Name: assembly and characterization of an external driver for the generation of sub-kilohertz oscillatory flow in microchannels
Uploaded: 2022-01-28T13:00:00
Description: Watch this Scientific Journal Video about Assembly and Characterization of an External Driver for the Generation of Sub-Kilohertz Oscillatory Flow in Microchannels at JoVE.com

Nos gustaría agradecer el apoyo brindado y las instalaciones proporcionadas por el Departamento de Ciencias Mecánicas e Ingeniería del Laboratorio de Prototipado Rápido de la Universidad de Illinois para permitir este trabajo.

1. Diseño y fabricación rápida de moldes de prototipos
<ol><li>Abra AutoCAD en un PC. Seleccione Archivo en la barra de tareas, luego seleccione Abrir y busque y haga clic en un archivo de modelo tridimensional (3D) del molde de canal que tiene .dxf o .dwg extensión.</li>
	<li>Seleccione todo el modelo haciendo clic y arrastrando un cuadro a su alrededor. Exporte el diseño como un archivo .stl seleccionando Archivo | Exportar, luego Otros ...

<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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Hemos demostrado el montaje (ver protocolo pasos críticos 3 y 4) y operación (ver protocolo pasos críticos 5 y 6) de un aparato basado en altavoces externos para la generación de flujo oscilatorio con frecuencias en el rango de 10 a 1000 Hz en dispositivos microfluídicos. El seguimiento de partículas trazadoras en suspensión es necesario para determinar la fidelidad del movimiento armónico, así como para calibrar el rango de amplitudes de oscilación alcanzables en el rango de frecuencias de funcionamiento. La c...

El control preciso del caudal de líquido en microcanales es crucial para aplicaciones de laboratorio en un chip, como la producción de gotas y la encapsulación1, la mezcla 2,3 y la clasificación y manipulación de partículas en suspensión 4,5,6,7. El método predominantemente utilizado para el control de flujo es una bomba de jeringa que produce flujos constantes altamente controlados que dispensan un volumen fijo de líquido o un caudal volumétrico fijo, a menudo limitado a un flujo completamente unidireccional. Las estrategias alternativas para producir flujo unidireccional incluyen el uso de la cabeza gravitacional8, las fuerzascapilares 9 o el flujo electro-osmótico10. Las bombas de jeringa programables permiten un control bidireccional dependiente del tiempo de los caudales y los volúmenes dispensados, pero se limitan a tiempos de respuesta superiores a 1 s debido a la inercia mecánica de la bomba de jeringa.
El control de flujo a escalas de tiempo más cortas desbloquea una gran cantidad de 6,11,12,13,14,15 de posibilidades que de otro modo serían inaccesibles debido a cambios cualitativos en la física de flujo. El medio más práctico de aprovechar esta variada física de flujo es a través de ondas acústicas o flujos oscilatorios con períodos de tiempo que van desde 10-1- 10-9 s o 101 -109 Hz. Se accede al extremo superior de este rango de frecuencia utilizando dispositivos de onda acústica a granel (BAW; 100 kHz-10 MHz) y onda acústica superficial (SAW; 10 MHz-1 GHz). En un dispositivo BAW típico, todo el sustrato y la columna de fluido vibran aplicando una señal de voltaje a través de un piezoeléctrico unido. Esto permite rendimientos relativamente altos, pero también da como resultado un calentamiento a amplitudes más altas. En los dispositivos SAW, sin embargo, la interfaz sólido-líquido oscila aplicando voltaje a un par de electrodos interdigitados modelados sobre un sustrato piezoeléctrico. Debido a las longitudes de onda muy cortas (1 μm-100 μm), partículas tan pequeñas como 300 nm pueden ser manipuladas con precisión por la onda de presión generada en los dispositivos SAW. A pesar de la capacidad de manipular partículas pequeñas, los métodos SAW se limitan a la manipulación de partículas locales, ya que la onda se atenúa rápidamente con la distancia de la fuente.
En el rango de frecuencia de 1-100 kHz, los flujos oscilatorios generalmente se generan utilizando elementos piezoeléctricos que están unidos a un microcanal de polidimetilsiloxano (PDMS) sobre una cavidad diseñada16,17. La membrana PDMS por encima de la cavidad estampada se comporta como una membrana vibratoria o tambor que presuriza el fluido dentro del canal. En este rango de frecuencia, la longitud de onda es mayor que el tamaño del canal, pero las amplitudes de velocidad de oscilación son pequeñas. El fenómeno más útil en este régimen de frecuencias es la generación de flujos de flujo acústicos/viscosos, que son flujos constantes rectificados causados por la no linealidad inherente al flujo de líquidos con inercia18. Los flujos de flujo constante generalmente se manifiestan como vórtices contrarrotatorios de alta velocidad en las cercanías de obstáculos, esquinas afiladas o microburbujas. Estos vórtices son útiles para mezclar19,20 y separar partículas de 10 μm de tamaño de la corriente de flujo21.
Para frecuencias en el rango de 10-1000 Hz, tanto la velocidad del componente oscilatorio como su flujo viscoso constante asociado son considerables en magnitud y útiles. Los flujos oscilatorios fuertes en este rango de frecuencia se pueden utilizar para el enfoque inercial22, facilitar la generaciónde gotas 23 y pueden generar condiciones de flujo (números de Womersley) que imitan el flujo sanguíneo para estudios in vitro . Por otro lado, los flujos de transmisión son útiles para la mezcla, el atrapamiento de partículas y la manipulación. El flujo oscilatorio en este rango de frecuencias también se puede lograr utilizando un elemento piezoeléctrico unido al dispositivo como se describió anteriormente23. Un obstáculo importante para implementar flujos oscilatorios a través de un elemento piezoeléctrico unido es que requiere que las características se diseñen de antemano. Además, los elementos del altavoz enlazados no son desmontables, y se debe unir un nuevo elemento a cada dispositivo24. Sin embargo, tales dispositivos presentan la ventaja de ser compactos. Un método alternativo es el uso de una válvula de relé electromecánica20. Estas válvulas requieren fuentes de presión neumáticas y software de control personalizado para su operación y, por lo tanto, aumentan la barrera técnica para las pruebas y la implementación. Sin embargo, tales dispositivos permiten la aplicación de la amplitud y frecuencia de presión establecidas.
En este artículo, se describe la construcción, operación y caracterización de un método fácil de usar para generar flujos oscilatorios en el rango de frecuencia de 10-1000 Hz en microcanales. El método ofrece numerosas ventajas, como un montaje rentable, facilidad de operación y listo para interactuar con canales microfluídicos estándar y accesorios como bombas de jeringa y tubos. Además, en comparación con enfoques similares anteriores25, el método ofrece al usuario un control selectivo e independiente de las frecuencias y amplitudes de oscilación, incluida la modulación entre formas de onda sinusoidales y no sinusoidales. Estas características permiten a los usuarios implementar fácilmente flujos oscilatorios y, por lo tanto, facilitan la adopción generalizada en una amplia gama de tecnologías y aplicaciones microfluídicas actualmente existentes en los campos de la biología y la 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

La tecnología microfluídica se ha convertido en una herramienta estándar en los laboratorios químicos y biológicos tanto para el análisis como para la síntesis. La inyección de muestras líquidas, como reactivos químicos y cultivos celulares, se logra predominantemente a través de flujos constantes que generalmente son impulsados por bombas de jeringas, gravedad o fuerzas capilares. El uso de flujos oscilatorios complementarios rara vez se considera en aplicaciones a pesar de sus numerosas ventajas, como se ha demostrado recientemente en la literatura. La importante barrera técnica para la implementación de flujos oscilatorios en microcanales es probablemente responsable de la falta de su adopción generalizada. Las bombas de jeringa comerciales avanzadas que pueden producir flujo oscilatorio, a menudo son más caras y solo funcionan para frecuencias inferiores a 1 Hz. Aquí, se demuestra el montaje y operación de un aparato basado en altavoces de bajo costo, tipo plug-and-play, que genera flujo oscilatorio en microcanales. Se pueden lograr flujos oscilatorios armónicos de alta fidelidad con frecuencias que van desde 10-1000 Hz junto con un control de amplitud independiente. Se pueden lograr amplitudes que van desde 10-600 μm en todo el rango de operación, incluidas amplitudes > 1 mm a la frecuencia de resonancia, en un microcanal típico. Aunque la frecuencia de oscilación está determinada por el altavoz, ilustramos que la amplitud de oscilación es sensible a las propiedades del fluido y la geometría del canal. Específicamente, la amplitud de oscilación disminuye con el aumento de la longitud del circuito del canal y la viscosidad del líquido, y en contraste, la amplitud aumenta con el aumento del grosor y la longitud del tubo del altavoz. Además, el aparato no requiere características previas para ser diseñado en el microcanal y es fácilmente desmontable. Se puede utilizar simultáneamente con un flujo constante creado por una bomba de jeringa para generar flujos pulsátiles.

Para ilustrar la capacidad y el rendimiento de la configuración anterior, se presentan resultados representativos del flujo oscilatorio en un microcanal lineal simple con una sección transversal cuadrada. El ancho y la altura del canal son de 110 μm y su longitud es de 5 cm. En primer lugar, describimos el movimiento de las partículas trazadoras de poliestireno esférico y cómo se pueden utilizar para comprobar la fidelidad de la señal oscilatoria, así como el rango de amplitudes de oscilación alcanzables. Luego ...

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

El protocolo demuestra un método conveniente para producir flujo oscilatorio armónico de 10-1000 Hz en microcanales. Esto se realiza interconectando un diafragma de altavoz controlado por computadora con el microcanal de manera modular.

Montaje y caracterización de un driver externo para la generación de flujo oscilatorio sub-kilohercios en microcanales

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

Nuestra técnica lleva flujos oscilatorios a biólogos y químicos utilizando microfluídica. Este dispositivo es rápido de montar, fácil de usar y es un método plug and play para producir flujos oscilatorios de alta fidelidad. Demostrando el procedimiento estará Giridar Vishwanathan, un estudiante de doctorado de mi laboratorio.Para comenzar, sujete los extremos del clip de cocodrilo de un par de caimanes para fijar cables a los terminales de un altavoz de 15 vatios con un cono de ocho centímetros. Coloque el chip controlador auxiliar sobre un componente aislante. Inserte los extremos del pasador en los zócalos de tornillo del chip auxiliar.Apriete con un destornillador para garantizar la conectividad. Conecte un extremo de un cable auxiliar al chip controlador y el otro extremo a un puerto auxiliar en una computadora. Conecte un adaptador de corriente continua de 12 voltios a la fuente de alimentación.Encienda el chip controlador conectando el extremo coaxial del adaptador de CC a la toma de corriente. Usando un navegador de Internet, navegue a un sitio web generador de tonos en línea. Escriba la frecuencia deseada entre 5 y 1200 Hertz en la aplicación en línea y desplácese por la barra de volumen hasta la cantidad requerida.Haga clic en el símbolo del generador de tipo de onda y seleccione la forma de onda deseada como signo, cuadrado, triángulo o diente de sierra. La configuración predeterminada es un formulario de onda de signo. Pulse Reproducir para accionar el altavoz.Pegue el altavoz y el chip del controlador en el montículo de altavoces impreso en 3D para colocarlos en el escenario del microscopio. Coloque el adaptador impreso en 3D concéntricamente en el cono del altavoz. Aplique el sellador de silicona generosamente a lo largo de los bordes del adaptador y deje curar durante dos horas.Corte una punta de micropipeta de 200 microlitros aproximadamente a dos centímetros de su extremo estrecho y deseche la mitad más ancha de la punta donde el extremo cónico estrecho servirá como un sello de cuña para la fijación reversible. Conecte el tubo de polietileno a la salida del microcanal primero roscando a través de la punta de la micropipeta, y luego a través del extremo coaxial de los adaptadores y, finalmente, saliendo por el lateral. Cuña firmemente el extremo estrecho de la punta de la pipeta en el extremo coaxial de los adaptadores para crear un sello hermético desmontable.Agregue partículas trazadoras en un vial de solución de glicerol al 22% en peso para producir una suspensión neutramente flotante con una fracción de volumen de 0.01% a 0.1% de poliestireno en líquido a 20 grados Celsius. Mezclar vigorosamente agitando para producir una suspensión homogénea. Cargue una jeringa de entrada de un mililitro con un mililitro de muestra.Monta y sujeta la jeringa cargada en una bomba de jeringa automática. Inserte la aguja de la jeringa en el tubo de entrada del dispositivo para crear un sello estanco al agua. Asegúrese de que el tubo de salida esté enraizado a través del conjunto del adaptador y en un depósito.Encienda la bomba de jeringa, con la pantalla táctil, seleccione el tipo de jeringa como Becton-Dickinson 1 mL y, a continuación, seleccione Infundir. A continuación, seleccione el caudal requerido del volumen de flujo. Inicie el flujo constante utilizando la bomba de jeringa.Espere hasta que el tubo de salida se llene de líquido hasta el altavoz. Seleccione una amplitud de frecuencia requerida y una forma de onda en la aplicación generador de tonos, y presione Reproducir para generar flujo oscilatorio dentro del microcanal. Monte el dispositivo en el microscopio.Configure la configuración óptica seleccionando una lente objetivo con un aumento entre 10X y 40X, y ajustando el plano focal y posicionando el escenario. Para obtener mediciones en un plano focal bien definido, asegúrese de que la profundidad de campo de la lente del objetivo sea menor que la profundidad del canal por un factor de cinco o más. Para observar el flujo oscilatorio, use una cámara de alta velocidad con una velocidad de fotogramas de al menos el doble de la frecuencia de oscilación.Para una resolución útil de la forma de onda, mida al menos 10 puntos por período de tiempo con una velocidad de fotogramas 10 veces mayor que la frecuencia de oscilación. Alternativamente, para observar los efectos a largo plazo de los flujos positivos, realice imágenes estroboscópicas ajustando la observación a cualquier divisor perfecto de la frecuencia de oscilación. Para imágenes directas y estroboscópicas, utilice una cámara equipada con un obturador global para evitar el efecto gelatina.En cualquier caso, mantenga el tiempo de exposición considerablemente más pequeño que el período de tiempo de oscilación en un factor de 10 o más para evitar rayas. Para medir la amplitud de oscilación sin una cámara de alta velocidad, grabe a una velocidad de fotogramas mantenida cerca pero no de la velocidad de fotogramas estroboscópica, lo que da como resultado una oscilación muy ralentizada a partir de la cual la amplitud se puede medir, observar y registrar con precisión las mediciones de amplitud. El desplazamiento rastreado de las partículas trazadoras en el plano medio del canal mostró una señal armónica para las frecuencias de oscilación 100, 200, 400 y 800 Hertz.En una gráfica de amplitud de oscilación versus frecuencia para todos los ajustes de volumen del altavoz, la curva característica tenía un pico resonante de alrededor de 180 Hertz más allá del cual la amplitud disminuye con el aumento de la frecuencia. El efecto de diferentes parámetros sobre la amplitud oscilatoria sobre el rango de frecuencias operativas con respecto al caso de referencia, mostró que cuando se aumenta la viscosidad del líquido de trabajo, la amplitud disminuye en un factor de casi dos. Cuando se aumenta el diámetro de la tubería microfluídica para el mismo material, la amplitud aumenta en comparación con el caso de referencia en un factor entre 1,5 a 3 dependiendo de la frecuencia.Cuando se aumenta la longitud del tubo para el mismo material, la amplitud aumenta significativamente cerca de la frecuencia de resonancia. Las pistas de desplazamiento de partículas para formas de onda no sinusoidales mostraron que los cambios muy bruscos en la posición asociados con las formas de onda cuadradas y de diente de sierra no son posibles en sistemas reales. Sin embargo, los espectros de Fourier estaban en buen acuerdo con los espectros ideales, al menos hasta el tercer armónico.Es importante confirmar que el tubo de salida esté completamente lleno de líquido. Esto asegura que la amplitud sea máxima y que sea constante con el tiempo. También se debe utilizar una cámara con un obturador global.Hemos utilizado esta técnica para observar y medir con precisión cómo se comportan las partículas del tamaño de micras después de que viajan una distancia muy larga dentro de un microcanal. Esto nos ha permitido implementar nuevas técnicas de manipulación microfluídica.

Research

JoVE Journal

Engineering

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