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Method Article
여기에서 우리는 최소한의 재정적 및 시간 적 투자로 맞춤형 미세 유체 장치를 설계하고 제작하는 프로토콜을 제시합니다. 목표는 생물 의학 연구 실험실 및 교육 환경에서 미세 유체 기술의 채택을 용이하게하는 것입니다.
미세 유체 장치는 나노에서 서브 밀리미터 저울에 이르기까지 채널에서 유체, 입자, 세포, 마이크로 크기의 장기 또는 유기체의 조작을 허용합니다. 생물 과학에서이 기술의 사용의 급속 한 증가 연구 그룹의 광범위 한 범위에 액세스할 수 있는 방법에 대 한 필요성을 자극 했다. PDMS 본딩과 같은 현재 의 제조 표준에는 비용이 많이 들고 시간이 많이 소요되는 리소그래피 및 본딩 기술이 필요합니다. 가능한 대안은 쉽게 저렴하고 최소한의 전문 지식이 필요하며 설계의 신속한 반복을 허용하는 장비 및 재료의 사용입니다. 이 작품에서 우리는 저렴하고 제작하기 쉽고 미세 유체 공학 기술에 대한 다른 접근 법보다 생성 시간이 훨씬 적은 PET 라미네이트 (PETL)를 설계하고 생산하기위한 프로토콜을 설명합니다. 그들은 수로 및 기타 피처가 공예 커터를 사용하여 정의되는 열 결합 필름 시트로 구성되어 있습니다. PETL은 현장별 기술적 과제를 해결하는 동시에 채택에 대한 장애물을 획기적으로 줄입니다. 이 접근 법은 연구 및 교육 설정 모두에서 미세 유체 장치의 접근성을 용이하게하여 새로운 조사 방법에 대한 신뢰할 수있는 플랫폼을 제공합니다.
미세 유체학적 은 마이크로 리터 (1 x 10-6 L)에서 피콜리터 (1 x 10-12 L)에 이르는 부피를 가진 작은 규모로 유체 제어를 가능하게합니다. 이러한 제어는 마이크로프로세서 산업에서 차용한 마이크로 제조 기술의 적용으로 인해 부분적으로 가능해졌습니다1. 채널 과 챔버의 마이크로 크기의 네트워크의 사용은 사용자가 작은 차원의 독특한 물리적 현상특성을 활용할 수 있습니다. 예를 들어 마이크로미터 눈금에서 점성력이 관성력을 지배하는 층류를 사용하여 유체를 조작할 수 있습니다. 그 결과, 확산 수송은 미세 유체학의 두드러진 특징이 되고, 정량적이고 실험적으로 연구될 수 있다. 이러한 시스템은 Fick의 법칙, 브라운 운동 이론, 열 방정식 및/또는 유체 역학 및 운송 현상 분야에서 중요한 파생되는 Navier-Stokes 방정식을 사용하여 적절하게 이해할 수 있습니다2.
생물과학의 많은 그룹이 현미경 수준에서 복잡한 시스템을 연구하기 때문에, 원래 미세 유체 장치가 생물학2,3의연구 응용 프로그램에 즉각적이고 중요한 영향을 미칠 것이라고 생각되었다. 이것은 막에 걸쳐 또는 세포 내의 작은 분자의 수송에 있는 지배적인 확산 때문이고, 세포와 미생물의 치수는 서브 밀리미터 시스템 및 장치에 대한 이상적인 일치입니다. 따라서, 세포와 분자 실험이 수행되는 방식을 향상시키기위한 상당한 잠재력이 있었다. 그러나 생물학자에 의한 미세 유체 기술의 광범위한 채택은 기대에 뒤쳐졌습니다4. 기술 이전이 부족한 간단한 이유는 엔지니어와 생물학자를 분리하는 징계 경계일 수 있습니다. 맞춤형 장치 설계 및 제작은 대부분의 생물학적 연구 그룹의 기능 밖에 남아 있어 외부 전문 지식과 시설에 의존하게 되었습니다. 잠재적인 응용 프로그램, 비용 및 설계 반복에 필요한 시간에 대한 친숙함이 부족한 것도 새로운 채택자에게 중요한 장애물입니다. 이러한 장벽은 혁신을 방해하고 생물 과학의 과제를 해결하기 위해 미세 유체학의 광범위한 적용을 방지하는 효과가 있었을 가능성이 높습니다.
한 가지 예: 1990년대 후반부터 소프트 포토리소그래피는 미세 유체 장치의 제조를 위한 선택 방법이었습니다. PDMS(폴리디메틸실록산, 실리콘계 유기 중합체)는 투명성, 변형성 및 생체 적합성5와같은 물리적 특성 때문에 널리 사용되는 재료이다. 이 기술은 이 플랫폼6에서지속적으로 개발되고 있는 랩 온 어 칩 및 오르간 온 칩 장치로 큰 성공을 거두었습니다. 그러나 이러한 기술을 연구하는 대부분의 그룹은 엔지니어링 부서에서 발견되거나 그들과 강한 유대관계를 맺고있습니다 4. 리소그래피는 일반적으로 금형 및 특수 접합 장비의 제조를위한 클린 룸이 필요합니다. 많은 그룹의 경우, 특히 반복적인 설계 수정이 필요한 경우 자본 비용과 리드 타임으로 인해 표준 PDMS 장치가 이상적이지 않습니다. 또한, 이 기술은 일반 생물학자와 전문 공학 실험실에 액세스하지 않고 학생들에게 주로 액세스 할 수 없습니다. 미세 유체 장치가 널리 채택되려면 생물학자가 일반적으로 사용하는 재료의 일부 품질을 모방해야한다고 제안되었습니다. 예를 들어, 세포 배양 및 바이오아세이에 사용되는 폴리스티렌은 저렴하고 일회용이며 대량 생산에 적합합니다. 대조적으로, PDMS 기반 미세 유체학의 산업 제조는 기계적 부드러움, 표면 처리 불안정성 및 가스 투과성5로 인해 실현되지 않았습니다. 이러한 한계와 "사내"로 구축된 맞춤형 장치를 사용하여 기술적 과제를 해결하는 것을 목표로, 우리는 xurography7,8,9프로토콜 및 열 라미네이션을 활용하는 대체 방법을 설명합니다. 이 방법은 적은 자본과 시간 투자로 채택 될 수있다.
PETL은 폴리에틸렌 테레프탈레이트(PET) 필름을 사용하여 제조되고, 열접착제 에틸렌-비닐 아세테이트(EVA)로 코팅된다. 두 재료는 소비자 제품에 널리 사용되며 생체 적합성이며 최소한의 비용으로 쉽게 사용할 수있습니다 10. PET /EVA 필름은 라미네이팅 파우치 또는 롤의 형태로 얻을 수 있습니다. 취미 또는 공예 상점에서 흔하게 발견되는 컴퓨터 제어 크래프트 커터를 사용하여, 채널은 장치의 아키텍처를 정의하기 위해 단일 필름 시트에서절단된다 11. 그런 다음 채널은 (사무실) 열 라미네이터(그림1A)를사용하여 접합되는 추가 필름(또는 유리) 층을 적용하여 밀봉된다. 채널에 쉽게 접근할 수 있도록 천형, 자체 접착성 비닐 범퍼가 추가됩니다. 제작 시간은 5분에서 15분사이로, 신속한 설계 반복이 가능합니다. PETL을 만드는 데 사용되는 모든 장비와 재료는 상업적으로 접근 가능하고 저렴합니다 ($350 USD 시작 비용, 리소그래피용 USD의 수천 달러에 비해). 따라서 PETL은 기존의 미세 유체학적 특성에 의해 야기되는 두 가지 주요 문제에 대한 새로운 솔루션을 제공합니다: 경제성 및 시간 효율성(보충 표 1, 2의PDMS/PETL 비교 참조).
연구자에게 자신의 장치를 설계하고 제작할 수 있는 기회를 제공할 뿐만 아니라, PETL은 사용하기 쉽고 직관적이기 때문에 교실에서 쉽게 채택할 수 있습니다. PETL은 고등학교 및 대학 교육 과정이 포함 될 수 있습니다8,그들은 더 나은 확산, 층류, 마이크로 믹싱, 나노 입자 합성, 그라데이션 형성 및 화학 변균과 같은 물리적, 화학적 및 생물학적 개념을 이해하는 데 사용되는 곳.
이 작업에서는 서로 다른 수준의 복잡성을 가진 모델 PETLs 칩의 제작에 대한 전반적인 워크플로우를 설명합니다. 첫 번째 장치는 작은 챔버에서 세포와 미세 장기의 이미징을 용이하게하는 데 사용됩니다. 두 번째, 더 복잡한 장치는 여러 층과 재료로 구성되어 있으며, 메카노생물학9의연구에 사용된다. 마지막으로, 우리는 교육 목적을 위해 여러 유체 역학 개념 (유체 역학 초점, 층류 흐름, 확산 수송 및 마이크로 믹싱)을 표시하는 장치를 구축했습니다. 여기에 제시된 워크플로우 및 장치 설계는 연구 및 강의실 설정 모두에서 다양한 목적에 맞게 쉽게 조정할 수 있습니다.
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1. 디자인
2. 절단
3. 정렬
4. 라미네이션
5. 입구/출구 포트
6. 테스트
그림 1: 제작. (A)사무용 라미네이터와 크래프트 커터는 제작에 필요한 장비의 두 가지 조각입니다. 둘 다 온라인 또는 공예/사무용품 매장에서 구입할 수 있습니다. 다른 필수 도구에는 가위와 핀셋이 포함됩니다. (B)채널 및 챔버 아키텍처는 드로잉 툴을 포함하는 임의의 소프트웨어 프로그램을 사용하여 디지털방식으로 구성될 수 있다(벡터 그래픽은 일부 사용자가 선호할 수 있지만, 필수는 아님). 선과 모양은 흰색 배경이 있는 검은색으로 그려집니다. 설계의 파일 또는 화면 캡처를 드래그 앤 드롭하여 크래프트 커터 소프트웨어로 가져올 수 있습니다. (C)크래프트 커터 소프트웨어는 무료로 다운로드 할 수 있으며 커터를 제어하는 데 필요합니다. 이 소프트웨어는 설계를 획득하고 크기 조정과 같은 수정을 허용합니다. 또한 그리기 도구도 제공합니다. (D)절단 매트는 절단용 필름을 운반합니다. 그것은 약간 접착제, 절단 될 재료의 고정을 허용한다. 그림은 로딩 준비가 된 4개의 다른 재료(상단), 5mil 두께의 PET/EVA 필름(가운데), 6mil 두께의 EVA/PET/EVA(왼쪽 아래) 및 PVC 필름(오른쪽 아래)을 보여줍니다. (E)커터가 열려 블레이드(검은색) 유닛과 로드매트를 표시합니다. (F)절단 후 핀셋을 사용하여 개별 레이어를 들어 올릴 수 있습니다. 채널과 챔버의 잘라낸 매트에 부착 된 상태로 유지하고 나중에 제거하고 폐기된다. (G)개별 레이어가 정렬되고 라미네이션을 위해 중첩됩니다. 양면 테이프 (화살표)의 작은 조각은 종종 정렬에 도움과 라미네이션 동안 층 이동을 방지하는 데 사용됩니다. (H, I) 장치는 라미네이터의 상단에 공급하고 슬롯을 통해 복구됩니다. 라미네이션은 강력한 씰을 제공하여 채널 경로를 열어 둡습니다. (J, K) 채널에 액세스하려면 천포 형 자체 접착성 비닐 범퍼를 추가해야합니다. 이미지 in(J)에는범퍼가 뒤에서 배치되는 정렬을 위한 "역방향" 접근 방식을 표시하여 범퍼 천공과 입구/출구를 시각적으로 정렬할 수 있습니다. 이 그림의 더 큰 버전을 보려면 여기를 클릭하십시오.
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저렴한 비용과 신속한 반복 외에도 PETL 기술을 쉽게 사용자 지정하여 특정 문제를 해결할 수 있습니다. 먼저, 유리 커버슬립, 챔버 층, 채널 층 및 입구/출구 층으로 구성된 간단한 장치를 설명합니다(그림2). 이 장치는 일정한 흐름하에서 세포와 마이크로 장기의 이미징을 용이하게하도록 설계되었습니다. 배양 배지는 영양분과 가스 교환을 장려하기 위해 낮은 유량으로 보?...
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미세 유체는 전 세계 실험실의 도구 상자에 점점 더 존재하지만, 채택의 속도는 긍정적 인 영향에 대한 잠재력을 감안할 때 실망하고있다16. 미세 유체 장치 제조의 저렴한 비용과 높은 효율성은 평균 연구 실험실에서이 기술의 채택을 가속화하는 데 필수적입니다. 여기서 설명하는 방법은 여러 필름 레이어를 사용하여 석판화 방법에 필요한 시간과 비용의 일부만으로 2차원 및 3...
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페르난도 온티베로스는 이 기술에 대한 컨설팅 서비스를 상용화하고 제공할 회사인 PETL FLUIDICS(LLC)를 출시하는 중입니다. 공동 저자는 공개 할 것이 없습니다.
이 원고의 작품은 국립 과학 재단 (NSF)에 의해 부분적으로 지원되었다 (그랜트 번호. CBET-1553826) (및 관련 ROA 보충) 및 건강의 국가 학회 (NIH) (그랜트 번호. R35GM124935) J.Z.에, 그리고 F.O에 노틀담 멜코르 방문 학부 기금. 포유류 세포와 배양 프로토콜을 제공한 제나 Sjoerdsma와 바사르 빌기세르에게 감사드리며, 파비오 사코는 보조 수치를 지원해 주실 수 있습니다.
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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 |
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