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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Gostaríamos de reconhecer o apoio dado e as instalações fornecidas pelo Departamento de Ciência Mecânica e Engenharia Rapid Prototyping Lab da Universidade de Illinois para viabilizar este trabalho.

1. Design e fabricação de moldes rápidos do protótipo
<ol><li>Abra o AutoCAD em um PC. Selecione Arquivo na barra de tarefas e selecione Abrir e navegar e clicar em um arquivo modelo tridimensional (3D) do molde do canal, tendo .dxf ou .dwg extensão.</li>
	<li>Selecione o modelo inteiro clicando e arrastando uma caixa ao redor dele. Exporte o design como um arquivo .stl selecionando | de arquivos Exporte, em seguida, Outros formatos</stron...

<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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Demonstramos o conjunto (ver protocolo passos críticos 3 e 4) e operação (ver protocolo passos críticos 5 e 6) de um aparelho externo baseado em alto-falantes para a geração de fluxo oscilatório com frequências na faixa de 10 a 1000 Hz em dispositivos microfluidos. O rastreamento de partículas de partículas suspensas é necessário para determinar a fidelidade do movimento harmônico, bem como para calibrar a amplitude de oscilação alcançável ao longo da faixa de frequências operacionais. A curva de amplit...

O controle preciso da taxa de fluxo líquido em microcanais é crucial para aplicações de laboratório em um chip, como produção de gotículas e encapsulamento1, mistura 2,3, e a classificação e manipulação de partículas suspensas 4,5,6,7. O método predominantemente utilizado para o controle de fluxo é uma bomba de seringa que produz fluxos estáveis altamente controlados dispensando um volume fixo de líquido ou uma taxa de fluxo volumétrico fixo, muitas vezes limitado ao fluxo totalmente unidirecional. Estratégias alternativas para a produção de fluxo unidirecional incluem o uso da cabeça gravitacional8, forças capilares9 ou fluxo eletro-osmótico10. As bombas de seringa programáveis permitem um controle bidirecional dependente do tempo das taxas de fluxo e volumes dispensados, mas limitam-se a tempos de resposta superiores a 1 s devido à inércia mecânica da bomba de seringa.
O controle de fluxo em escalas de tempo mais curtas desbloqueia uma infinidadede 6,11,12,13,14,15 de outras possibilidades inacessíveis devido a mudanças qualitativas na física do fluxo. O meio mais prático de aproveitar essa física de fluxo variado é através de ondas acústicas ou fluxos oscilatórios com períodos de tempo que variam de 10-1- 10-9 s ou 101 -109 Hz. A extremidade superior desta faixa de frequência é acessada usando dispositivos de onda acústica a granel (BAW; 100 kHz-10 MHz) e ondas acústicas superficiais (SAW; 10 MHz-1 GHz). Em um dispositivo BAW típico, todo o substrato e a coluna de fluido são vibrados aplicando um sinal de tensão através de uma piezoelétrica ligada. Isso permite rendimentos relativamente altos, mas também resulta em aquecimento em amplitudes mais altas. Nos dispositivos SAW, no entanto, a interface líquido-sólido é oscilada aplicando tensão a um par de eletrodos interdigitados padronizados em um substrato piezoelétrico. Devido aos comprimentos de onda muito curtos (1 μm-100 μm) partículas tão pequenas quanto 300 nm podem ser precisamente manipuladas pela onda de pressão gerada em dispositivos SAW. Apesar da capacidade de manipular pequenas partículas, os métodos SAW estão limitados à manipulação de partículas locais, uma vez que a onda atenua rapidamente com distância da fonte.
Na faixa de frequência de 1-100 kHz, os fluxos oscilatórios são geralmente gerados usando elementos piezo que são ligados a um microcanal polidimetilsiloxano (PDMS) acima de uma cavidadeprojetada 16,17. A membrana PDMS acima da cavidade padronizada se comporta como uma membrana vibrante ou tambor que pressuriza o fluido dentro do canal. Nesta faixa de frequência, o comprimento de onda é maior do que o tamanho do canal, mas as amplitudes de velocidade de oscilação são pequenas. O fenômeno mais útil nesse regime de frequência é a geração de fluxos de fluxo acústico/viscoso, que são fluxos estáveis corrigidos causados pela não linearidade inerente ao fluxo de líquidos com inércia18. Os fluxos de fluxo constantes normalmente se manifestam como vórtices de alta velocidade nas proximidades de obstáculos, cantos afiados ou micro-bolhas. Estes vórtices são úteis para misturar19,20 e separar partículas de tamanho de 10 μm da corrente de fluxo21.
Para frequências na faixa de 10-1000 Hz, tanto a velocidade do componente oscilatório quanto seu fluxo viscoso estável associado são consideráveis em magnitude e útil. Fortes fluxos oscilatórios nesta faixa de frequência podem ser usados para focalizar inercial22, facilitar a geração de gotículas23, e pode gerar condições de fluxo (números de Womersley) que imitam o fluxo sanguíneo para estudos in vitro . Por outro lado, os fluxos de streaming são úteis para mistura, captura de partículas e manipulação. O fluxo oscilatório nesta faixa de frequências também pode ser realizado usando um elemento piezo ligado ao dispositivo como descrito acimade 23. Um obstáculo significativo para implementar fluxos oscilatórios através de um elemento piezo ligado é que ele requer recursos para serem projetados com antecedência. Além disso, os elementos do alto-falante ligados não são destacáveis, e um novo elemento deve ser ligado a cada dispositivo24. No entanto, tais dispositivos apresentam a vantagem de serem compactos. Um método alternativo é o uso de uma válvula de relé eletromecânica20. Essas válvulas requerem fontes de pressão pneumática e software de controle personalizado para operação e, portanto, aumentam a barreira técnica para testes e implementação. No entanto, tais dispositivos permitem a aplicação de amplitude e frequência de pressão definida.
Neste artigo, descreve-se a construção, operação e caracterização de um método fácil de usar para gerar fluxos oscilatórios na faixa de frequência de 10-1000 Hz em microcanais. O método oferece inúmeras vantagens, como montagem econômica, facilidade de operação e pronto para interagir com canais microfluidos padrão e acessórios, como bombas de seringa e tubos. Além disso, em comparação com abordagens similares anteriores25, o método oferece ao usuário controle seletivo e independente de frequências e amplitudes de oscilação, incluindo a modulação entre formas de onda sinusoidal e não sinusoidal. Esses recursos permitem que os usuários implantem facilmente fluxos oscilatórios e, portanto, facilitem a adoção generalizada em uma ampla gama de tecnologias e aplicações microfluidas existentes atualmente nas áreas de biologia e química.

<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

A tecnologia microfluidica tornou-se uma ferramenta padrão em laboratórios químicos e biológicos para análise e síntese. A injeção de amostras líquidas, como reagentes químicos e culturas celulares, é predominantemente realizada através de fluxos constantes que são tipicamente impulsionados por bombas de seringa, gravidade ou forças capilares. O uso de fluxos oscilatórios complementares raramente é considerado em aplicações, apesar de suas inúmeras vantagens como demonstrado recentemente na literatura. A significativa barreira técnica para a implantação de fluxos oscilatórios em microcanais é provavelmente responsável pela falta de sua adoção generalizada. Bombas de seringa comercial avançadas que podem produzir fluxo oscilatório, muitas vezes são mais caras e só funcionam para frequências inferiores a 1 Hz. Aqui, demonstra-se a montagem e a operação de um aparelho baseado em alto-falantes de baixo custo, baseado em alto-falantes do tipo plug-and-play que gera fluxo oscilatório em microcanais. Fluxos oscilatórios harmônicos de alta fidelidade com frequências que variam de 10 a 1000 Hz podem ser alcançados juntamente com controle de amplitude independente. Amplitudes que variam de 10 a 600 μm podem ser alcançadas em toda a gama de operação, incluindo amplitudes > 1 mm na frequência ressonante, em um microcanal típico. Embora a frequência de oscilação seja determinada pelo alto-falante, ilustramos que a amplitude de oscilação é sensível às propriedades fluidas e à geometria do canal. Especificamente, a amplitude de oscilação diminui com o aumento do comprimento do circuito do canal e a viscosidade líquida, e em contraste, a amplitude aumenta com o aumento da espessura e comprimento do tubo de alto-falante. Além disso, o aparelho não requer recursos prévios para serem projetados no microcanal e é facilmente destacável. Pode ser usado simultaneamente com um fluxo constante criado por uma bomba de seringa para gerar fluxos pulsantes.

Para ilustrar a capacidade e o desempenho da configuração acima, são apresentados resultados representativos do fluxo oscilatório em um microcanal linear simples com uma seção quadrada transversal. A largura e altura do canal são de 110 μm e seu comprimento é de 5 cm. Primeiro, descrevemos o movimento das partículas rastreoures de poliestireno esféricos e como estas podem ser usadas para verificar a fidelidade do sinal oscilatório, bem como a amplitude de oscilação alcançável. Em seguida, discutimos o efe...

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

O protocolo demonstra um método conveniente para produzir fluxo oscilatório harmônico de 10-1000 Hz em microcanais. Isso é realizado interligando um diafragma de alto-falante controlado por computador ao microcanal de forma modular.

Montagem e Caracterização de um Driver Externo para a Geração de Fluxo Oscilatório Sub-Kilohertz em Microcanais

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

Nossa técnica traz fluxos oscilatórios para biólogos e químicos usando microfluidos. Este dispositivo é rápido de montar, fácil de usar, e é um método de plug and play para produzir fluxos oscilatórios de alta fidelidade. Demonstrando o procedimento estará Giridar Vishwanathan, um estudante de doutorado do meu laboratório.Para começar, aperte as extremidades do clipe do jacaré para fixar fios nos terminais de um alto-falante de 15 watts com um cone de oito centímetros. Coloque o chip do controlador aux em um componente isolante. Insira as extremidades do pino nas tomadas de parafuso do chip aux.Aperte com uma chave de fenda para garantir a conectividade. Conecte uma extremidade de um cabo aux ao chip controlador e a outra extremidade a uma porta aux em um computador. Conecte um adaptador de corrente direta de 12 volts à fonte de alimentação.Ligue o chip do controlador conectando a extremidade coaxial do adaptador DC à tomada de energia. Usando um navegador de internet, navegue até um site de gerador de tons online. Digite a frequência desejada entre 5 a 1200 Hertz no aplicativo online e role a barra de volume até a quantidade necessária.Clique no símbolo do gerador do tipo de onda e selecione a forma de onda desejada como sinal, quadrado, triângulo ou dente de serra. A configuração padrão é um formulário de onda de sinais. Pressione Play para acionar o alto-falante.Grave o alto-falante e o chip do controlador no monte de alto-falante impresso em 3D para posicionamento no estágio do microscópio. Coloque o adaptador impresso em 3D concentricamente no cone do alto-falante. Aplique o selante de silicone generosamente ao longo das bordas do adaptador e deixe a cura por duas horas.Corte uma ponta de micropipette de 200 microliteres aproximadamente dois centímetros de sua extremidade estreita e descarte a metade mais larga da ponta onde a extremidade cônica estreita servirá como uma vedação de cunha para fixação reversível. Conecte a tubulação de polietileno à saída do microcanal, primeiro enfiando através da ponta da micropipette, e depois através da extremidade coaxial dos adaptadores, e finalmente, para fora através do lado. Coloque firmemente a extremidade estreita da ponta da pipeta na extremidade coaxial dos adaptadores para criar uma vedação apertada destacável.Adicione partículas rastreadoras em um frasco de 22% de peso por solução de glicerol de peso para produzir uma suspensão de flutuação neutra com uma fração de volume de 0,01% a 0,1% poliestireno em líquido a 20 graus Celsius. Misture vigorosamente tremendo para produzir uma suspensão homogênea. Carregue uma seringa de entrada de um mililitro com um mililitro de amostra.Monte e aperte a seringa carregada em uma bomba de seringa automática. Insira a agulha da seringa na tubulação de entrada do dispositivo para criar uma vedação apertada. Certifique-se de que o tubo de saída está enraizado através do conjunto do adaptador e em um reservatório.Ligue a bomba de seringa, usando a tela sensível ao toque selecione o tipo de seringa como Becton-Dickinson 1 mL e selecione Infuse. Em seguida, selecione a taxa de fluxo necessária do volume de fluxo. Inicie o fluxo constante usando a bomba de seringa.Aguarde até que o tubo de saída esteja cheio de líquido até o alto-falante. Selecione uma amplitude de frequência necessária e forma de onda na aplicação do gerador de tons e pressione Play para gerar fluxo oscilatório dentro do microcanal. Monte o dispositivo no microscópio.Configure a configuração óptica selecionando uma lente objetiva com uma ampliação entre 10X e 40X, e ajustando o plano focal e posicionando o estágio. Para obter medições em um plano focal bem definido, certifique-se de que a profundidade de campo da lente objetiva seja menor do que a profundidade do canal por um fator de cinco ou mais. Para observar o fluxo oscilatório, use uma câmera de alta velocidade com uma taxa de quadro de pelo menos o dobro da frequência de oscilação.Para uma resolução útil da forma de onda, meça pelo menos 10 pontos por período de tempo com taxa de quadro 10 vezes maior do que a frequência de oscilação. Alternativamente, observar efeitos de longa data de fluxos positivos realizam imagens estroboscópicas definindo a observação para qualquer divisor perfeito da frequência de oscilação. Para imagens diretas e estroboscópicas, use uma câmera equipada com um obturador global para evitar o efeito gelatina.Em ambos os casos, mantenha o tempo de exposição consideravelmente menor do que o período de oscilação por um fator de 10 ou mais para evitar a estria. Para medir a amplitude de oscilação sem uma câmera de alta velocidade, grave em uma taxa de quadros mantida perto, mas não à taxa de quadros estroboscópicos, o que resulta em uma oscilação altamente lenta a partir da qual a amplitude pode ser medida com precisão, observar e registrar as medidas de amplitude. O deslocamento rastreado de partículas rastreadoras no plano médio do canal mostrou um sinal harmônico para as frequências de oscilação 100, 200, 400 e 800 Hertz.Em um gráfico de amplitude de oscilação versus frequência para todas as configurações de volume de alto-falantes, a curva característica teve um pico ressonante em torno de 180 Hertz além do qual a amplitude diminui com a frequência crescente. O efeito de diferentes parâmetros sobre a amplitude oscilatória sobre a faixa de frequências operacionais em relação ao caso de referência, mostrou que quando a viscosidade do líquido de trabalho é aumentada, a amplitude diminui em um fator de quase dois. Quando o diâmetro do tubo microfluido para o mesmo material é aumentado, a amplitude aumenta em relação ao caso de referência por um fator entre 1,5 a 3, dependendo da frequência.Quando o comprimento do tubo para o mesmo material é aumentado, a amplitude aumenta significativamente perto da frequência ressonante. As faixas de deslocamento de partículas para formas de ondas não sinusoidais mostraram que mudanças muito acentuadas na posição associadas às formas de ondas quadradas e de dente-de-serra não são possíveis em sistemas reais. No entanto, os espectros fourier estavam em boa concordância com o espectro ideal, pelo menos até o terceiro harmônico.É importante confirmar que o tubo de saída está totalmente cheio de líquido. Isso garante que a amplitude seja máxima e que seja constante com o tempo. Uma câmera com um obturador global também deve ser usada.Usamos essa técnica para observar e medir com precisão como as partículas do tamanho de míccros se comportam depois de viajarem uma longa distância dentro de um microcanal. Isso nos permitiu implementar novas técnicas de manipulação microfluidica.

Research

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Engineering

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