu steuern, füllen Sie eine Glasflasche halb voll mit Wasser (Arbeitsflüssigkeit) und verbinden Sie den Glasflaschenverschluss mit dem Steuerungsausgangskanal und dem Mikroventil.
   HINWEIS: Schließen Sie einen Schlauch an das Mikroventil an, um Druckluft vom Controller zu empfangen, und den anderen Schlauch, um Wasser zu injizieren.
5. Beobachten Sie den Plattformbetrieb durch ein inverses Mikroskop für alle Plattformoperationen und messen Sie den Betriebsdurchfluss über die Zeit am Auslass mit einem Flüssigkeitsdurchflussmesser (siehe Materialtabelle).

4. Bedienung des Gerätes

1. Injizieren Sie das Partikel-/Flüssigkeitsgemisch unter Druck am Einlass (Qfp) mit Vp (Abbildung 9A).
   HINWEIS: Der Fluss von Partikeln und sauberer Flüssigkeit aus dem Auslass durch die miteinander verbundenen Kanäle wird über Vp bzw. Vf gesteuert (Tabelle 2).
2. Üben Sie Druck auf Vs bei 15 kPa und Vp bei 18 kPa aus, um das Ventil zu betätigen.
   HINWEIS: Zu diesem Zeitpunkt ist die Membran verformt, die Partikel der Flüssigkeit Qfp werden im Kontaktraum zwischen dem gekrümmten Flüssigkeitskanal und dem gekrümmten Flüssigkeitsausleger blockiert, und die unerwünschte Qfp-Flüssigkeit wird durch die offene Qf freigesetzt (Abbildung 9B, C).
3. Wenn die Partikel konzentriert sind, üben Sie Druck nur auf Vf aus.
   HINWEIS: Zu diesem Zeitpunkt, wenn nur Druck auf Vf ausgeübt wird, werden die verstopften Partikel durch Qp freigesetzt (Abbildung 9D).

Ergebnisse

Abbildung 8 zeigt die Durchflussrate der Fluidraten für einen vierstufigen Plattformbetrieb, wie in Tabelle 2 erwähnt. Die erste Stufe ist der Ladezustand (ein Zustand). Die Plattform wurde mit Flüssigkeit versorgt, wobei alle Ventile geöffnet waren, und das Arbeitsfluid (Qf) und die Partikel (Qp) sind fast identisch, da das mikrofluidische Kanalnetzwerk strukturelle Symmetrie aufweist. In der zweiten Stufe (b-Zustand) wurde Druckluft nach Vs transportiert, um die Partik...

Diskussion

Diese Plattform bietet eine einfache Möglichkeit, Partikel unterschiedlicher Größe zu reinigen und zu konzentrieren. Partikel werden durch pneumatische Ventilsteuerung angesammelt und freigesetzt, und es wird kein Verstopfen beobachtet, da es keine passive Struktur gibt. Mit diesem Gerät wird die Konzentration von Partikeln dreier Größen dargestellt. Der Betriebsdruck, die für die Konzentration erforderliche Zeit und die Rate können jedoch je nach Geräteabmessungen, Partikelgrößenvergrößerung und Druck bei V...

Materialien

Name	Company	Catalog Number	Comments
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