Name: pneumatically driven microfluidic platform for micro-particle concentration
Uploaded: 2022-02-01T14:15:00
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Este trabalho foi apoiado pela Bolsa da Fundação Nacional de Pesquisa da Coreia (NRF) financiada pelo governo da Coreia (Ministério da Ciência e TIC). (Não. NRF-2021R1A2C1011380).

1. Projetando a plataforma microfluidica para concentração de partículas
<ol><li>Projete a plataforma microfluida pneumática constituída por uma válvula pneumática para fluxo de fluidos na rede de fluxo 3D e três válvulas pneumáticas para a operação da válvula peneira (Vs), fluido (Vf) e partícula (Vp) (Figura 1). NOTA: Os blocos vs concentram partículas do líquido, e Vf e Vp permitem a liberação de fluidos e partículas após a concentração. Três p...

<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>

Esta plataforma fornece uma maneira simples de purificar e concentrar partículas de vários tamanhos. As partículas são acumuladas e liberadas através do controle pneumático da válvula, e nenhum entupimento é observado porque não há estrutura passiva. Usando este dispositivo, a concentração de partículas de três tamanhos é apresentada. No entanto, a pressão operacional, o tempo necessário para concentração e a taxa podem variar dependendo das dimensões do dispositivo, ampliação do tamanho das partíc...

Devido à importância da análise biológica, as tecnologias microetroecânicas microfluidicas e biomédicas (BioMEMS) 1,2 são utilizadas para desenvolver e estudar dispositivos para a purificação e coleta de micromateriais 2,3,4. A captura de partículas é categorizada como ativa ou passiva. Armadilhas ativas têm sido usadas para forças dieletéricas externas5, magnetoforéticas6,auditivas 7, visuais8 outérmicas 9 que atuam em partículas independentes, permitindo o controle preciso de seus movimentos. No entanto, é necessária uma interação entre a partícula e a força externa; assim, o rendimento é baixo. Nos sistemas microfluidos, controlar a vazão é muito importante porque as forças externas são transmitidas para as partículas alvo.
Em geral, os dispositivos microfluidos passivos possuem micropillars em microcanais 10,11. As partículas são filtradas através da interação com um fluido fluindo, e esses dispositivos são fáceis de projetar e baratos de fabricar. No entanto, eles causam entupimento de partículas em micro-pilares, por isso dispositivos mais complexos foram desenvolvidos para evitar o entupimento de partículas12. Dispositivos microfluidos com estruturas complexas são geralmente adequados para o gerenciamento de um número limitado de partículas 13,14,15,16,17,18.
Este artigo descreve um método para fabricar e operar uma plataforma microfluidica pneumática para grandes concentrações de partículas que superam as deficiências18 como mencionado acima. Esta plataforma pode bloquear e concentrar partículas por deformação e atuação da fina camada de diafragma da placa da válvula de peneira (Vs) que se acumula em canais microfluidos curvos. As partículas se acumulam em canais microfluidos curvos, e as partículas concentradas podem se separar descarregando o fluido de trabalho através da atuação de duas vedações PDMS sobre/desliga18 válvulas. Este método torna possível processar um número limitado de partículas ou concentrar um grande número de pequenas partículas. Condições operacionais como a magnitude da taxa de fluxo e a pressão de ar comprimido podem evitar danos celulares indesejados e aumentar a eficiência da captura celular.

<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

O presente artigo introduz um método para fabricar e operar uma válvula pneumática para controlar a concentração de partículas usando uma plataforma microfluidica. Esta plataforma possui uma rede tridimensional (3D) com canais de fluido curvo e três válvulas pneumáticas, que criam redes, canais e espaços através da replicação duplex com polidimetilsiloxano (PDMS). O dispositivo opera com base na resposta transitória de uma taxa de fluxo de fluido controlada por uma válvula pneumática na seguinte ordem: (1) carregamento amostral, (2) bloqueio amostral, (3) concentração amostral e (4) liberação da amostra. As partículas são bloqueadas pela fina deformação da camada de diafragma da placa da válvula de peneira (Vs) e se acumulam no canal microfluido curvo. O fluido de trabalho é descarregado pela atuação de duas válvulas de entrada/desliga. Como resultado da operação, todas as partículas de várias ampliações foram interceptadas e desengajadas com sucesso. Quando esta tecnologia é aplicada, a pressão operacional, o tempo necessário para concentração e a taxa de concentração podem variar dependendo das dimensões do dispositivo e da ampliação do tamanho das partículas.

A Figura 8 mostra a taxa de fluxo das taxas de fluido para uma operação de plataforma de quatro estágios, conforme mencionado na Tabela 2. A primeira etapa é o estado de carga (estado). A plataforma foi fornecida com fluido com todas as válvulas abertas, e o fluido de trabalho (Qf) e partículas (Qp) são quase idênticos, pois a rede de canais microfluidos exibe simetria estrutural. No segundo estágio (estado b), o ar comprimido foi transportado para Vs para bloquear ...

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Pneumatically Driven Microfluidic Platform for Micro-Particle Concentration

O presente protocolo descreve uma plataforma microfluidica pneumática que pode ser usada para uma concentração eficiente de micropartículas.

Plataforma microfluídica pneumática para concentração de micropartículas

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

Este protocolo descreve nosso método para fabricar e operar em plataforma microfluida movida pneumática para concentrações multipartículas que superam deficiências como entupimento de partículas e estruturas complexas. Esses métodos possibilitam processar um número ilimitado de partículas, concentrar-se em um grande número de pequenas partículas e evitar danos celulares indesejados, e aumentar a eficiência da entropia. Devido à importância da análise biológica, as tecnologias de sistemas microelétricos e biomédicos de microelétricas são utilizadas para o desenvolvimento e estudo de dispositivos para a purificação e coleta de microquídicos.Para começar, use um molde SU8 do canal pneumático pré-preparado para replicar a camada PDMS para controlar pneumaticamente a válvula. Despeje 10 mililitros de PDMS líquidos e um mililitro de agente de cura em um molde de canal de válvula pneumática preparado, e o calor seja ativado a 90 graus Celsius por 30 minutos. Depois que as estruturas PDMS forem curadas, separe o molde SU8.Bata três portas pneumáticas de 1,5 milímetros no canal da válvula pneumática usando uma punção de 1,5 milímetros. Despeje 10 mililitros de PDMS líquidos e um mililitro de agente de cura em um molde SU8 limpo. Gire o casaco por 15 segundos a 1500 rotações por minuto usando um revestador de spin, em seguida, o calor ativo a 90 graus Celsius por 30 minutos.Separe o molde SU8 após a cura das estruturas do PDMS. Trate a estrutura do PDMS com plasma atmosférico por 20 segundos. Usando um microscópio, alinhe as estruturas PDMS tratadas com plasma de acordo com a estrutura do canal.Unindo as estruturas PDMS alinhadas aquecendo-as a 90 graus Celsius por 30 minutos. Com uma punção de 1,5 milímetros, faça um orifício de 1,5 milímetros de diâmetro na entrada do canal fluido e nas saídas dentro da parte do canal pneumático ligado à fina camada de diafragma. Replique ambos os lados da camada PDMS usando dois moldes SU8 para fazer um canal microfluido.Use um molde de canal microfluido curvo e retangular na frente, e um molde de canal de interconexão microfluida na parte traseira. Despeje 10 mililitros de PDMS líquidos e um mililitro de agente de cura no molde de canal microfluido curvo e retangular, e gire-o a 1200 rotações por minuto durante 15 segundos, em seguida, crie moldes para a câmara de fluido curvo e canais fluidos por ativação de calor a 90 graus Celsius por 30 minutos. Separe a camada PDMS na qual o canal microfluido é formado.Em seguida, trate-o com plasma atmosférico por 20 segundos para fazer um molde ativado pelo calor cobrindo a parede de ventilação selada, ligando-se ao wafer de vidro. Despeje três mililitros de PDMS líquidos no canal de interconexão do molde SU8. Organize a estrutura, fabricada com o molde do canal de interconexão, em PDMS líquido no molde do canal de interconexão microfluida.Em seguida, seque a estrutura sobreposta a 130 graus Celsius por 30 minutos. Após a cura, remova o molde SU8 dianteiro da camada de rede de canal microfluido e retire cuidadosamente o molde PDMS traseiro. Despeje 10 mililitros de PDMS líquidos e um mililitro de agente de cura em um molde SU8 limpo e o calor o ative a 90 graus Celsius por 30 minutos.Separe o molde SU8 após a cura das estruturas do PDMS. Trate os moldes do canal de interconexão microfluida PDMS com plasma atmosférico por 20 segundos. Usando um microscópio, alinhe as estruturas PDMS tratadas com plasma de acordo com a estrutura do canal.Unindo as estruturas PDMS alinhadas aquecendo a 90 graus Celsius por 30 minutos. Alinhe as estruturas PDMS preparadas durante esse processo de acordo com a estrutura do canal e uni-las tratando com plasma atmosférico por 20 segundos. Usando uma seringa de 10 mililitros, encha o canal microfluido com água desmineralizada sem bolhas.Para controlar a pressão do fluido de trabalho e as três válvulas pneumáticas que controlam o fluxo de microesferas, insira um controlador de pressão de precisão com quatro ou mais canais de saída para o fluido de trabalho na plataforma microfluida. Prepare partículas de teste de poliestireno carboxíl de vários tamanhos em água destilada. Para controlar a vazão do fluido de trabalho, encha metade de uma garrafa de vidro com a água e conecte a tampa da garrafa de vidro ao canal de saída do controlador e à microvalve.Usando um microscópio invertido, observe todas as operações da plataforma e meça a taxa de fluxo operacional ao longo do tempo na tomada por um medidor de fluxo líquido. Injete a mistura de partículas ou fluidos sob pressão na entrada com a válvula de partículas. Aplique pressão na válvula CIV a 15 quilopascals, e válvula de partículas a 18 quilopascals para acionar a válvula.Quando as partículas estiverem concentradas, aplique pressão apenas na válvula de fluido. A vazão dos fluidos foi dividida em uma operação de plataforma de quatro estágios. A primeira etapa foi o estado de carga.O fluido de trabalho e as partículas eram quase idênticos, pois a rede de canais microfluidos exibia simetria estrutural. A segunda etapa foi o estado de bloqueio. O caminho de fluxo diminuiu, e a vazão medida na porta de saída foi reduzida pela resistência hidráulica.A terceira etapa foi o estado de concentração. O QP medido foi próximo de zero, e o QF foi cerca de 1,42 vezes o do estado de bloqueio. A etapa final foi o estado de liberação.As taxas de fluxo e concentração resultantes comprovaram que a atuação sequencial programada com a válvula pneumática funciona bem devido às mudanças de fluxo. As partículas foram concentradas e acumuladas na área de coleta quando a válvula CIV e a válvula de partículas foram fechadas, e todas as partículas concentradas coletadas foram liberadas em quatro segundos, quando apenas a válvula de fluido foi fechada. Uma parte essencial deste procedimento é a cura da estrutura traseira onde a camada PDMS é implantada pela pressão mais da camada de ar.E a camada de filme deformada é subitamente ativada. Esta plataforma pode ser usada para o auto-pré-tratamento de biopartículas muito concentradas e retas e suspensas, já que a operação não é afetada pelas propriedades das partículas físicas.

Research

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