Name: pneumatically driven microfluidic platform for micro-particle concentration
Uploaded: 2022-02-01T14:15:00
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Este trabajo fue apoyado por la subvención de la Fundación Nacional de Investigación de Corea (NRF) financiada por el gobierno de Corea (Ministerio de Ciencia y TIC). (No. NRF-2021R1A2C1011380).

1. Diseño de la plataforma microfluídica para la concentración de partículas
<ol><li>Diseñar la plataforma microfluídica neumática que consta de una válvula neumática para el flujo de fluidos en la red de flujo 3D y tres válvulas neumáticas para el funcionamiento de la válvula de tamiz (Vs), fluido (Vf) y partícula (Vp) (Figura 1). NOTA: Los bloques Vs concentran partículas del líquido, y Vf y Vp permiten la liberación de fluidos y partículas después d...

<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 proporciona una forma sencilla de purificar y concentrar partículas de varios tamaños. Las partículas se acumulan y liberan a través del control de la válvula neumática, y no se observa obstrucción porque no hay una estructura pasiva. Usando este dispositivo, se presenta la concentración de partículas de tres tamaños. Sin embargo, la presión de funcionamiento, el tiempo requerido para la concentración y la velocidad pueden variar según las dimensiones del dispositivo, el aumento del tamaño d...

Debido a la importancia del análisis biológico, las tecnologías de sistemas microelectromecánicos microfluídicos y biomédicos (BioMEMS) 1,2 se utilizan para desarrollar y estudiar dispositivos para la purificación y recolección de micromateriales 2,3,4. La captura de partículas se clasifica como activa o pasiva. Las trampas activas se han utilizado para las fuerzas dieléctricas externas5, magnetoforéticas6,auditivas 7, visuales8 o térmicas9 que actúan sobre partículas independientes, lo que permite un control preciso de sus movimientos. Sin embargo, se requiere una interacción entre la partícula y la fuerza externa; por lo tanto, el rendimiento es bajo. En los sistemas microfluídicos, el control del caudal es muy importante porque las fuerzas externas se transmiten a las partículas objetivo.
En general, los dispositivos microfluídicos pasivos tienen micropilares en microcanales10,11. Las partículas se filtran a través de la interacción con un fluido que fluye, y estos dispositivos son fáciles de diseñar y baratos de fabricar. Sin embargo, causan obstrucción de partículas en micropilares, por lo que se han desarrollado dispositivos más complejos para evitar la obstrucción de partículas12. Los dispositivos microfluídicos con estructuras complejas son generalmente adecuados para manejar un número limitado de partículas 13,14,15,16,17,18.
Este artículo describe un método para fabricar y operar una plataforma microfluídica impulsada neumáticamente para grandes concentraciones de partículas que supera las deficiencias18 como se mencionó anteriormente. Esta plataforma puede bloquear y concentrar partículas por deformación y accionamiento de la capa delgada del diafragma de la placa de la válvula de tamiz (Vs) que se acumula en canales microfluídicos curvos. Las partículas se acumulan en canales microfluídicos curvos, y las partículas concentradas pueden separarse descargando el fluido de trabajo mediante el accionamiento de dos sellos PDMS válvulas de encendido / apagado18. Este método permite procesar un número limitado de partículas o concentrar un gran número de partículas pequeñas. Las condiciones de funcionamiento, como la magnitud del caudal y la presión del aire comprimido, pueden evitar daños no deseados en las celdas y aumentar la eficiencia de captura de las celdas.

<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

El presente artículo presenta un método para fabricar y operar una válvula neumática para controlar la concentración de partículas utilizando una plataforma microfluídica. Esta plataforma tiene una red tridimensional (3D) con canales de fluidos curvos y tres válvulas neumáticas, que crean redes, canales y espacios a través de la replicación dúplex con polidimetilsiloxano (PDMS). El dispositivo funciona en función de la respuesta transitoria de un caudal de fluido controlado por una válvula neumática en el siguiente orden: (1) carga de muestra, (2) bloqueo de muestra, (3) concentración de muestra y (4) liberación de muestra. Las partículas están bloqueadas por la deformación de la capa delgada del diafragma de la placa de la válvula del tamiz (Vs) y se acumulan en el canal microfluídico curvo. El fluido de trabajo se descarga mediante el accionamiento de dos válvulas de encendido / apagado. Como resultado de la operación, todas las partículas de varios aumentos fueron interceptadas y desconectadas con éxito. Cuando se aplica esta tecnología, la presión de funcionamiento, el tiempo requerido para la concentración y la tasa de concentración pueden variar según las dimensiones del dispositivo y el aumento del tamaño de partícula.

La Figura 8 muestra el caudal de los caudales para una operación de plataforma de cuatro etapas, como se menciona en la Tabla 2. La primera etapa es el estado de carga (un estado). La plataforma se suministró con fluido con todas las válvulas abiertas, y el fluido de trabajo (Qf) y las partículas (Qp) son casi idénticos ya que la red de canales microfluídicos exhibe simetría estructural. En la segunda etapa (estado b), el aire comprimido se transportó a Vs para bloqu...

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Pneumatically Driven Microfluidic Platform for Micro-Particle Concentration

El presente protocolo describe una plataforma microfluídica neumática que se puede utilizar para una concentración eficiente de micropartículas.

Plataforma microfluídica accionada neumáticamente para la concentración 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 describe nuestro método para fabricar y operar en una plataforma microfluídica impulsada neumáticamente para concentraciones de múltiples partículas que supera deficiencias como la obstrucción de partículas y estructuras complejas. Este método permite procesar un número ilimitado de partículas, concentrarse en una gran cantidad de partículas pequeñas y prevenir el daño celular no deseado, y aumenta la eficiencia de la entropía. Debido a la importancia del análisis biológico, las tecnologías de sistemas microelectromecánicos microfluídicos y biomédicos se utilizan para desarrollar y estudiar dispositivos para la purificación y recolección de micromateriales.Para comenzar, use un molde SU8 de canal de válvula neumática preparado previamente para replicar la capa PDMS para controlar neumáticamente la válvula. Vierta 10 mililitros de PDMS líquido y un mililitro de agente de curado en un molde de canal de válvula neumático preparado, y active el calor a 90 grados Celsius durante 30 minutos. Después de curar las estructuras PDMS, separe el molde SU8.Perfore tres puertos neumáticos de 1,5 milímetros en el canal de la válvula neumática mediante una punción de 1,5 milímetros. Vierta 10 mililitros de PDMS líquido y un mililitro de agente de curado en un molde SU8 limpio. Gire la capa durante 15 segundos a 1500 revoluciones por minuto con un recubrimiento de centrifugado, luego se active el calor a 90 grados centígrados durante 30 minutos.Separe el molde SU8 después de curar las estructuras PDMS. Trate la estructura del PDMS con plasma atmosférico durante 20 segundos. Usando un microscopio, alinee las estructuras PDMS tratadas con plasma de acuerdo con la estructura del canal.Unir las estructuras PDMS alineadas calentándolas a 90 grados centígrados durante 30 minutos. Usando una punción de 1,5 milímetros, haga un orificio de 1,5 milímetros de diámetro en la entrada y salida del canal de fluido dentro de la parte del canal neumático unida a la capa delgada del diafragma. Replique ambos lados de la capa PDMS utilizando dos moldes SU8 para hacer un canal microfluídico.Utilice un molde de canal microfluídico curvo y rectangular en la parte delantera y un molde de canal de interconexión microfluídica en la parte posterior. Vierta 10 mililitros de PDMS líquido y un mililitro de agente de curado en el molde de canal microfluídico curvo y rectangular, y recubrirlo con centrifugado a 1200 revoluciones por minuto durante 15 segundos, luego cree moldes para la cámara de fluido curva y los canales de fluido mediante la activación de calor a 90 grados Celsius durante 30 minutos. Separe la capa PDMS en la que se forma el canal microfluídico.Luego trátelo con plasma atmosférico durante 20 segundos para hacer un molde activado por calor que cubra la pared de ventilación sellada uniéndose a la oblea de vidrio. Vierta tres mililitros de PDMS líquido en el canal de interconexión del molde SU8. Organice la estructura, fabricada con el molde de canal de interconexión, en PDMS líquido en el molde de canal de interconexión microfluídica.Luego seque la estructura superpuesta a 130 grados centígrados durante 30 minutos. Después del curado, retire el molde frontal SU8 de la capa de red del canal microfluídico y despegue cuidadosamente el molde PDMS trasero. Vierta 10 mililitros de PDMS líquido y un mililitro de agente de curado en un molde SU8 limpio y actívelo a 90 grados centígrados durante 30 minutos.Separe el molde SU8 después de curar las estructuras PDMS. Trate los moldes de canal de interconexión microfluídica PDMS con plasma atmosférico durante 20 segundos. Usando un microscopio, alinee las estructuras PDMS tratadas con plasma de acuerdo con la estructura del canal.Unir las estructuras PDMS alineadas calentando a 90 grados Celsius durante 30 minutos. Alinear las estructuras PDMS preparadas durante este proceso según la estructura del canal y unirlas tratando con plasma atmosférico durante 20 segundos. Con una jeringa de 10 mililitros, llene el canal microfluídico con agua desmineralizada sin burbujas.Para controlar la presión del fluido de trabajo y las tres válvulas neumáticas que controlan el flujo de microperlas, inserte un controlador de presión de precisión con cuatro o más canales de salida para el fluido de trabajo en la plataforma microfluídica. Prepare partículas de prueba de poliestireno carboxilo de varios tamaños en agua destilada. Para controlar el caudal del fluido de trabajo, llene la mitad de una botella de vidrio con el agua y conecte la tapa de la botella de vidrio al canal de salida del controlador y a la microválvula.Usando un microscopio invertido, observe todas las operaciones de la plataforma y mida el caudal de funcionamiento a lo largo del tiempo en la salida mediante un medidor de flujo de líquido. Inyecte la mezcla de partículas o fluidos a presión en la entrada con la válvula de partículas. Aplique presión a la válvula CIV a 15 kilopascales y a la válvula de partículas a 18 kilopascales para accionar la válvula.Cuando las partículas estén concentradas, aplique presión solo a la válvula de fluido. El caudal de los fluidos se dividió en una operación de plataforma de cuatro etapas. La primera etapa fue el estado de carga.El fluido de trabajo y las partículas eran casi idénticos ya que la red de canales microfluídicos exhibía simetría estructural. La segunda etapa fue el estado de bloqueo. La trayectoria del flujo se estrechó y el caudal medido en el puerto de salida se redujo por la resistencia hidráulica.La tercera etapa fue el estado de concentración. El QP medido fue cercano a cero, y el QF fue aproximadamente 1,42 veces mayor que el del estado de bloqueo. La etapa final fue el estado de lanzamiento.Los caudales y los caudales de concentración resultantes demostraron que el accionamiento secuencial programado con la válvula neumática funciona bien debido a los cambios de flujo. Las partículas se concentraron y acumularon en el área de recolección cuando se cerraron la válvula CIV y la válvula de partículas, y todas las partículas concentradas recolectadas se liberaron en cuatro segundos cuando solo se cerró la válvula de fluido. Una parte esencial de este procedimiento es curar la estructura trasera donde se implanta la capa PDMS por la presión un poco más de la capa de aire.Y la capa de película deformada se activa repentinamente. Esta plataforma se puede utilizar para el auto-pretratamiento de biopartículas muy concentradas y rectas y suspendidas, ya que el funcionamiento no se ve afectado por las propiedades de las partículas físicas.

Research

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Engineering

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