研究・教育応用用カスタムマイクロ流体デバイスの迅速な製造

要約

ここでは、最小限の財務および時間投資でカスタムマイクロ流体デバイスを設計および製造するためのプロトコルを紹介します。バイオメディカル研究所や教育現場でのマイクロ流体技術の採用を促進することを目的としています。

要約

マイクロ流体デバイスは、ナノスケールからサブミリスケールに至るまでのチャネルで流体、粒子、細胞、マイクロサイズの器官または生物の操作を可能にします。生物科学におけるこの技術の使用の急速な増加は、幅広い研究グループにアクセス可能な方法の必要性を促している。PDMSボンディングなどの現在の製造規格では、高価で時間のかかるリソグラフィおよびボンディング技術が必要です。実行可能な代替手段は、簡単に手頃な価格で、最小限の専門知識を必要とし、設計の迅速な反復を可能にする機器や材料の使用です。本研究では、安価で製造が容易で、マイクロ流体技術に対する他のアプローチよりも生成時間が大幅に短いマイクロ流体デバイスであるPETラミネート(PETL)を設計・製造するためのプロトコルについて述べています。それらは、チャネルおよび他の特徴がクラフトカッターを使用して定義される熱結合されたフィルムシートから成っている。Petlは現場固有の技術的課題を解決すると同時に、導入の障害を劇的に軽減します。このアプローチは、研究と教育の両方の設定でマイクロ流体デバイスのアクセシビリティを容易にし、新しい問い合わせ方法のための信頼性の高いプラットフォームを提供します。

概要

マイクロ流体は、マイクロリットル(1 x 10^-6 L)からピコリットル(1 x 10^-12 L)までの容積で、小さなスケールで流体制御を可能にします。この制御は、マイクロプロセッサ^産業1から借用された微細加工技術の応用により、部分的に可能になった。チャネルおよびチャンバーのマイクロサイズのネットワークの使用はユーザーが小さい次元の特徴の明確な物理的な現象の特徴を利用することを可能にする。たとえば、マイクロメートルスケールでは、粘性力が慣性力を支配する層流を使用して流体を操作できます。その結果、拡散輸送はマイクロ流体学の顕著な特徴となり、定量的および実験的に研究することができる。これらのシステムは、流体力学および輸送^現象2の分野における重要な導出であるフィックの法則、ブラウン運動理論、熱方程式、および/またはナビエ・ストークス方程式を使用して適切に理解することができる。

生物科学の多くのグループは微視的なレベルで複雑なシステムを研究しているので、マイクロ流体デバイスは^{生物学2、3の}研究アプリケーションに即座かつ重要な影響を与えると考えられていました。これは、膜または細胞内の小分子の輸送において拡散が支配的であり、細胞や微生物の寸法は、サブミリメートルシステムやデバイスに最適です。そのため、細胞実験や分子実験の方法を高める可能性が大きかった。しかし、生物学者によるマイクロ流体技術の広範な採用は、期待に遅れています^4.技術移転の欠如の単純な理由は、エンジニアと生物学者を分離する規律的な境界である可能性があります。カスタムデバイスの設計と製造は、ほとんどの生物学的研究グループの能力のすぐ外にとどまっており、外部の専門知識や設備に依存しています。潜在的なアプリケーション、コスト、および設計の反復に必要な時間に精通していないことも、新しい導入者にとって重要な障壁です。これらの障壁は、イノベーションを混乱させ、生物科学の課題に対処するためのマイクロ流体の広範な適用を妨げる効果を持っていた可能性が高い。

ポイントのケース:1990年代後半以来、マイクロ流体デバイスの製造のための選択の方法となっています。PDMS(ポリジメチルシロキサン、シリコーン系有機ポリマー)は、透明性、変形性、生体適合^性5などの物理的性質を有するため、広く使用されている材料である。この技術は、ラボ・オン・ア・チップとオルガン・オン・チップデバイスがこの^{プラットフォーム6}で継続的に開発され、大きな成功を収めています。しかし、これらの技術に取り組んでいるグループのほとんどは、エンジニアリング部門で見つかるか、それらに強い関係を持っています⁴.リソグラフィーは、通常、金型や特殊な接合装置の製造のためのクリーンルームを必要とします。多くのグループにとって、標準のPDMSデバイスは、特に設計を繰り返し変更する必要がある場合に、資本コストとリードタイムにより理想的ではありません。さらに、この技術は、主に平均的な生物学者や専門の工学研究室にアクセスできない学生にはアクセスできません。マイクロ流体デバイスが広く採用されるためには、生物学者が一般的に使用する材料の性質の一部を模倣しなければならないことが提案されています。例えば、細胞培養やバイオアッセイに用いられるポリスチレンは、安価で使い捨てであり、大量生産に適しています。これに対し、PDMS系マイクロ流体の工業製造は、その機械的柔らかさ、表面処理不安定性、ガス透過^性5のために実現されたことがない。これらの制限があり、カスタマイズされたデバイスを使用して技術的な課題を解決することを目標に、「社内」に構築され、xurography^7、8、9プロトコルおよび熱ラミネートを利用する代替方法について説明します。この方法は、少ない資本と時間投資で採用することができます。

PETLは、ポリエチレンテレフタレート(PET)フィルムを用いて製造され、熱接着性エチレンビニル酢酸(EVA)で被覆される。両方の材料は、消費者製品に広く使用され、生体適合性であり、最小限のコストで容易に入手可能^です。PET/EVAフィルムは、ラミネートパウチまたはロールの形態で得ることができる。愛好家や工芸品店で一般的に見られるコンピュータ制御のクラフトカッターを使用して、チャネルは、デバイスの^{アーキテクチャ11}を定義するために、単一のフィルムシートから切り取られます。チャンネルは、(オフィス)サーマルラミネータ(図1A)を使用して結合された追加のフィルム(またはガラス)層を適用することによってシールされます。チャネルへのアクセスを容易にするために、穿状の自己接着ビニールバンパーが追加されます。製造時間は5~15分で、迅速な設計反復が可能です。Petlを作るために使用されるすべての機器と材料は、商業的にアクセス可能で手頃な価格です(リソグラフィのための何千ものUSDと比較して、<350 USD開始コスト)。したがって、Petlsは、従来のマイクロ流体によってもたらされる2つの主要な問題に対する新しい解決策を提供します: 手頃な価格と時間の有効性 (補足表 1, 2の PDMS/PETL 比較を参照)。

研究者に独自のデバイスを設計し、製造する機会を提供することに加えて、Petlは使いやすく直感的なので、教室で簡単に採用できます。PETLは、拡散、層流、マイクロミキシング、ナノ粒子合成、勾配形成および化学タクシスのような物理的、化学的、生物学的概念をよりよく理解するのに役立つ高校および大学の^{カリキュラム8}に含めることができます。

この作業では、複雑さのレベルの異なるモデル Petls チップを製造するための全体的なワークフローを示します。最初の装置は小さい部屋の細胞およびマイクロ器官のイメージ投射を促進するために使用される。第2に、より複雑な装置は、いくつかの層と材料から成り、メカノバイオ^ロジー9の研究に使用される。最後に、教育目的のために、いくつかの流体力学の概念(流体力学的焦点集め、層流、拡散輸送、マイクロミミックス)を表示するデバイスを構築しました。ここで紹介するワークフローとデバイスの設計は、研究と教室の両方の設定で、さまざまな目的に合わせて簡単に調整できます。

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プロトコル

1. デザイン

1. デバイスのアプリケーションを特定し、必要なチャネル/チャンバーコンポーネントをリストします。
   メモ:すべてのデバイスは、入力チャンネルと出力チャンネルを必要とします。顕微鏡検査に使用される装置は、イメージングチャンバを必要とする。より複雑なデバイスは、複数の層に位置するチャネルとチャンバーを必要とします。
2. まず、各レイヤーを手描きにして、デバイスの機能がレイヤーの重ね合わせによってどのように影響を受けるかを考慮します。
3. 線や図形を描画できる任意のソフトウェアを使用して、コンピュータ上で最終的なデザインを描画します。
   1. 黒、実線、および色合いを欠いた形状を使用して、各レイヤーを個別に描画します。線の太さが 6 点以上を推奨します。この段階では、チャネルとチャンバーの特徴の寸法は、全体的な比率よりも重要ではありません。
   2. フィーチャを作成し、レイヤーを重ね合わせる場合は、コピーと貼り付け機能を使用します。レイヤ図面の例については、図 1Bを参照してください。
4. 各レイヤーをクラフトカッターソフトウェアにインポートします(図1C)。これを行うには、描画されたデザインを画面キャプチャし、ドラッグ アンド ドロップアプローチを使用します。
   1. クラフトカッターソフトウェア(無料ダウンロード)で新しいドキュメントを作成します。表示されたマット上にイメージ ファイルをドロップします。ソフトウェアは、ほとんどの画像ファイルを認識します。
   2. コーナーから引っ張って処理を容易にするために画像を拡大します。これで、トレース機能を使用してソフトウェアで設計を認識できるようになりました。
      注:ユーザーは、このソフトウェア上で直接deノボのデザインを作成することができます(デザインパレットの描画ツールを使用)。
5. デザインをトレースするには、ウィンドウの右側にあるトレースアイコン(蝶の形状)を選択し、読み込んだデザインを完全に選択します。
   1. [アウトライン]というラベルの付いた[トレース プレビュー]オプションを選択します。[しきい値]と[スケール]の設定を調整して、デザインに合わせて黄色のトレースを調整します。
   2. 黄色のトレースがデザインと一致したら、[トレース]メニューの [トレース]を選択します。チャンネルが赤い輪郭で表示されるようになりました。赤い輪郭がデザインと一致する場合は、読み込んだイメージを選択して削除できます。これで、デザインがインポートされ、サイズ変更の準備が整いました。
6. トレースされた設計を選択し、ソフトウェアによって提供されるグリッドを使用して、デバイスのサイズを変更します。引っ張って、チャンネルとチャンバーの幅と長さを変更します。
   注:ソフトウェアは測定値を提供し、小さな線を一時的に描画(ウィンドウの左側にあるデザインパレットを使用)して、デバイス内の寸法を測定できます。機能的なチャネル幅寸法は100μmから900μmの範囲です。アセンブリ中に適切な位置合わせを確保するには、すべてのレイヤのサイズを比例的に設定することが重要です。
   1. デザインのサイズを適切に設定したら、図形描画メニューで正方形ツールを選択して、デバイスの各レイヤーの周囲に正方形/長方形を描画します。この図形は、すべてのレイヤーで同じサイズにする必要があります。例については、図 1Cを参照してください。
7. チャネルへのアクセス ポートを含む別の最上位レイヤを作成します。シンプルなデザインは、メイン(中央)チャンネルレイヤー、ボトムシール層(多くの場合ガラス)、チャンネル(入口/出口)にアクセスするための円形の穿話を含む必要があるトップレイヤーで構成されます。
   注: 3 つ以上のレイヤーを含む設計では、複数のレイヤーの入口/出口穿話が必要になります (図 1C、図 5Aを参照)。これらの穿話は、既に設計に含まれている場合もあれば、この時点で追加することもできます。
   1. 画面の左側にある描画ツールを選択します。設計の入口ポートと出口ポートの上に円を描画します。
   2. 元のデザインと円の両方をコピーして貼り付けます。基になるデバイスからチャネルを消去します。
      注: これにより、入口/出口ポートは元の設計に対応する正しい位置に残ります。図形は、整列を支援するために、各レイヤーの周辺に追加することもできます。
8. 表示されたマット上でカットするすべてのレイヤーを配置します。これで、デバイスを切断する準備ができました。

2. 切断

1. 接着剤切断マットに、好ましい厚さ(3ミルが標準)の単一のPET/EVAフィルム(または他の材料)を塗布します。接着剤(マット)側が上を向き、プラスチック(光沢のある)側が下を向いていることを確認します。
   注:層にオイルや微粒子を導入しないように、清潔な手袋を使用してください。
2. フィルムをマットに平らにして(図1D)、閉じ込められた可能性のあるすべての空気を除去します。これは手袋の手またはローラーを使用して行うことができる。
3. カッティングマットの端をカッターに示された線に合わせます。カッターのロードマットを押してマットをロードします。フィルムの厚さに応じて、切断ブレードの設定を3~5の間に保ちます。
4. カッターのUSBケーブルをコンピュータに接続します。
   1. [送信]タブを選択し、切断設定を選択します。
      注: カスケード メニューには多数の設定があります。-ステッカーペーパー、クリア-は、3〜5ミル(75〜125μm)の厚さを有するPET/EVAフィルムに適した設定です。さまざまな材料の設定を変更し、後で使用するためにカスタム設定を保存します。
5. [送信]をクリックします。切断が始まります (図 1E)。カッターの背面に、マットが妨げられずに動くだけの十分なスペースがあることを確認します。カッターが終了したら、カッターで[アンロード]を選択してマットをアンロードします。荷を降ろす前にマットを引き出さないでください。

3. アライメント

1. 切断マットをきれいな表面の横に置きます。手袋をした手で、ピンセットを使用して、マイクロ流体デバイスの各層をカットマットから持ち上げます(図1F)。チャンネルのターンや曲がりは特に注意してください。これらは特に繊細で、引き裂いたりゆがんだりする可能性があります。
2. マイクロ流体デバイスの層をきれいな表面に置きます。デバイスの上から下の位置に従って順序付けします(図 1G、図2A、図5A、図7A)。
3. レイヤーを一時的に取り付けるために使用される両面テープの小片(〜3mm x 10mm)をカットします。
4. 一番下のレイヤーから始めて、レイヤーを 1 つずつ重ね合わせます。チャンネルや入口/出口から離れた層の間のコーナーに小さな両面テープを追加します(図1G、矢印)。テープは必須ではありませんが、層を固定化し、積層中にシフトしないことを保証します。ワイヤ治具を使用して、4 層以上のデバイスでのレイヤの位置合わせを容易にします (補足図 3)。
5. フィルムの接着剤(マットEVA)側が常にデバイスの内側(層内部分)に面していることを確認します。
   注意:露出した接着剤は、ラミネータの内部部分に対して溶融し、それらに付着し、デバイスの損失だけでなく、ラミネータの将来の性能にも影響を与えます。
6. すべてのレイヤーを重ね合わせたら、デバイスを検査します。すべての層の間に少なくとも 1 つの EVA 側が存在し、EVA を公開する必要はありません。非EVA被覆材料(例えば、ポリ塩化ビニル(PVC)フィルム、ガラス)を導入する場合、特により複雑なデバイスの場合には、両側にEVAで被覆されたフィルムが必要になる場合がある(図5)。

4. ラミネート

1. ラミネータをオンにし、目的の厚さ設定に設定します。一部のラミネーターは3と5ミルの設定を提供しますが、一部のラミネーターは提供していません。4層以上のデバイスの場合は、5mil設定を使用します。
2. ラミネータの準備ができたら、ラミネートローラーを通してデバイスを実行します(図1H-I)。最良の結果を得るには、両面テープが追加された端を配置します。
   注:5層以上のデバイスを製造する場合、ラミネータを複数回通して実行される場合があります。
3. 積層デバイスを回復します。
   メモ:ラミネータからの回復を容易にするために、デバイスが十分な大きさであることがお勧めします。この考慮事項は、チャネルやチップアーキテクチャのサイズに影響を与えず、単に内部に残ることなくラミネータを簡単に通過できる「フレーム」を必要とします。

5. 入口/出口ポート

1. ロータリーツールと1/32 in.ドリルビットを使用して、家具バンパーの中心に小さな穴を開けます。または、バンパーを穿分するために1mmの生検パンチを使用してください。
   メモ:ドリルプレスをお勧めします。サイズはさまざまですが、直径2mm×6mmのバンパーをお勧めします。単にバンパーを「刺す」のを避けてください。材料を取り外さない限り、バンパーは再びシールします(補足図1)。上記の穿話は、ポリエーテルエーテルケトン(PEEK)チューブ、ピペットとチップ、または鈍い針(16-18 G)とインタフェースすることを意味します。より大きな穿話は、回転パンチプライヤーを使用して達成することができます(補足図1)。これらは、バンパーが液体または他の生物学的な「貯蔵所」として使用される場合に有用である。
2. 小さなピンセットで破片(掘削やパンチによって引き起こされる)を取り除いて、オリフィスが完全にクリアされていることを確認します。
3. 入口/出口ポートが正常にクリアされたら、バンパーを積層デバイスの入口/出口ポートに慎重に合わせます(図1J-K)。このステップは、デバイスに液体を出入りする適切な流れを持つために不可欠です。デバイスの後ろにバンパーを保持し、デバイスの開いた入口/出口に面した接着面を配置し、位置合わせして付着させます。これで、デバイス のアセンブリが完了しました。

6. テスト

1. 穿進バンパー(ポート)を介してチャネル/チャンバーアーキテクチャにアクセスします。デバイスに流体や生物学的を導入する方法に関するいくつかのオプションがあります。
2. プラスチックコネクタ(ルアーアダプタなど)または鈍い針に取り付けることによって、実験室または医療/外科チューブを使用してください。標準的なピペットとチップまたはアダプタなしのPEEKチューブも使用できます(補足図2)。
3. 注射器や蠕動ポンプを使用して、注射器やチューブを使用して液体の注入または描画を行います。
   注:市場には、執筆時点で〜300米ドルから始まる多くのオプションがあります。
4. デバイスと実験に応じて異なる流量設定を設定します。
   メモ:流量設定は0.01~100°L/分の範囲で日常的に使用していますが、その他のレートも使用できます。

図1:製造(A) オフィスラミネーターとクラフトカッターは、製造に必要な唯一の2つの機器です。どちらもオンラインまたは工芸品/事務用品店でご利用いただけます。その他の必要なツールには、はさみやピンセットが含まれます。(B)チャネルおよびチャンバーアーキテクチャは、描画ツールを含む任意のソフトウェアプログラムを使用してデジタル的に構成することができます(ベクトルグラフィックスは、一部のユーザーが好むかもしれませんが、必須ではありません)。線と図形は、白い背景を持つ黒で描画されます。デザインのファイルまたはスクリーンキャプチャは、ドラッグアンドドロップでクラフトカッターソフトウェアにインポートできます。(C) クラフトカッターソフトウェアは無料でダウンロードでき、カッターを制御する必要があります。ソフトウェアは、設計を取得し、サイジングなどの変更を可能にします。また、描画ツールも提供します。(D) 切断マットは、切断用のフィルムを運びます。わずかに接着剤で、切断する材料の固定化を可能にします。この図は、3ミル厚のPET/EVAフィルム(上)、5ミル厚のPET/EVAフィルム(中央)、6ミル厚のEVA/PET/EVA(左下)、PVCフィルム(右下)の4種類の材料をロード可能です。(E) カッターは、ブレード(黒)ユニットと装填マットを表示するために開いています。(F) 切断後、ピンセットを使用して個々の層を持ち上げます。チャンネルとチャンバーの切り抜きはマットに取り付けられたままで、後で取り外して廃棄されます。(G) 個々の層が整列され、積層のために重ね合わされます。両面テープ(矢印)の小片は、ラミネート中の層シフトを防ぐために、整列を助けるためによく使用されます。(H, I)装置はラミネーターの上部に供給され、スロットを通して回復される。ラミネートは、チャネルパスを開いたまま、堅牢なシールを提供します。(J, K)チャネルにアクセスするためには、穿足した自己接着ビニールバンパーを追加する必要があります。(J)の画像は、バンパーが背面から配置されるアライメントの「逆」アプローチを表示し、入口/出口をバンパー穿話で視覚的にアライメントできるようにします。この図の大きなバージョンを表示するには、ここをクリックしてください。

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結果

低コストで迅速なイテレーションに加えて、PETLテクノロジーを簡単にカスタマイズして特定の課題を解決できます。まず、ガラスカバースリップ、チャンバー層、チャネル層、および入口/出口層からなる単純なデバイスについて説明します(図2)。この装置は一定の流れの下で細胞およびマイクロ器官のイメージ投射を促進するように設計されていた。培養培地は、栄?...

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ディスカッション

マイクロ流体は、世界中の実験室のツールボックスにますます存在しているが、その肯定的な影響の可能性を考えると、採用のペースは失望^{している16.}マイクロ流体デバイス製造の低コストと高効率は、平均的な研究所でこの技術の採用を加速するために不可欠です。ここで説明する方法では、複数のフィルム層を使用して、リソグラフィ法に必要な時間とコストのほんの?...

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資料

Name	Company	Catalog Number	Comments
Biopsy punch (1mm)	Miltex	33-31AA	Optional, replaces rotary tool set up
Blunt needles	Janel, Inc.	JEN JG18-0.5X-90	Remove plastic and attach to Tygon tubing
Coverslips	Any		24 x 60 mm are preferred
Cutting Mat and blades	Silhouette America or Nicapa	www.silhouetteamerica.com/shop/blades-and-mats	Re-use/Disposables
Double-sided tape	Scotch/3M	667	Small amounts, any width or brand
PEEK tubing	IDEX/any	1581L	Different configurations available. Consider using Tygon tubing intead, if not already using PEEK
PET/EVA thermal laminate film	Scotch/3M & Transcendia	TP3854-200,TP5854-100 & transcendia.com/products/trans-kote-pet	3 - 6 mil (mil = 1/1000 inch) laminating pouches or rolls.
PVC film - Cling Wrap	Glad / Any		Food wrapping
Rotary tool-drill	Dremel/Any	200-121 or other	1/32 and 3/64" drill bits from Dremel recommended
Rubber Roller	Speedball	4126	To facilitate adhesion, any brand will work
Scissors & tweezers	Any	Fiskars-Inch-Titanium-Softgrip-Scissors |Cole-Parmer –# UX-07387-12	Quality brands are recommended
Silhouette CAMEO Craft cutter	Silhouette America	www.silhouetteamerica.com/shop/cameo/SILHOUETTE-CAMEO-3-4T	Preferred craft cutter
Silhouette Studio software	Silhouette America	www.silhouetteamerica.com/software	Controls the craft cutter and provides drawing tools (free download MAC and PC)
Syringe Pump	Harvard Apparatus or New Era	70-4504 or NE-300	Pumps are ideal, pipettes or burettes can be used.
Syringes	Any		1-3mL
Thermal laminator	Scotch/3M	TL906	Standard home/office model
Tygon tubing (E-3603)	Cole-Parmer	EW-06407-70	Use with blunt needle tips
Vinyl furniture bumpers	DerBlue/3M/ Everbilt	Clear, self-adhesive (6 x 2 mm and 8 x 3 mm)	Round bumpers are recommended