Name: pneumatically driven microfluidic platform for micro-particle concentration
Uploaded: 2022-02-01T14:15:00
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Questo lavoro è stato sostenuto dalla sovvenzione della National Research Foundation of Korea (NRF) finanziata dal governo coreano (Ministero della Scienza e delle TIC). (No. NRF-2021R1A2C1011380).

1. Progettazione della piattaforma microfluidica per la concentrazione delle particelle
<ol><li>Progettare la piattaforma microfluidica pneumatica composta da una valvola pneumatica per il flusso del fluido nella rete di flusso 3D e tre valvole pneumatiche per il funzionamento della valvola setaccio (Vs), fluido (Vf) e particella (Vp) (Figura 1). NOTA: Vs blocca le particelle concentrate dal liquido e Vf e Vp consentono il rilascio di fluidi e particelle dopo la concent...

<ol>
	<li>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=The+origins+and+the+future+of+microfluidics.">The origins and the future of microfluidics.</a> Nature. 442 (7107), 368-373 (2006).</li><li>Desitter, I., 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=A+new+device+for+rapid+isolation+by+size+and+characterization+of+rare+circulating+tumor+cells.">A new device for rapid isolation by size and characterization of rare circulating tumor cells.</a> Anticancer Research. 31 (2), 427-441 (2011).</li><li>Hayes, D. 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B., 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=A+tunable+micro+filter+modulated+by+pneumatic+pressure+for+cell+separation.">A tunable micro filter modulated by pneumatic pressure for cell separation.</a> Sensors and Actuators B: Chemical. 142 (1), 389-399 (2009).</li><li>Chang, Y. H., 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=A+tunable+microfluidic-based+filter+modulated+by+pneumatic+pressure+for+separation+of+blood+cells.">A tunable microfluidic-based filter modulated by pneumatic pressure for separation of blood cells.</a> Microfluidics and Nanofluidics. 12 (1-4), 85-94 (2012).</li><li>Oh, C. 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C. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/entrez/query.fcgi?db=PubMed&cmd=Search&doptcmdl=Citation&defaultField=Title+Word&term=Fabrication+of+a+pneumatic+microparticle+concentrator.">Fabrication of a pneumatic microparticle concentrator.</a> Micromachines. 11 (1), 40 (2020).</li><li>McDonald, J. C., 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=Poly(dimethylsiloxane)+as+a+material+for+fabricating+microfluidic+device.">Poly(dimethylsiloxane) as a material for fabricating microfluidic device.</a> Accounts of Chemical Research. 35 (7), 491-499 (2002).</li><li>Brivio, 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=A+MALDI-chip+integrated+system+with+a+monitoring+window.">A MALDI-chip integrated system with a monitoring window.</a> Lab on a Chip. 5 (4), 378-381 (2005).</li><li>Jeong, O. C., Konishi, S. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/entrez/query.fcgi?db=PubMed&cmd=Search&doptcmdl=Citation&defaultField=Title+Word&term=The+self-generated+peristaltic+motion+of+cascaded+pneumatic+actuators+for+micro+pumps.">The self-generated peristaltic motion of cascaded pneumatic actuators for micro pumps.</a> Journal of Micromechanics and Microengineering. 18 (8), 085017 (2008).</li><li>Taff, B. M., Voldman, J. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/entrez/query.fcgi?db=PubMed&cmd=Search&doptcmdl=Citation&defaultField=Title+Word&term=A+scalable+addressable+positive+dielectrophoretic+cell-sorting+array.">A scalable addressable positive dielectrophoretic cell-sorting array.</a> Analytical Chemistry. 77 (24), 7976-7983 (2005).</li><li>Pamme, N., 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=On-chip+free-flow+magnetophoresis:+Separation+and+detection+of+mixtures+of+magnetic+particles+in+continuous+flow.">On-chip free-flow magnetophoresis: Separation and detection of mixtures of magnetic particles in continuous flow.</a> Journal of Magnetism and Magnetic Materials. 307 (2), 237-244 (2006).</li><li>Harris, N. R., 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=Performance+of+a+micro-engineered+ultrasonic+particle+manipulator.">Performance of a micro-engineered ultrasonic particle manipulator.</a> Sensors and Actuators B: Chemical. 111, 481-486 (2005).</li><li>Yoon, Y., 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=Clogging-free+microfluidics+for+continuous+size-based+separation+of+microparticles.">Clogging-free microfluidics for continuous size-based separation of microparticles.</a> Scientific Reports. 6 (1), 1-18 (2016).</li><li>Beattie, W., 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=Clog-free+cell+filtration+using+resettable+cell+traps.">Clog-free cell filtration using resettable cell traps.</a> Lab on a Chip. 14 (15), 2657-2665 (2014).</li><li>Cheng, Y., 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=A+bubble-+and+clogging-free+microfluidic+particle+separation+platform+with+multi-filtration.">A bubble- and clogging-free microfluidic particle separation platform with multi-filtration.</a> Lab on a Chip. 16 (23), 4517-4526 (2016).</li></ol>

Questa piattaforma fornisce un modo semplice per purificare e concentrare particelle di varie dimensioni. Le particelle vengono accumulate e rilasciate attraverso il controllo pneumatico della valvola e non si osserva alcun intasamento perché non esiste una struttura passiva. Utilizzando questo dispositivo, viene presentata la concentrazione di particelle di tre dimensioni. Tuttavia, la pressione di esercizio, il tempo necessario per la concentrazione e la velocità possono variare a seconda delle dimensioni del disposi...

Data l'importanza dell'analisi biologica, le tecnologie dei sistemi microelettromeccanici microfluidici e biomedici (BioMEMS) 1,2 sono utilizzate per sviluppare e studiare dispositivi per la purificazione e la raccolta di micromateriali 2,3,4. La cattura delle particelle è classificata come attiva o passiva. Le trappole attive sono state utilizzate per le forze dielettriche5 esterne, magnetoforetiche6, uditive7, visive8 o termiche9 che agiscono su particelle indipendenti, consentendo un controllo preciso dei loro movimenti. Tuttavia, è necessaria un'interazione tra la particella e la forza esterna; pertanto, la velocità effettiva è bassa. Nei sistemi microfluidici, il controllo della portata è molto importante perché le forze esterne vengono trasmesse alle particelle bersaglio.
In generale, i dispositivi microfluidici passivi hanno micropilastri in microcanali10,11. Le particelle vengono filtrate attraverso l'interazione con un fluido che scorre e questi dispositivi sono facili da progettare e poco costosi da produrre. Tuttavia, causano l'intasamento delle particelle nei micro-pilastri, quindi sono stati sviluppati dispositivi più complessi per prevenire l'intasamento delle particelle12. I dispositivi microfluidici con strutture complesse sono generalmente adatti per la gestione di un numero limitato di particelle 13,14,15,16,17,18.
Questo articolo descrive un metodo per fabbricare e utilizzare una piattaforma microfluidica pneumatica per grandi concentrazioni di particelle che supera le carenze18 come menzionato sopra. Questa piattaforma può bloccare e concentrare le particelle per deformazione e azionamento del sottile strato di diaframma della piastra della valvola del setaccio (Vs) che si accumula in canali microfluidici curvi. Le particelle si accumulano in canali microfluidici curvi e le particelle concentrate possono separarsi scaricando il fluido di lavoro tramite l'azionamento di due valvole di accensione / spegnimento delle guarnizioni PDMS18. Questo metodo consente di elaborare un numero limitato di particelle o concentrare un gran numero di piccole particelle. Condizioni operative come l'entità della portata e la pressione dell'aria compressa possono prevenire danni indesiderati alle celle e aumentare l'efficienza di intrappolamento delle celle.

<table border="1" fo:keep-together.within-page="1" fo:keep-with-next.within-page="always">
	<tbody>
		<tr>
			<td>1.5 mm puncture</td>
			<td>Self procduction</td>
			<td>Self procduction</td>
			<td>This puncture was made by requesting a mold maker based on the Miltex&#174; Biopsy Punch with Plunger (15110-15) product.</td>
		</tr>
		<tr>
			<td>4 inch Silicon Wafer/SU-8 mold</td>
			<td>4science</td>
			<td>29-03573-01</td>
			<td>4 inch (100) Ptype silicon wafer/SU-8 mold</td>
		</tr>
		<tr>
			<td>Carboxyl Polystyrene Crosslinked Particle(24.9 &#956;m)</td>
			<td>Spherotech</td>
			<td>CPX-200-10</td>
			<td>Concentrated bead sample1</td>
		</tr>
		<tr>
			<td>Flow meter</td>
			<td>Sensirion</td>
			<td>SLI-1000</td>
			<td>Flow measurement</td>
		</tr>
		<tr>
			<td>High-speed camera</td>
			<td>Photron</td>
			<td>FASTCAM Mini</td>
			<td>Observation of concentration</td>
		</tr>
		<tr>
			<td>Hot plate</td>
			<td>As one</td>
			<td>HI-1000</td>
			<td>heating plate for curing of liquid PDMS</td>
		</tr>
		<tr>
			<td>KOVAX-SYRINGE 10 mL/Syringe</td>
			<td>Koreavaccine</td>
			<td>22G-10ML</td>
			<td>Fill the microfluidic channel with bubble-free demineralized water.</td>
		</tr>
		<tr>
			<td>Laboratory Conona treater/Atmospheric plasma</td>
			<td>Electro-Technic</td>
			<td>BD-20AC</td>
			<td>Chip bonding/atmospheric plasma</td>
		</tr>
		<tr>
			<td>Liquid polydimethylsiloxane, PDMS</td>
			<td>Dow Corning Inc.</td>
			<td>Sylgard 184</td>
			<td>Components of chip</td>
		</tr>
		<tr>
			<td>Microscope</td>
			<td>Olympus</td>
			<td>IX-81</td>
			<td>Observation of concentration</td>
		</tr>
		<tr>
			<td>PEEK Tubes</td>
			<td>SAINT-GOBAIN PPL CORP.</td>
			<td>AAD04103</td>
			<td>Inject or collect particles</td>
		</tr>
		<tr>
			<td>Polystyrene Particle(4.16 &#956;m)</td>
			<td>Spherotech</td>
			<td>PP-40-10</td>
			<td>Concentrated bead sample3</td>
		</tr>
		<tr>
			<td>Polystyrene Particle(8.49 &#956;m)</td>
			<td>Spherotech</td>
			<td>PP-100-10</td>
			<td>Concentrated bead sample2</td>
		</tr>
		<tr>
			<td>Pressure controller/&#956;flucon</td>
			<td>AMED</td>
			<td>&#956;flucon</td>
			<td>Control of air pressure</td>
		</tr>
		<tr>
			<td>Spin coater</td>
			<td>iNexus</td>
			<td>ACE-200</td>
			<td>spread the liquid PDMS on SU-8 mold</td>
		</tr>
	</tbody>
</table>

pneumatically driven microfluidic platform for micro-particle concentration

Il presente articolo introduce un metodo per fabbricare e utilizzare una valvola pneumatica per controllare la concentrazione di particelle utilizzando una piattaforma microfluidica. Questa piattaforma ha una rete tridimensionale (3D) con canali fluidi curvi e tre valvole pneumatiche, che creano reti, canali e spazi attraverso la replica duplex con polidimetilsilossano (PDMS). Il dispositivo funziona in base alla risposta transitoria di una portata del fluido controllata da una valvola pneumatica nel seguente ordine: (1) carico del campione, (2) blocco del campione, (3) concentrazione del campione e (4) rilascio del campione. Le particelle sono bloccate dalla deformazione dello strato sottile del diaframma della piastra della valvola del setaccio (Vs) e si accumulano nel canale microfluidico curvo. Il fluido di lavoro viene scaricato mediante l'azionamento di due valvole on/off. Come risultato dell'operazione, tutte le particelle di vari ingrandimenti sono state intercettate e disimpegnate con successo. Quando viene applicata questa tecnologia, la pressione di esercizio, il tempo necessario per la concentrazione e la velocità di concentrazione possono variare a seconda delle dimensioni del dispositivo e dell'ingrandimento delle dimensioni delle particelle.

La Figura 8 mostra la portata delle fluidità per un funzionamento a quattro stadi della piattaforma, come indicato nella Tabella 2. Il primo stadio è lo stato di caricamento (uno stato). La piattaforma è stata fornita con fluido con tutte le valvole aperte e il fluido di lavoro (Qf) e le particelle (Qp) sono quasi identici poiché la rete di canali microfluidici presenta simmetria strutturale. Nel secondo stadio (stato b), l'aria compressa è stata trasportata a Vs per bl...

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Pneumatically Driven Microfluidic Platform for Micro-Particle Concentration

Il presente protocollo descrive una piattaforma microfluidica pneumatica che può essere utilizzata per un'efficiente concentrazione di microparticelle.

Piattaforma microfluidica pneumatica per la concentrazione di microparticelle

The present article introduces a method for fabricating and operating a pneumatic valve to control particle concentration using a microfluidic platform. ...

Questo protocollo descrive il nostro metodo per fabbricare e operare su una piattaforma microfluidica pneumatica per concentrazioni multi-particella che supera carenze come l'intasamento delle particelle e strutture complesse. Questo metodo consente di elaborare un numero illimitato di particelle, concentrarsi su un gran numero di piccole particelle e prevenire danni cellulari indesiderati e aumenta l'efficienza dell'entropia. A causa dell'importanza dell'analisi biologica, le tecnologie dei sistemi microelettro-meccanici microfluidici e biomedici vengono utilizzate per sviluppare e studiare dispositivi per la purificazione e la raccolta di micromateriali.Per iniziare, utilizzare uno stampo SU8 del canale pneumatico della valvola pre-preparato per replicare lo strato PDMS per il controllo pneumatico della valvola. Versare 10 millilitri di PDMS liquido e un millilitro di agente polimerizzante in uno stampo a canale della valvola pneumatica preparato e attivare il calore a 90 gradi Celsius per 30 minuti. Dopo che le strutture PDMS sono state curate, separare lo stampo SU8.Punzonare tre porte pneumatiche da 1,5 millimetri nel canale della valvola pneumatica utilizzando una foratura di 1,5 millimetri. Versare 10 millilitri di PDMS liquido e un millilitro di agente polimerizzante in uno stampo SU8 pulito. Spin coat per 15 secondi a 1500 giri al minuto usando uno spin coater, quindi attivare il calore a 90 gradi Celsius per 30 minuti.Separare lo stampo SU8 dopo che le strutture PDMS sono state polimerizzate. Trattare la struttura PDMS con plasma atmosferico per 20 secondi. Utilizzando un microscopio, allineare le strutture PDMS trattate al plasma in base alla struttura del canale.Legare le strutture PDMS allineate riscaldandole a 90 gradi Celsius per 30 minuti. Utilizzando una foratura di 1,5 millimetri, praticare un foro di 1,5 millimetri di diametro nell'ingresso del canale del fluido e nelle uscite all'interno della parte del canale pneumatico legata allo strato sottile del diaframma. Replicare entrambi i lati dello strato PDMS utilizzando due stampi SU8 per creare un canale microfluidico.Utilizzare uno stampo a canale microfluidico curvo e rettangolare sulla parte anteriore e uno stampo per canale di interconnessione microfluidico sul retro. Versare 10 millilitri di PDMS liquido e un millilitro di agente polimerizzante nello stampo a canale microfluidico curvo e rettangolare e ruotarlo a 1200 giri al minuto per 15 secondi, quindi creare stampi per la camera del fluido curva e i canali del fluido mediante attivazione del calore a 90 gradi Celsius per 30 minuti. Separare lo strato PDMS su cui si forma il canale microfluidico.Quindi trattarlo con plasma atmosferico per 20 secondi per creare uno stampo attivato dal calore che copre la parete di sfiato sigillata legandosi al wafer di vetro. Versare tre millilitri di PDMS liquido nel canale di interconnessione dello stampo SU8. Disporre la struttura, fabbricata con lo stampo del canale di interconnessione, in PDMS liquido sullo stampo del canale di interconnessione microfluidica.Quindi asciugare la struttura sovrapposta a 130 gradi Celsius per 30 minuti. Dopo la polimerizzazione, rimuovere lo stampo SU8 anteriore dallo strato di rete del canale microfluidico e staccare con cura lo stampo PDMS posteriore. Versare 10 millilitri di PDMS liquido e un millilitro di agente polimerizzante in uno stampo SU8 pulito e attivarlo termicamente a 90 gradi Celsius per 30 minuti.Separare lo stampo SU8 dopo che le strutture PDMS sono state polimerizzate. Trattare gli stampi del canale di interconnessione microfluidica PDMS con plasma atmosferico per 20 secondi. Utilizzando un microscopio, allineare le strutture PDMS trattate al plasma in base alla struttura del canale.Legare le strutture PDMS allineate riscaldando a 90 gradi Celsius per 30 minuti. Allineare le strutture PDMS preparate durante questo processo in base alla struttura del canale e legarle trattandole con plasma atmosferico per 20 secondi. Utilizzando una siringa da 10 millilitri, riempire il canale microfluidico con acqua demineralizzata priva di bolle.Per controllare la pressione del fluido di lavoro e le tre valvole pneumatiche che controllano il flusso della microsfere, inserire un regolatore di pressione di precisione con quattro o più canali di uscita per il fluido di lavoro nella piattaforma microfluidica. Preparare particelle di prova di polistirene carbossilico di varie dimensioni in acqua distillata. Per controllare la portata del fluido di lavoro, riempire metà di una bottiglia di vetro con l'acqua e collegare il tappo della bottiglia di vetro al canale di uscita del controller e alla microvalvola.Utilizzando un microscopio invertito, osservare tutte le operazioni della piattaforma e misurare la portata operativa nel tempo all'uscita con un misuratore di portata liquido. Iniettare la particella o la miscela di fluidi sotto pressione all'ingresso con la valvola delle particelle. Applicare pressione alla valvola CIV a 15 kilopascal e alla valvola antiparticolato a 18 kilopascal per azionare la valvola.Quando le particelle sono concentrate, applicare pressione solo alla valvola del fluido. La portata dei fluidi è stata suddivisa in un funzionamento a quattro stadi della piattaforma. La prima fase era lo stato di caricamento.Il fluido di lavoro e le particelle erano quasi identici poiché la rete di canali microfluidici mostrava simmetria strutturale. Il secondo stadio era lo stato di blocco. Il percorso del flusso si è ristretto e la portata misurata alla porta di uscita è stata ridotta dalla resistenza idraulica.Il terzo stadio era lo stato di concentrazione. Il QP misurato era vicino allo zero e il QF era circa 1,42 volte quello dello stato di blocco. La fase finale era lo stato di rilascio.Le portate e le velocità di concentrazione risultanti hanno dimostrato che l'attuazione sequenziale programmata con la valvola pneumatica funziona bene a causa dei cambiamenti di flusso. Le particelle sono state concentrate e accumulate nell'area di raccolta quando la valvola CIV e la valvola delle particelle sono state chiuse e tutte le particelle concentrate raccolte sono state rilasciate entro quattro secondi quando solo la valvola del fluido è stata chiusa. Una parte essenziale di questa procedura è la polimerizzazione della struttura posteriore in cui lo strato PDMS viene impiantato dalla maggiore pressione dello strato d'aria.E lo strato di film deformato viene improvvisamente attivato. Questa piattaforma può essere utilizzata per l'auto-pretrattamento di bioparticelle molto concentrate e dritte e sospese, in quanto l'operazione non è influenzata dalle proprietà delle particelle fisiche.

Research

JoVE Journal

Engineering

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Ricerca

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