Name: rapid fabrication of custom microfluidic devices for research and educational applications
Uploaded: 2019-11-20T13:00:00
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本手稿中的作品部分得到了美国国家科学基金会（NSF）的支持。CBET-1553826）（及相关的ROA补充）和国家卫生研究院（NIH）（授权号R35GM124935） 到 J.Z.，以及圣母院梅尔乔访问教师基金到 F.O.我们要感谢詹娜·斯约德马和巴萨尔·比尔吉耶提供哺乳动物细胞和培养协议，以及法比奥·萨科提供补充数字方面的援助。

1. 设计
<ol><li>确定设备的应用程序，并列出所需的通道/腔室组件。 注：所有设备都需要输入和输出通道。用于显微镜的设备需要成像室。更复杂的设备需要位于多层的通道和腔室。</li>
	<li>首先手动绘制每个图层，考虑设备的功能如何受到图层叠加的影响。</li>
	<li>使用任何允许绘制线条和形状的软件在计算机上绘制最终设计。<ol>
<li>使用没有阴影的黑色、实线和形状分别绘制每个图层。建?...

<ol>
	<li>Xia, Y., Whitesides, G. M. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/entrez/query.fcgi?db=PubMed&cmd=Search&doptcmdl=Citation&defaultField=Title+Word&term=SOFT+LITHOGRAPHY.">SOFT LITHOGRAPHY.</a> Annual Review of Materials Science. 28 (1), 153-184 (1998).</li><li>Beebe, D. J., Mensing, G. A., Walker, G. M. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/entrez/query.fcgi?db=PubMed&cmd=Search&doptcmdl=Citation&defaultField=Title+Word&term=Physics+and+Applications+of+Microfluidics+in+Biology.">Physics and Applications of Microfluidics in Biology.</a> Annual Review of Biomedical Engineering. 4 (1), 261-286 (2002).</li><li>Whitesides, G. M., Ostuni, E., Takayama, S., Jiang, X., Ingber, D. E. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/entrez/query.fcgi?db=PubMed&cmd=Search&doptcmdl=Citation&defaultField=Title+Word&term=Soft+Lithography+in+Biology+and+Biochemistry.">Soft Lithography in Biology and Biochemistry.</a> Annual Review of Biomedical Engineering. 3 (1), 335-373 (2001).</li><li>Sackmann, E. K., Fulton, A. L., Beebe, D. J. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/entrez/query.fcgi?db=PubMed&cmd=Search&doptcmdl=Citation&defaultField=Title+Word&term=The+present+and+future+role+of+microfluidics+in+biomedical+research.">The present and future role of microfluidics in biomedical research.</a> Nature. 507 (7491), 181-189 (2014).</li><li>Berthier, E., Young, E. W. K., Beebe, D. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/entrez/query.fcgi?db=PubMed&cmd=Search&doptcmdl=Citation&defaultField=Title+Word&term=Engineers+are+from+PDMS-land,+Biologists+are+from+Polystyrenia.">Engineers are from PDMS-land, Biologists are from Polystyrenia.</a> Lab on a Chip. 12 (7), 1224 (2012).</li><li>Zhang, B., Korolj, A., Lai, B. F. L., Radisic, M. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/entrez/query.fcgi?db=PubMed&cmd=Search&doptcmdl=Citation&defaultField=Title+Word&term=Advances+in+organ-on-a-chip+engineering.">Advances in organ-on-a-chip engineering.</a> Nature Reviews Materials. 3 (8), 257-278 (2018).</li><li>Bartholomeusz, D. A., Boutte, R. W., Andrade, J. D. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/entrez/query.fcgi?db=PubMed&cmd=Search&doptcmdl=Citation&defaultField=Title+Word&term=Xurography:+rapid+prototyping+of+microstructures+using+a+cutting+plotter.">Xurography: rapid prototyping of microstructures using a cutting plotter.</a> Journal of Microelectromechanical Systems. 14 (6), 1364-1374 (2005).</li><li>Mart&#237;nez-Hern&#225;ndez, K. J., Rovira-Figueroa, N. D., Ontiveros, F. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/entrez/query.fcgi?db=PubMed&cmd=Search&doptcmdl=Citation&defaultField=Title+Word&term=.">.</a> Implementation and Assessment of Student-Made Microfluidic Devices in the General Chemistry Laboratory. , (2016).</li><li>Levis, M., et al. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/entrez/query.fcgi?db=PubMed&cmd=Search&doptcmdl=Citation&defaultField=Title+Word&term=Microfluidics+on+the+fly:+Inexpensive+rapid+fabrication+of+thermally+laminated+microfluidic+devices+for+live+imaging+and+multimodal+perturbations+of+multicellular+systems.">Microfluidics on the fly: Inexpensive rapid fabrication of thermally laminated microfluidic devices for live imaging and multimodal perturbations of multicellular systems.</a> Biomicrofluidics. 13 (2), 024111 (2019).</li><li>Subramaniam, A., Sethuraman, S. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/entrez/query.fcgi?db=PubMed&cmd=Search&doptcmdl=Citation&defaultField=Title+Word&term=Chapter+18+-+Biomedical+Applications+of+Nondegradable+Polymers.">Chapter 18 - Biomedical Applications of Nondegradable Polymers.</a> Natural and Synthetic Biomedical Polymers. , 301-308 (2014).</li><li>Yuen, P. K., Goral, V. N. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/entrez/query.fcgi?db=PubMed&cmd=Search&doptcmdl=Citation&defaultField=Title+Word&term=Low-cost+rapid+prototyping+of+flexible+microfluidic+devices+using+a+desktop+digital+craft+cutter.">Low-cost rapid prototyping of flexible microfluidic devices using a desktop digital craft cutter.</a> Lab Chip. 10 (3), 384-387 (2010).</li><li>Oya, K., et al. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/entrez/query.fcgi?db=PubMed&cmd=Search&doptcmdl=Citation&defaultField=Title+Word&term=Surface+Characteristics+of+Polyethylene+Terephthalate+(PET)+Film+Exposed+to+Active+Oxygen+Species+Generated+via+Ultraviolet+(UV)+Lights+Irradiation+in+High+and+Low+Humidity+Conditions.">Surface Characteristics of Polyethylene Terephthalate (PET) Film Exposed to Active Oxygen Species Generated via Ultraviolet (UV) Lights Irradiation in High and Low Humidity Conditions.</a> Journal of Photopolymer Science and Technology. 27 (3), 409-414 (2014).</li><li>Narciso, C. E., Contento, N. M., Storey, T. J., Hoelzle, D. J., Zartman, J. J. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/entrez/query.fcgi?db=PubMed&cmd=Search&doptcmdl=Citation&defaultField=Title+Word&term=Release+of+Applied+Mechanical+Loading+Stimulates+Intercellular+Calcium+Waves+in+Drosophila+Wing+Discs.">Release of Applied Mechanical Loading Stimulates Intercellular Calcium Waves in Drosophila Wing Discs.</a> Biophysical Journal. 113 (2), 491-501 (2017).</li><li>Suh, Y. K., Kang, S. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/entrez/query.fcgi?db=PubMed&cmd=Search&doptcmdl=Citation&defaultField=Title+Word&term=A+Review+on+Mixing+in+Microfluidics.">A Review on Mixing in Microfluidics.</a> Micromachines. 1 (3), 82-111 (2010).</li><li>Jahn, A., Vreeland, W. N., Gaitan, M., Locascio, L. E. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/entrez/query.fcgi?db=PubMed&cmd=Search&doptcmdl=Citation&defaultField=Title+Word&term=Controlled+Vesicle+Self-Assembly+in+Microfluidic+Channels+with+Hydrodynamic+Focusing.">Controlled Vesicle Self-Assembly in Microfluidic Channels with Hydrodynamic Focusing.</a> Journal of the American Chemical Society. 126 (9), 2674-2675 (2004).</li><li>Weibel, D., Whitesides, G. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/entrez/query.fcgi?db=PubMed&cmd=Search&doptcmdl=Citation&defaultField=Title+Word&term=Applications+of+microfluidics+in+chemical+biology.">Applications of microfluidics in chemical biology.</a> Current Opinion in Chemical Biology. 10 (6), 584-591 (2006).</li><li>Chen, X., Li, T., Shen, J. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/entrez/query.fcgi?db=PubMed&cmd=Search&doptcmdl=Citation&defaultField=Title+Word&term=CO2+Laser+Ablation+of+Microchannel+on+PMMA+Substrate+for+Effective+Fabrication+of+Microfluidic+Chips.">CO2 Laser Ablation of Microchannel on PMMA Substrate for Effective Fabrication of Microfluidic Chips.</a> International Polymer Processing. 31 (2), 233-238 (2016).</li><li>Chen, X., Shen, J., Zhou, M. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/entrez/query.fcgi?db=PubMed&cmd=Search&doptcmdl=Citation&defaultField=Title+Word&term=Rapid+fabrication+of+a+four-layer+PMMA-based+microfluidic+chip+using+CO2-laser+micromachining+and+thermal+bonding.">Rapid fabrication of a four-layer PMMA-based microfluidic chip using CO2-laser micromachining and thermal bonding.</a> Journal of Micromechanics and Microengineering. 26 (10), 107001 (2016).</li></ol>

虽然微流体越来越多地存在于世界各地的实验室的工具箱中，但鉴于微流体具有积极影响的潜力，采用速度令人失望。微流体器件制造成本低、效率高，对于加速在普通研究实验室中采用该技术至关重要。此处描述的方法使用多个胶片层以光刻方法所需的时间和成本的一小部分创建两维和三维设备。标准光刻启动成本高达数千美元，需要数天时间才能制作，PETL 制造启动成本不?...

微流体在小尺度上实现流体控制，体积范围从微升（1 x 10-6 L）到比奥利特（1 x 10-12 L）。这种控制之所以成为可能，部分是由于微处理器工业1所采用的微制造技术的应用。使用微型通道和腔室网络，用户可以利用小尺寸特征的明显物理现象。例如，在微米尺度上，流体可以使用层流进行操作，其中粘性力主导惯性力。因此，扩散传输成为微流体学的突出特征，可以定量和实验地进行研究。这些系统可以使用菲克定律、布朗运动理论、热方程和/或纳维尔-斯托克斯方程正确理解，它们是流体力学和运输现象2领域的重要推导。
由于生物科学中的许多团体在微观层面上研究复杂的系统，最初认为微流体装置会对生物学2、3的研究应用产生立竿见影和重大的影响。这是因为扩散在小分子在膜或细胞内传输中占主导地位，细胞和微生物的尺寸是亚毫米系统和设备的理想匹配。因此，在加强细胞和分子实验的方式方面有着巨大的潜力。然而，生物学家广泛采用微流体技术，已经落后于预期4。缺乏技术转让的一个简单原因可能是工程师和生物学家之间的学科界限。定制设备设计和制造一直超出了大多数生物研究组的能力，因此依赖于外部的专业知识和设施。不熟悉潜在的应用程序、成本和设计迭代所需的时间也是新采用者面临的重大障碍。这些障碍很可能破坏了创新，阻碍了微流体学在生物科学中应对挑战的广泛应用。
一个例子：自20世纪90年代末以来，软光刻一直是微流体器件制造的首选方法。PDMS（聚二甲基硅氧烷，一种硅基有机聚合物）是一种广泛使用的材料，因为它的物理特性，如透明度，变形性和生物相容性5。该技术取得了巨大的成功，芯片上的实验室和片上的器官器件不断在这个平台上开发。然而，大多数从事这些技术研究的团体都存在于工程部门，或与它们有着密切的联系。光刻通常需要洁净室来制造模具和专门的粘接设备。对于许多组来说，由于资本成本和提前期，标准 PDMS 设备不太理想，尤其是在需要重复修改设计时。此外，对于普通生物学家和无法进入专业工程实验室的学生来说，这项技术大多无法获得。有人建议，要广泛采用微流体装置，必须模仿生物学家常用材料的一些特性。例如，用于细胞培养和生物测定的聚苯乙烯价格低廉，一次性，适合大规模生产。相比之下，基于PDMS的微流体的工业制造由于机械柔软性、表面处理不稳定性和气体渗透性而一直未能实现。由于这些限制，并旨在解决技术挑战使用定制设备内置"内部"，我们描述了一种替代方法，利用xrxxxxxx7，8，9协议和热层压。该方法在资金和时间投入少时即可采用。
PETL 是使用聚乙烯对苯二甲酸酯 （PET） 薄膜制造的，薄膜上涂有热粘性乙烯醋酸乙烯 （EVA）。这两种材料都广泛用于消费品，具有生物相容性，并且以最低的价格为10。"PET/EVA 薄膜可以以层压袋或卷筒的形式获得。使用在业余爱好者或工艺商店中常见的计算机控制的工艺切割机，从一张薄膜片中剪出通道，以定义设备的架构11。然后，通过应用使用（办公室）热层压（图 1A） 粘合的附加薄膜（或玻璃）层来密封通道。增加了穿孔、自粘的乙烯基保险杠，以方便进入通道。制造时间从 5 分钟到 15 分钟不等，因此可以快速进行设计迭代。用于制造 PETL 的所有设备和材料都是商业上可及且经济实惠的（<350 美元起拍成本，而光刻的 USD 为数千美元）。因此，PETL为传统微流体引起的两个主要问题提供了一种新解决方案：可负担性和时间有效性（参见补充表1、2中的PDMS/PETL比较）。
除了为研究人员提供设计和制造自己设备的机会外，PETL 还可以轻松地在课堂上采用，因为它们使用简单直观。PETLs可以包括在高中和大学课程8，其中他们被用来帮助学生更好地了解物理，化学和生物的概念，如扩散，层流，微混合，纳米粒子合成，梯度形成和化学。
在本工作中，我们将说明制造具有不同复杂程度的 PETL 模型芯片的总体工作流程。第一个装置用于促进小室中细胞和微器官的成像。第二种更复杂的装置由多层和材料组成，用于研究微化学9。最后，我们构建了一个用于教育目的的装置，用于显示多个流体动力学概念（流体动力学对焦、层流、扩散传输和微混合）。此处介绍的工作流程和设备设计可轻松定制，用于研究和课堂环境中的各种用途。

<table>
	<tbody>
		<tr>
			<td>Biopsy punch (1mm)</td>
			<td>Miltex</td>
			<td>33-31AA</td>
			<td>Optional, replaces rotary tool set up</td>
		</tr>
		<tr>
			<td>Blunt needles</td>
			<td>Janel, Inc.</td>
			<td>JEN JG18-0.5X-90</td>
			<td>Remove plastic and attach to Tygon tubing</td>
		</tr>
		<tr>
			<td>Coverslips</td>
			<td>Any</td>
			<td></td>
			<td>24 x 60 mm are preferred</td>
		</tr>
		<tr>
			<td>Cutting Mat and blades</td>
			<td>Silhouette America or Nicapa</td>
			<td>www.silhouetteamerica.com/shop/blades-and-mats</td>
			<td>Re-use/Disposables</td>
		</tr>
		<tr>
			<td>Double-sided tape</td>
			<td>Scotch/3M</td>
			<td>667</td>
			<td>Small amounts, any width or brand</td>
		</tr>
		<tr>
			<td>PEEK tubing</td>
			<td>IDEX/any</td>
			<td>1581L</td>
			<td>Different configurations available. Consider using Tygon tubing intead, if not already using PEEK</td>
		</tr>
		<tr>
			<td>PET/EVA thermal laminate film</td>
			<td>Scotch/3M &#38; Transcendia</td>
			<td>TP3854-200,TP5854-100 &#38; transcendia.com/products/trans-kote-pet</td>
			<td>3 - 6 mil (mil = 1/1000 inch) laminating pouches or rolls.</td>
		</tr>
		<tr>
			<td>PVC film - Cling Wrap</td>
			<td>Glad / Any</td>
			<td></td>
			<td>Food wrapping</td>
		</tr>
		<tr>
			<td>Rotary tool-drill</td>
			<td>Dremel/Any</td>
			<td>200-121 or other</td>
			<td>1/32 and 3/64&#34; drill bits from Dremel recommended</td>
		</tr>
		<tr>
			<td>Rubber Roller</td>
			<td>Speedball</td>
			<td>4126</td>
			<td>To facilitate adhesion, any brand will work</td>
		</tr>
		<tr>
			<td>Scissors &#38; tweezers</td>
			<td>Any</td>
			<td>Fiskars-Inch-Titanium-Softgrip-Scissors |Cole-Parmer&#160;&#8211;# UX-07387-12</td>
			<td>Quality brands are recommended</td>
		</tr>
		<tr>
			<td>Silhouette CAMEO Craft cutter</td>
			<td>Silhouette America</td>
			<td>www.silhouetteamerica.com/shop/cameo/SILHOUETTE-CAMEO-3-4T</td>
			<td>Preferred craft cutter</td>
		</tr>
		<tr>
			<td>Silhouette Studio software</td>
			<td>Silhouette America</td>
			<td>www.silhouetteamerica.com/software</td>
			<td>Controls the craft cutter and provides drawing tools (free download MAC and PC)</td>
		</tr>
		<tr>
			<td>Syringe Pump</td>
			<td>Harvard Apparatus or New Era</td>
			<td>70-4504 or NE-300</td>
			<td>Pumps are ideal, pipettes or burettes can be used.</td>
		</tr>
		<tr>
			<td>Syringes</td>
			<td>Any</td>
			<td></td>
			<td>1-3mL</td>
		</tr>
		<tr>
			<td>Thermal laminator</td>
			<td>Scotch/3M</td>
			<td>TL906</td>
			<td>Standard home/office model</td>
		</tr>
		<tr>
			<td>Tygon tubing (E-3603)</td>
			<td>Cole-Parmer</td>
			<td>EW-06407-70</td>
			<td>Use with blunt needle tips</td>
		</tr>
		<tr>
			<td>Vinyl furniture bumpers</td>
			<td>DerBlue/3M/ Everbilt</td>
			<td>Clear, self-adhesive (6 x 2 mm and 8 x 3 mm)</td>
			<td>Round bumpers are recommended</td>
		</tr>
	</tbody>
</table>

rapid fabrication of custom microfluidic devices for research and educational applications

微流体设备允许在纳米到亚毫米尺度的通道中操作流体、颗粒、细胞、微型器官或生物体。在生物科学中，这种技术的使用迅速增加，这促使人们需要各种研究团体都能使用的方法。目前的制造标准（如 PDMS 粘合）需要昂贵且耗时的光刻和粘接技术。一个可行的替代方法是使用易于经济实惠、需要极少专业知识且能够快速迭代设计的设备和材料。在本工作中，我们描述了用于设计和生产 PET 层压板 （PETL） 的协议，这种微流体器件价格低廉，易于制造，并且比其他微流体技术方法的生成时间少得多。它们由热粘结膜片组成，其中通道和其他特征使用工艺切割机定义。PETL 可解决特定于现场的技术挑战，同时显著减少采用的障碍。这种方法有助于微流体设备在研究和教育环境中的可及性，为新的调查方法提供了一个可靠的平台。

除了低成本和快速迭代外，PETL 技术还可以轻松定制，以解决特定挑战。首先，我们描述了一个简单的设备，由玻璃盖玻片、造型室层、通道层和入口/出口层组成（图2）。该装置旨在方便在恒流下对细胞和微器官进行成像。培养基以低流速补充，以鼓励营养和气体交换。圆形腔室采用玻璃底部，允许使用倒置显微镜进行成像。此设备中使用玻璃至少有两个原因。第一个是光...

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Rapid Fabrication of Custom Microfluidic Devices for Research and Educational Applications

在这里，我们提出一个协议，以最小的财务和时间投资设计和制造定制微流体器件。其目的是促进在生物医学研究实验室和教育环境中采用微流体技术。

用于研究和教育应用的定制微流体器件的快速制造

Microfluidic devices allow for the manipulation of fluids, particles, cells, micro-sized organs or organisms in channels ranging from the nano to ...

这种制造微流体芯片的方法既便宜又易于实现。任何研究实验室都可以在内部生产这些微流体。设备设计可以在几分钟内进行更新。这种技术的主要优点是效率。也就是说，任何实验室都可以在内部快速轻松地制造自己的定制微流体设备。手动分层设备的每一层后，使用允许绘制线条和形状的任何软件程序，绘制计算机上的图层的最终设计。获取绘制设计的屏幕截图，并导入每个图层到工艺切割软件程序中。创建新文档，然后将图像文件放在显示的垫子上。要跟踪设计，请选择跟踪图标并完全选择导入的设计。选择跟踪预览轮廓选项，并根据需要调整阈值和缩放设置，直到黄色跟踪与设计匹配。从跟踪菜单中选择跟踪。通道将显示为红色轮廓。要调整设备大小，请选择跟踪设计，并使用软件提供的网格更改通道和腔室的宽度和长度。可以临时绘制小线来测量设备内的尺寸。设备调整后，使用绘图工具在设备的每一层上绘制相同形状和大小的正方形。接下来，在设计的入口和出口端口上画一个圆圈。然后复制并粘贴原始和圆形。并擦除底层设备的通道。在显示的垫子上排列要切割的所有图层。要切割层，请戴上手套，将一个首选厚度的 PET-EVA 薄膜放在胶粘剂切割垫上。与不透明的粘合面朝上，塑料闪亮的一面朝下。将薄膜压在垫子上，清除可能被困的所有空气。然后单击刀具上的负载垫。打开发送选项卡，然后选择切割设置。然后单击"发送"。要对齐切割材料，请将切割垫放在清洁表面旁边，并使用一对钳子或铲子，根据切割垫在设备中的自上而下位置，将微流体装置的每一层转移到干净的表面上。接下来，切割三块由 10 毫米的双面胶带，然后一个一个叠加层，从底层开始。然后向图层之间的每个角添加一小块胶带。放置所有图层后，检查设备。每个层之间应至少有一个垫 EVA 侧。并且不应暴露 EVA。要压板设备，在打开层压器后，将仪器设置为所需的厚度设置。并通过层压辊运行设备。然后恢复层压设备。要创建入口和出口口，请使用旋转工具和 1/37 英寸钻头在家具保险杠的中心切割一个小孔。然后，使用小钳子清除任何碎屑的孔。仔细将保险杠与设备上的入口出口端口对齐。要测试完全组装的设备，请使用实验室管道将设备连接到塑料连接器上。并用适当的解决方案冲洗设备。利用该装置，可以在成像过程中交换细胞培养介质，从而维持理想的生长条件，并实时控制化学刺激的引入。前维博微器官的成像也是如此。踏板装置还成功地用于完成果蝇微器官的压缩测试。由于其易于制造，踏板设备也可用于教育设置。例如，视觉流体动力学聚焦和扩散。踏板可用于课堂演示或需要精确环境控制样品的实验。如测试药物，或引入治疗，同时限制。作为踏板装置来探测果蝇中发育翼想象盘的机械特性，我们发现组织刚度在研究的发育期间会降低。

Research

JoVE Journal

Bioengineering

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简单的微流控芯片的<em在体内</em&gt;成像<em&gt; C.线虫</em&gt;<em&gt;果蝇</em&gt;和斑马鱼

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科研

生物工程

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