미세입자 농도를 위한 공압 구동 미세유체 플랫폼

요약

본 프로토콜은 효율적인 미세입자 농축을 위해 사용될 수 있는 공압 미세유체 플랫폼을 기술한다.

초록

본 기사는 미세유체 플랫폼을 사용하여 입자 농도를 제어하기 위해 공압 밸브를 제조 및 조작하는 방법을 소개한다. 이 플랫폼에는 곡선 유체 채널과 3개의 공압 밸브가 있는 3차원(3D) 네트워크가 있으며, 이 네트워크는 폴리디메틸실록산(PDMS)과의 이중 복제를 통해 네트워크, 채널 및 공간을 생성합니다. 이 장치는 공압 밸브에 의해 제어되는 유체 유량의 과도 반응을 기반으로 (1) 샘플 로딩, (2) 샘플 차단, (3) 샘플 농도 및 (4) 샘플 방출의 순서로 작동합니다. 입자는 체 밸브 (Vs) 플레이트의 얇은 다이어프램 층 변형에 의해 차단되고 곡선 미세 유체 채널에 축적됩니다. 작동 유체는 두 개의 온/오프 밸브의 작동에 의해 배출됩니다. 조작의 결과로, 다양한 배율의 모든 입자가 성공적으로 차단되고 분리되었습니다. 이 기술이 적용될 때, 작동 압력, 농도에 필요한 시간, 및 농도 속도는 장치 치수 및 입자 크기 배율에 따라 달라질 수 있다.

서문

생물학적 분석의 중요성으로 인해, 미세유체 및 생물의학 미세전자기계 시스템(BioMEMS) 기술^1,2는 미세^{물질 2,3,4}의 정제 및 수집을 위한 장치를 개발 및 연구하는 데 사용된다. 파티클 포획은 활성 또는 수동으로 분류됩니다. 활성 트랩은 외부 유전체⁵, 자기 영동⁶, 청각⁷, 시각⁸ 또는 열⁹ 힘에 사용되어 독립 입자에 작용하여 움직임을 정확하게 제어 할 수 있습니다. 그러나 입자와 외부 힘 사이의 상호 작용이 필요합니다. 따라서 처리량이 낮습니다. 미세유체 시스템에서, 유량을 제어하는 것은 외부 힘이 표적 입자로 전달되기 때문에 매우 중요하다.

일반적으로, 수동 미세유체 장치는 마이크로채널(^10,11) 내에 마이크로필러를 ^갖는다. 입자는 흐르는 유체와의 상호 작용을 통해 여과되며, 이러한 장치는 설계가 쉽고 제조가 저렴합니다. 그러나, 이들은 마이크로 필러에서 입자 막힘을 일으키므로, 입자 막힘⁽¹²)을 방지하기 위해 더 복잡한 장치가 개발되었다. 복잡한 구조를 갖는 미세유체 장치는 일반적으로 제한된 수의 입자^{13,14,15,16,17,18}을 관리하기에 적합하다.

이 글은 위에서 언급한 바와 같이 단점(¹⁸)을 극복하는 큰 입자 농도를 위해 공압식으로 구동되는 미세유체 플랫폼을 제조 및 조작하는 방법을 설명한다. 이 플랫폼은 곡선형 미세유체 채널에 축적되는 체 밸브(Vs) 플레이트의 얇은 다이어프램 층의 변형 및 작동에 의해 입자를 차단하고 농축시킬 수 있습니다. 입자는 곡선형 미세유체 채널에 축적되고, 농축된 입자는 두 개의 PDMS 씰 온/오프 밸브(¹⁸)의 작동을 통해 작동 유체를 배출함으로써 분리될 수 있다. 이 방법은 제한된 수의 입자를 처리하거나 많은 수의 작은 입자를 농축시키는 것을 가능하게 한다. 유량 및 압축 공기 압력의 크기와 같은 작동 조건은 원치 않는 셀 손상을 방지하고 셀 포집 효율을 높일 수 있습니다.

프로토콜

1. 입자 농도를위한 미세 유체 플랫폼 설계

1. 3D 흐름 네트워크에서 유체 흐름을 위한 공압 밸브 1개와 체(Vs), 유체(Vf) 및 입자(Vp) 밸브 작동을 위한 3개의 공압 밸브로 구성된 공압 미세유체 플랫폼을 설계합니다(그림 1).
   참고: Vs는 액체로부터 입자를 농축시키는 것을 차단하고, Vf 및 Vp는 농축 후 유체 및 입자 방출을 허용한다. 세 개의 공압 포트는 유체/공압 공급 층(일반적으로 개방됨)과 밸브를 작동시키기 위한 공압 밸브 광 배출구에서 압축 공기를 제공합니다. 마이크로유체 채널 네트워크는 CAD 프로그램^18,19로 설계되었습니다.
2. 채널을 공압 공급 계층과 3D 채널 네트워크 계층으로 설계합니다(그림 2).
   참고: 유체 네트워크는 전방 부분의 곡선 채널 및 후부 영역의 직사각형 챔버와 상호 연결됩니다. Vs 유입을 차단하고, 입자는 곡선형 유체 채널의 수집 영역에 축적된다. 입자가 없는 유체(입자가 없는 액체)는 Qf 출구를 통해 배출되고 농축된 입자는 Qp 배출구를 통해 배출됩니다(그림 3).
3. 위의 조건에 따라 네 가지 유형의 SU-8 금형을 준비하십시오.
   참고: 4개의 몰드에는 공압을 통해 밸브를 제어할 수 있는 몰드, 유체 채널을 생성하는 두 개의 몰드 및 모양이 없는 깨끗한 몰드가 포함되어 있습니다(그림 4 및 표 1). 언급 된 네 가지 유형의 금형은 표준 포토 리소그래피 공정을 사용하여 제조됩니다. 이 금형 제작은 이전에 발표 된 보고서^18,19에 따라 실리콘 웨이퍼의 SU-8 금형으로 구성됩니다. 도 5는 장치 칩을 도시한다.

2. 입자 농도를 위한 미세유체 플랫폼의 제조

참고: 도 6은 입자를 농축하는 미세유체 플랫폼의 제조를 보여준다.

1. 밸브를 공압으로 제어하기 위해 준비된 공압 밸브 채널 SU-8 몰드(단계 1.3)를 사용하여 PDMS 층을 복제한다.
   1. 10 mL의 액체 PDMS 및 1 mL의 경화제( 재료 표 참조)를 준비된 공압 밸브 채널 몰드(단계 1.3)에 붓고 90°C에서 30분 동안 열 활성화시킨다.
   2. PDMS 구조체가 경화된 후, 단계 2.1.1의 SU-8 주형을 분리한다.
   3. 세 개의 1.5 mm 공압 포트(Vs, Vf 및 Vp)를 1.5 mm 천공을 사용하여 단계 2.1.2에 따라 제조된 공압 밸브 채널 내로 펀치한다( 재료 표 참조).
   4. 액체 PDMS 10 mL와 경화제 1 mL를 단계 1.3에서 제조된 깨끗한 SU-8 몰드에 붓고 스핀 코터를 이용하여 1,500 rpm에서 15 초 동안 스핀 코트한다( 재료 표 참조). 그런 다음 90°C에서 30분 동안 열활성화시킨다.
   5. PDMS 구조체가 경화된 후, 단계 2.1.4의 SU-8 주형을 분리한다.
      참고: 밸브 다이어프램 층은 공압에 따라 유체 흐름을 제어합니다.
   6. 대기 플라즈마( 표 문헌 참조)를 20초 동안 단계 2.1.3 및 2.1.5에서 제조된 PDMS 구조로 처리한다.
   7. 현미경으로 확인하여 채널 구조에 따라 단계 2.1.6에서 플라즈마 처리된 PDMS 구조를 직접 정렬한다.
   8. 단계 2.1.7에서 제조된 정렬된 PDMS 구조체를 90°C에서 30분 동안 가열하여 결합시킨다.
   9. 얇은 다이어프램 층이 결합된 공압 채널 부분 내의 유체 채널 입구(Qfp) 및 유체 채널 출구(Qf 및 Qp)에 직경 1.5 mm 구멍을 펀치하고, 1.5 mm 천공을 사용하여 펀치한다.
2. 미세유체 채널을 만들기 위해 두 개의 SU-8 몰드를 사용하여 PDMS 층의 양면을 복제하십시오. 전면에는 곡선 및 직사각형의 미세 유체 채널 몰드를 사용하고 후면에는 미세 유체 상호 연결 채널 몰드를 사용하십시오.
   1. 액체 PDMS 10 mL와 경화제 1 mL를 곡선형 및 직사각형 미세유체 채널 몰드에 붓고 1,200 rpm에서 15초 동안 스핀 코트를 붓는다. 그 다음 90°C에서 30분 동안 열 활성화하여 곡선형 유체 챔버 및 유체 채널을 위한 몰드를 생성한다(도 6A).
   2. 미세유체 채널이 형성되는 PDMS 층을 분리한 다음, 대기 플라즈마를 20초 동안 처리하여 유리 웨이퍼에 접합하여 밀봉된 통기벽을 덮는 열 활성화 몰드를 만든다(도 6B).
   3. 3mL의 액체 PDMS를 SU-8 몰드의 상호 연결 채널에 붓습니다(그림 6C).
   4. 단계 2.2.2에서 제작된 구조를 미세유체 상호접속 채널 몰드 상의 액체 PDMS와 함께 배열하고, 중첩된 구조물을 130°C에서 30분 동안 건조시킨다(도 6D).
      참고: 후방 구조를 경화시키면서 단계 2.2.2에서 제작된 PDMS 몰드는 공기층의 열압에 의해 팽창되고, 변형된 PDMS 층은 열적으로 활성화된다(그림 6E)¹⁶.
   5. 경화 후, 미세유체 채널 네트워크층으로부터 전면 SU-8 몰드를 제거하고 후면 PDMS 몰드를 조심스럽게 벗겨냅니다(그림 6F).
      참고: 3D 유체 네트워크 층은 전방 곡선 유체 챔버 및 미세유체 채널을 생성할 수 있습니다.
   6. 액체 PDMS 10mL와 경화제 1mL를 깨끗한 SU-8 몰드에 붓습니다. 그런 다음 90°C에서 30분 동안 열활성화시킨다.
   7. PDMS 구조체가 경화된 후, SU-8 주형을 분리한다.
      참고: 이 단계에서는 추가 밀봉 레이어를 만듭니다.
   8. 대기 혈장을 20초 동안 단계 2.2.3 및 2.2.7에서 제조된 PDMS 구조로 처리한다.
   9. 현미경으로 확인하여 채널 구조에 따라 플라즈마 처리된 PDMS 구조를 직접 정렬한다.
   10. 정렬된 PDMS 구조체를 90°C에서 30분 동안 가열하여 결합시킨다.
3. 단계 2.1 및 2.2에서 제조된 PDMS 구조체를 채널 구조에 따라 정렬하고 20초 동안 대기 플라즈마를 처리하여 결합시킨다.

3. 장치 설정

참고: 도 7은 입자를 농축하는 미세유체 플랫폼을 제작하는 것을 보여준다.

1. 10 mL 주사기를 사용하여 미세유체 채널을 기포가 없는 탈염수로 수동으로 채운다.
2. 마이크로비드 유동을 제어하는 P_Qfp 및 세 개의 공압 밸브(P_Vs, P_Vf 및 P_Vp)를 제어하기 위해, 작동 유체(Qfp)에 대한 네 개 이상의 출력 채널( 자료표 참조)이 있는 정밀 압력 제어기를 미세유체 플랫폼 내로 삽입한다.
   주: 네 개의 출력 채널이 있는 정밀 압력 컨트롤러는 여러 정밀 압력 컨트롤러로 교체할 수 있습니다. 이 실험에서, P_Qfp의 작동 압력은 10 kPa, P_Vs는 15 kPa, 및 P_Vf 및 P_Vp 모두 18 kPa였다(도 8 및 표 2). 도 8 은 입자가 15 kPa의 P_Vs을 갖는 미세유체 플랫폼에 의해 농축됨에 따라 시간에 따른 작동 유체 유량을 나타내고, 표 2 는 공압 밸브에 따른 작동 유체 유량을 나타낸다.
3. 증류수에서 다양한 크기의 카르복실 폴리스티렌 시험 입자 를 준비하십시오 (재료 표 참조).
   참고: 본 실험에 사용된 입자 크기는 24.9, 8.49 및 4.16 μm; 다양한 크기의 입자는 P_Vs의 압력에 따라 사용할 수 있습니다.
4. 작동 유체의 유량을 제어하려면 물(작동 유체)로 가득 찬 유리 병 절반을 채우고 유리 병 캡을 컨트롤러 출력 채널 및 마이크로 밸브에 연결합니다.
   주: 한 튜브를 마이크로 밸브에 연결하여 컨트롤러로부터 압축 공기를 받고 다른 튜브는 물을 주입합니다.
5. 모든 플랫폼 작동에 대해 거꾸로 된 현미경을 통해 플랫폼 작동을 관찰하고 액체 유량계로 출구에서 시간에 따른 작동 유량 을 측정합니다 (재료 표 참조).

4. 장치의 작동

1. 입자/유체 혼합물을 입구(Qfp)의 압력 하에서 Vp로 주입합니다(그림 9A).
   참고: 상호 연결된 채널을 통한 출구에서 입자와 깨끗한 유체의 흐름은 각각 Vp 및 Vf를 통해 제어됩니다(표 2).
2. 밸브를 작동시키기 위해 15kPa에서 Vs, 18kPa에서 Vp에 압력을 가하십시오.
   참고: 이 때 다이어프램이 변형되고, 곡선 유체 채널과 곡선 유체 캔틸레버 사이의 접촉 공간에서 유체 Qfp의 입자가 차단되고, 원치 않는 Qfp 유체가 개방 Qf를 통해 방출됩니다(그림 9B,C).
3. 입자가 농축되면 Vf에만 압력을 가하십시오.
   참고: 이때 Vf에만 압력이 가해지면 막힌 입자가 Qp를 통해 방출됩니다(그림 9D).

결과

도 8은 표 2에 언급된 바와 같이 4단계 플랫폼 작동을 위한 유체 속도의 유량을 나타낸다. 첫 번째 단계는 로딩 상태(상태)입니다. 플랫폼에는 모든 밸브가 개방된 유체가 공급되었고, 작동 유체(Qf) 및 입자(Qp)는 미세유체 채널 네트워크와 거의 동일하여 구조적 대칭을 나타낸다. 두 번째 단계 (b 상태)에서는 압축 공기를 Vs로 이송하여 입자를 차단하고 Vs 다이어프...

토론

이 플랫폼은 다양한 크기의 입자를 정화하고 농축하는 간단한 방법을 제공합니다. 입자는 공압 밸브 제어를 통해 축적되고 방출되며 수동 구조가 없기 때문에 막힘도 관찰되지 않습니다. 이 장치를 사용하여 세 가지 크기의 입자 농도가 표시됩니다. 그러나, 작동 압력, 농축에 필요한 시간, 및 속도는 Vs^18,20,21에서의 장치 치수, 입자 크기 배율^, ?...

자료

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