Name: assembly and characterization of an external driver for the generation of sub-kilohertz oscillatory flow in microchannels
Uploaded: 2022-01-28T13:00:00
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Vorremmo riconoscere il supporto fornito e le strutture fornite dal Dipartimento di Scienze Meccaniche e Ingegneria Rapid Prototyping Lab presso l'Università dell'Illinois per consentire questo lavoro.

1. Progettazione e fabbricazione rapida di stampi prototipali
<ol><li>Aprire AutoCAD su un PC. Selezionare File sulla barra delle applicazioni, quindi selezionare Apri e individuare e fare clic su un file di modello tridimensionale (3D) dello stampo del canale con estensione .dxf o .dwg.</li>
	<li>Selezionate l'intero modello facendo clic su di esso e trascinando una casella attorno ad esso. Esportare il progetto come file con estensione stl selezionando File | <strong...

<ol>
	<li>Collins, J., Lee, A. P. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/entrez/query.fcgi?db=PubMed&cmd=Search&doptcmdl=Citation&defaultField=Title+Word&term=Control+of+serial+microfluidic+droplet+size+gradient+by+step-wise+ramping+of+flow+rates.">Control of serial microfluidic droplet size gradient by step-wise ramping of flow rates.</a> Microfluidics and Nanofluidics. 3, 19-25 (2007).</li><li>Lee, C. Y., Chang, C. L., Wang, Y. N., Fu, L. M. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/entrez/query.fcgi?db=PubMed&cmd=Search&doptcmdl=Citation&defaultField=Title+Word&term=Microfluidic+Mixing:+A+Review.">Microfluidic Mixing: A Review.</a> International Journal of Molecular Sciences. 12 (5), 3263-3287 (2011).</li><li>Bayareh, M., Ashani, M. 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D., 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=Slow+growth+of+the+Rayleigh-Plateau+instability+in+aqueous+two+phase+systems.">Slow growth of the Rayleigh-Plateau instability in aqueous two phase systems.</a> Biomicrofluidics. 6, 022007 (2012).</li><li>V&#225;zquez-Vergara, P., Torres Rojas, A. M., Guevara-Pantoja, P. E., Poir&#233;, E. C., Caballero-Robledo, G. A. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/entrez/query.fcgi?db=PubMed&cmd=Search&doptcmdl=Citation&defaultField=Title+Word&term=Microfluidic+flow+spectrometer.">Microfluidic flow spectrometer.</a> Journal of Micromechanics and Microengineering. 27, 077001 (2017).</li><li>Sauret, A., Shum, H. 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Abbiamo dimostrato l'assemblaggio (vedi protocolli critici 3 e 4) e il funzionamento (vedi protocolli critici passaggi 5 e 6) di un apparato esterno basato su altoparlanti per la generazione di flusso oscillatorio con frequenze comprese tra 10 e 1000 Hz in dispositivi microfluidici. Il tracciamento delle particelle traccianti sospese è necessario per determinare la fedeltà del moto armonico e per calibrare l'intervallo di ampiezze di oscillazione ottenibili nell'intervallo delle frequenze operative. La curva ampiezza-f...

Il controllo preciso della portata del liquido nei microcanali è fondamentale per le applicazioni lab-on-a-chip come la produzione di goccioline e l'incapsulamento1, la miscelazione 2,3 e lo smistamento e la manipolazione delle particelle sospese 4,5,6,7. Il metodo prevalentemente utilizzato per il controllo del flusso è una pompa a siringa che produce flussi costanti altamente controllati che erogano un volume fisso di liquido o una portata volumetrica fissa, spesso limitata a un flusso interamente unidirezionale. Le strategie alternative per la produzione di flusso unidirezionale includono l'uso della testa gravitazionale8, delle forze capillari9 o del flusso elettro-osmotico10. Le pompe a siringa programmabili consentono un controllo bidirezionale dipendente dal tempo delle portate e dei volumi erogati, ma sono limitate a tempi di risposta superiori a 1 s a causa dell'inerzia meccanica della pompa a siringa.
Il controllo del flusso a scale temporali più brevi sblocca una pletoradi 6,11,12,13,14,15 di possibilità altrimenti inaccessibili a causa di cambiamenti qualitativi nella fisica del flusso. Il mezzo più pratico per sfruttare questa variegata fisica del flusso è attraverso onde acustiche o flussi oscillatori con periodi di tempo che vanno da 10-1- 10-9 s o 101 -109 Hz. L'estremità superiore di questa gamma di frequenze è accessibile utilizzando dispositivi a onda acustica di massa (BAW; 100 kHz-10 MHz) e onde acustiche di superficie (SAW; 10 MHz-1 GHz). In un tipico dispositivo BAW, l'intero substrato e la colonna di fluido vengono vibrati applicando un segnale di tensione attraverso un piezoelettrico legato. Ciò consente rendimenti relativamente elevati, ma si traduce anche in riscaldamento ad ampiezze più elevate. Nei dispositivi SAW, tuttavia, l'interfaccia solido-liquido viene oscillata applicando tensione a una coppia di elettrodi interdigitati modellati su un substrato piezoelettrico. A causa delle lunghezze d'onda molto corte (1 μm-100 μm) particelle piccole come 300 nm possono essere manipolate con precisione dall'onda di pressione generata nei dispositivi SAW. Nonostante la capacità di manipolare piccole particelle, i metodi SAW sono limitati alla manipolazione delle particelle locali poiché l'onda si attenua rapidamente con la distanza dalla sorgente.
Nella gamma di frequenza 1-100 kHz, i flussi oscillatori sono solitamente generati utilizzando piezo-elementi che sono legati a un microcanale di polidimetilsilossano (PDMS) sopra una cavità progettata16,17. La membrana PDMS sopra la cavità modellata si comporta come una membrana vibrante o un tamburo che pressurizza il fluido all'interno del canale. A questa gamma di frequenze, la lunghezza d'onda è maggiore della dimensione del canale, ma le ampiezze della velocità di oscillazione sono piccole. Il fenomeno più utile in questo regime di frequenza è la generazione di flussi di flusso acustico/viscoso, che sono flussi costanti rettificati causati dalla non linearità inerente al flusso di liquidi con inerzia18. I flussi di flusso costante si manifestano tipicamente come vortici controrotanti ad alta velocità in prossimità di ostacoli, spigoli vivi o microbolle. Questi vortici sono utili per miscelare19,20 e separare particelle di dimensioni 10 μm dal flussodi flusso 21.
Per le frequenze nell'intervallo 10-1000 Hz, sia la velocità della componente oscillatoria che il suo flusso viscoso costante associato sono considerevoli in grandezza e utili. Forti flussi oscillatori in questa gamma di frequenze possono essere utilizzati per la messa a fuoco inerziale22, facilitano la generazione di goccioline23 e possono generare condizioni di flusso (numeri di Womersley) che imitano il flusso sanguigno per studi in vitro . D'altra parte, i flussi di streaming sono utili per la miscelazione, l'intrappolamento delle particelle e la manipolazione. Il flusso oscillatorio in questa gamma di frequenze può anche essere realizzato utilizzando un elemento piezoelettrico legato al dispositivo come descritto sopra23. Un ostacolo significativo all'implementazione di flussi oscillatori attraverso un elemento piezoelettrico legato è che richiede che le caratteristiche siano progettate in anticipo. Inoltre, gli elementi degli altoparlanti incollati non sono staccabili e un nuovo elemento deve essere incollato a ciascun dispositivo24. Tuttavia, tali dispositivi presentano il vantaggio di essere compatti. Un metodo alternativo consiste nell'utilizzare una valvola a relè elettromeccanica20. Queste valvole richiedono sorgenti di pressione pneumatiche e software di controllo personalizzato per il funzionamento e quindi aumentano la barriera tecnica al collaudo e all'implementazione. Tuttavia, tali dispositivi consentono l'applicazione dell'ampiezza e della frequenza di pressione impostate.
In questo articolo, viene descritta la costruzione, il funzionamento e la caratterizzazione di un metodo user-friendly per generare flussi oscillatori nella gamma di frequenze di 10-1000 Hz nei microcanali. Il metodo offre numerosi vantaggi come l'assemblaggio economico, la facilità d'uso e la predisposizione per l'interfaccia con canali e accessori microfluidici standard come pompe a siringa e tubi. Inoltre, rispetto ai precedenti approcci simili25, il metodo offre all'utente un controllo selettivo e indipendente delle frequenze e delle ampiezze di oscillazione, compresa la modulazione tra forme d'onda sinusoidali e non sinusoidali. Queste caratteristiche consentono agli utenti di implementare facilmente flussi oscillatori e, quindi, facilitano l'adozione diffusa in una vasta gamma di tecnologie e applicazioni microfluidiche attualmente esistenti nei campi della biologia e della chimica.

<table border="1" fo:keep-together.within-page="1" fo:keep-with-next.within-page="always">
	<tbody>
		<tr>
			<td>Oscillatory Driver Assembly</td>
			<td></td>
			<td></td>
			<td></td>
		</tr>
		<tr>
			<td>Alligator-to-pin wire</td>
			<td>Adafruit</td>
			<td>3255</td>
			<td>Small alligator clip to male jumper wire (12)</td>
		</tr>
		<tr>
			<td>Aux cable</td>
			<td>Adafruit</td>
			<td>2698</td>
			<td>3.5 mm Male/Male stereo cable 1 m</td>
		</tr>
		<tr>
			<td>Controller chip</td>
			<td>Damgoo</td>
			<td>TPA3116</td>
			<td>50w+50w 2 channel audio amplifier (bluetooth and AUX)</td>
		</tr>
		<tr>
			<td>DC adapter</td>
			<td>Adafruit</td>
			<td>798</td>
			<td>12 V DC 1A regulated switching power adapter</td>
		</tr>
		<tr>
			<td>Micro-pipette tip</td>
			<td>VWR Signature</td>
			<td>37001-532</td>
			<td>200 ul micropipette tip</td>
		</tr>
		<tr>
			<td>Silicone sealant</td>
			<td>Loctite</td>
			<td>908570</td>
			<td>Clear silicone waterproof sealant (80 ml)</td>
		</tr>
		<tr>
			<td>Speaker</td>
			<td>Drok</td>
			<td>6843996</td>
			<td>4.5 inch 4 Ohm 40 W speaker</td>
		</tr>
		<tr>
			<td>Speaker mount</td>
			<td></td>
			<td></td>
			<td>3D printed from &#39;speakermount.stl&#39; in supplementary files</td>
		</tr>
		<tr>
			<td>Speaker-to-tube adapter</td>
			<td></td>
			<td></td>
			<td>3D printed from &#39;speaketubeadapter.stl&#39; in supplementary files</td>
		</tr>
		<tr>
			<td>Microchannel Manufacture</td>
			<td></td>
			<td></td>
			<td></td>
		</tr>
		<tr>
			<td>Biopsy punch</td>
			<td>Miltex</td>
			<td>15110</td>
			<td>Biopsy punch with plunger (1 - 4 mm)</td>
		</tr>
		<tr>
			<td>Degasser</td>
			<td></td>
			<td></td>
			<td></td>
		</tr>
		<tr>
			<td>Disposable cup</td>
			<td></td>
			<td></td>
			<td></td>
		</tr>
		<tr>
			<td>Disposable spoon</td>
			<td></td>
			<td></td>
			<td></td>
		</tr>
		<tr>
			<td>Glass Slides</td>
			<td>VWR Signature</td>
			<td>16004-430</td>
			<td>3&#34; x 1&#34; pre clean 1 mm thick</td>
		</tr>
		<tr>
			<td>Mold</td>
			<td></td>
			<td></td>
			<td>Si - SU-8 or 3D printed</td>
		</tr>
		<tr>
			<td>Oven</td>
			<td>Fischer Scientific</td>
			<td></td>
			<td>Isotemp</td>
		</tr>
		<tr>
			<td>PDMS resin and cross-linker</td>
			<td>Dow Chemical</td>
			<td>4019862</td>
			<td>Sylgard 184 PDMS resin and crosslinker (500 g)</td>
		</tr>
		<tr>
			<td>Polyethylene tubing</td>
			<td>Becton Dickinson Intramedic</td>
			<td>427440</td>
			<td>Polyethylene tubing (PE 60 - PE 200)</td>
		</tr>
		<tr>
			<td>Razor blades</td>
			<td>VWR</td>
			<td>55411-050</td>
			<td>Single edge industrial razor blades</td>
		</tr>
		<tr>
			<td>RF plasma generator</td>
			<td>Electro-Technic Products</td>
			<td>BD - 20</td>
			<td>High frequency generator</td>
		</tr>
		<tr>
			<td>Silicone Mold Release</td>
			<td>CRC</td>
			<td>03301</td>
			<td>Food Grade Silicon Mold release (16 oz)</td>
		</tr>
		<tr>
			<td>Observation and Characterization</td>
			<td></td>
			<td></td>
			<td></td>
		</tr>
		<tr>
			<td>Camera</td>
			<td>Edgertronic</td>
			<td></td>
			<td>SC2+</td>
		</tr>
		<tr>
			<td>Lens</td>
			<td>Nikon</td>
			<td></td>
			<td>Plan Fluor 10x</td>
		</tr>
		<tr>
			<td>Microscope</td>
			<td>Nikon</td>
			<td></td>
			<td>Ti Eclipse manual stage</td>
		</tr>
		<tr>
			<td>Needles</td>
			<td>Becton Dickinson</td>
			<td>305175</td>
			<td>&#160;PrecisionGlide 20G</td>
		</tr>
		<tr>
			<td>Syringe</td>
			<td>Becton Dickinson</td>
			<td>1180100555</td>
			<td>Monoject 1 ml</td>
		</tr>
		<tr>
			<td>Syringe pump</td>
			<td>Harvard Apparatus</td>
			<td></td>
			<td>Dual syringe programmable syringe pump</td>
		</tr>
		<tr>
			<td>Tracer Particles</td>
			<td>Spherotech</td>
			<td>PP-10-10</td>
			<td>Polystyrene tracer particles 1 um</td>
		</tr>
	</tbody>
</table>

assembly and characterization of an external driver for the generation of sub-kilohertz oscillatory flow in microchannels

La tecnologia microfluidica è diventata uno strumento standard nei laboratori chimici e biologici sia per l'analisi che per la sintesi. L'iniezione di campioni liquidi, come reagenti chimici e colture cellulari, viene effettuata prevalentemente attraverso flussi costanti che sono tipicamente guidati da pompe a siringa, gravità o forze capillari. L'uso di flussi oscillatori complementari è raramente considerato nelle applicazioni, nonostante i suoi numerosi vantaggi, come recentemente dimostrato in letteratura. La significativa barriera tecnica all'implementazione di flussi oscillatori nei microcanali è probabilmente responsabile della mancanza della sua adozione diffusa. Le pompe a siringa commerciali avanzate in grado di produrre flusso oscillatorio, sono spesso più costose e funzionano solo per frequenze inferiori a 1 Hz. Qui viene dimostrato l'assemblaggio e il funzionamento di un apparato a basso costo, basato su altoparlanti di tipo plug-and-play, che genera flusso oscillatorio in microcanali. Flussi oscillatori armonici ad alta fedeltà con frequenze comprese tra 10 e 1000 Hz possono essere raggiunti insieme al controllo indipendente dell'ampiezza. Ampiezze che vanno da 10-600 μm possono essere raggiunte in tutta la gamma di funzionamento, comprese le ampiezze > 1 mm alla frequenza di risonanza, in un tipico microcanale. Sebbene la frequenza di oscillazione sia determinata dall'altoparlante, illustriamo che l'ampiezza dell'oscillazione è sensibile alle proprietà del fluido e alla geometria del canale. In particolare, l'ampiezza dell'oscillazione diminuisce con l'aumentare della lunghezza del circuito del canale e della viscosità del liquido e, al contrario, l'ampiezza aumenta con l'aumentare dello spessore e della lunghezza del tubo dell'altoparlante. Inoltre, l'apparecchio non richiede caratteristiche precedenti per essere progettato sul microcanale ed è facilmente rimovibile. Può essere utilizzato contemporaneamente a un flusso costante creato da una pompa a siringa per generare flussi pulsatili.

Per illustrare la capacità e le prestazioni della configurazione di cui sopra, vengono presentati i risultati rappresentativi del flusso oscillatorio in un semplice microcanale lineare con una sezione trasversale quadrata. La larghezza e l'altezza del canale sono 110 μm e la sua lunghezza è di 5 cm. In primo luogo, descriviamo il movimento delle particelle traccianti sferiche di polistirene e come queste possono essere utilizzate per verificare la fedeltà del segnale oscillatorio e la gamma di ampiezze di oscillazion...

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Assembly and Characterization of an External Driver for the Generation of Sub-Kilohertz Oscillatory Flow in Microchannels

Il protocollo dimostra un metodo conveniente per produrre un flusso oscillatorio armonico da 10-1000 Hz in microcanali. Questo viene eseguito interfacciando un diaframma dell'altoparlante controllato dal computer al microcanale in modo modulare.

Assemblaggio e caratterizzazione di un driver esterno per la generazione di flussi oscillatori sub-kilohertz in microcanali

Microfluidic technology has become a standard tool in chemical and biological laboratories for both analysis and synthesis. The injection of liquid ...

La nostra tecnica porta flussi oscillatori a biologi e chimici usando la microfluidica. Questo dispositivo è veloce da assemblare, facile da usare ed è un metodo plug and play per la produzione di flussi oscillatori ad alta fedeltà. A dimostrare la procedura sarà Giridar Vishwanathan, uno studente di dottorato del mio laboratorio.Per iniziare, blocca le estremità della clip dell'alligatore di un paio di alligatori per fissare i fili ai terminali di un altoparlante da 15 watt con un cono di otto centimetri. Posizionare il chip del controller aux su un componente isolante. Inserire le estremità del perno nelle prese a vite del chip aux.Stringere con un cacciavite per garantire la connettività. Collegare un'estremità di un cavo aux al chip del controller e l'altra estremità a una porta aux su un computer. Collegare un adattatore per corrente continua da 12 volt all'alimentatore.Accendere il chip del controller collegando l'estremità coassiale dell'adattatore CC alla presa di corrente. Utilizzando un browser Internet, accedere a un sito Web di generatore di toni online. Digitare la frequenza desiderata tra 5 e 1200 Hertz nell'applicazione online e scorrere la barra del volume fino alla quantità richiesta.Fare clic sul simbolo del generatore di tipo d'onda e selezionare la forma d'onda desiderata come segno, quadrato, triangolo o dente di sega. L'impostazione predefinita è una forma d'onda del segno. Premere Riproduci per azionare l'altoparlante.Fissare l'altoparlante e il chip del controller sul tumulo dell'altoparlante stampato in 3D per il posizionamento sul palco del microscopio. Posizionare l'adattatore stampato in 3D in modo concentrico sul cono dell'altoparlante. Applicare generosamente il sigillante siliconico lungo i bordi dell'adattatore e lasciare polimerizzare per due ore.Tagliare una punta di micropipetta da 200 microlitri a circa due centimetri dalla sua estremità stretta e disporre della metà più ampia della punta in cui l'estremità conica stretta fungerà da sigillo a cuneo per il fissaggio reversibile. Collegare il tubo di polietilene all'uscita del microcanale prima filettando attraverso la punta della micropipetta, quindi attraverso l'estremità coassiale degli adattatori e, infine, attraverso il lato. Incuneare saldamente l'estremità stretta della punta della pipetta nell'estremità coassiale degli adattatori per creare una tenuta ermetica rimovibile.Aggiungere particelle traccianti in un flaconcino del 22% peso in peso soluzione di glicerolo per produrre una sospensione neutralmente galleggiante con una frazione volumetrica dallo 0,01% allo 0,1% di polistirene in liquido a 20 gradi Celsius. Mescolare vigorosamente agitando per produrre una sospensione omogenea. Caricare una siringa di ingresso da un millilitro con un millilitro di campione.Montare e fissare la siringa caricata su una pompa automatica a siringa. Inserire l'ago della siringa nel tubo di ingresso del dispositivo per creare una tenuta stagna. Assicurarsi che il tubo di uscita sia radicato attraverso il gruppo adattatore e in un serbatoio.Accendere la pompa della siringa, utilizzando il touch screen selezionare il tipo di siringa come Becton-Dickinson 1 mL, quindi selezionare Infondere. Quindi selezionare la portata richiesta del volume di flusso. Avviare il flusso costante utilizzando la pompa a siringa.Attendere fino a quando il tubo di uscita non viene riempito di liquido fino all'altoparlante. Selezionare l'ampiezza di frequenza e la forma d'onda richieste nell'applicazione del generatore di toni e premere Riproduci per generare un flusso oscillatorio all'interno del microcanale. Montare il dispositivo sul microscopio.Impostare la configurazione ottica selezionando un obiettivo con un ingrandimento compreso tra 10X e 40X, regolando il piano focale e posizionando il palco. Per ottenere misurazioni su un piano focale ben definito, assicurarsi che la profondità di campo dell'obiettivo sia inferiore alla profondità del canale di un fattore cinque o più. Per osservare il flusso oscillatorio, utilizzare una telecamera ad alta velocità con un frame rate di almeno il doppio della frequenza di oscillazione.Per una risoluzione utile della forma d'onda, misurare almeno 10 punti per periodo di tempo con frame rate 10 volte maggiore rispetto alla frequenza di oscillazione. In alternativa, per osservare gli effetti di lunga data dei flussi positivi eseguire l'imaging stroboscopico impostando l'osservazione su qualsiasi divisore perfetto della frequenza di oscillazione. Sia per l'imaging diretto che per quello stroboscopico, utilizzare una fotocamera dotata di un otturatore globale per evitare l'effetto jello.In entrambi i casi, mantenere il tempo di esposizione considerevolmente più piccolo del periodo di oscillazione di un fattore di 10 o più per evitare striature. Per misurare l'ampiezza dell'oscillazione senza una telecamera ad alta velocità, registrare a un frame rate mantenuto vicino ma non al frame rate stroboscopico, il che si traduce in un'oscillazione altamente rallentata da cui l'ampiezza può essere misurata con precisione, osservare e registrare le misurazioni dell'ampiezza. Lo spostamento tracciato delle particelle traccianti sul piano medio del canale ha mostrato un segnale armonico per le frequenze di oscillazione 100, 200, 400 e 800 Hertz.In un grafico di ampiezza di oscillazione rispetto alla frequenza per tutte le impostazioni del volume degli altoparlanti, la curva caratteristica aveva un picco risonante a circa 180 Hertz oltre il quale l'ampiezza diminuisce con l'aumentare della frequenza. L'effetto di diversi parametri sull'ampiezza oscillatoria sulla gamma di frequenze operative rispetto al caso di riferimento, ha mostrato che quando la viscosità del liquido di lavoro è aumentata, l'ampiezza diminuisce di un fattore di quasi due. Quando il diametro del tubo microfluidico per lo stesso materiale viene aumentato, l'ampiezza aumenta rispetto al caso di riferimento di un fattore compreso tra 1,5 e 3 a seconda della frequenza.Quando la lunghezza del tubo per lo stesso materiale viene aumentata, l'ampiezza aumenta significativamente vicino alla frequenza di risonanza. Le tracce di spostamento delle particelle per le forme d'onda non sinusoidali hanno mostrato che cambiamenti molto bruschi nella posizione associati a forme d'onda quadrate e a dente di sega non sono possibili nei sistemi reali. Tuttavia, gli spettri di Fourier erano in buon accordo con gli spettri ideali, almeno fino alla terza armonica.È importante confermare che il tubo di uscita è completamente pieno di liquido. Ciò garantisce che l'ampiezza sia massima e che sia costante nel tempo. È inoltre necessario utilizzare una fotocamera con un otturatore globale.Abbiamo usato questa tecnica per osservare e misurare con precisione come si comportano le particelle di dimensioni micron dopo aver percorso una distanza molto lunga all'interno di un microcanale. Questo ci ha permesso di implementare nuove tecniche di manipolazione microfluidica.

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