Name: computer numerical control micromilling of a microfluidic acrylic device with a staggered restriction for magnetic nanoparticle-based immunoassays
Uploaded: 2022-06-23T13:10:00
Description: Watch this Scientific Journal Video about Computer Numerical Control Micromilling of a Microfluidic Acrylic Device with a Staggered Restriction for Magnetic Nanoparticle-Based Immunoassays at JoVE.com

Ce travail a été soutenu par Conacyt, Mexique dans le cadre de la subvention 312231 du « Programa de Apoyos para Actividades Científicas, Tecnológicas y de Innovación », et par l’AMEXCID et le Ministère mexicain des relations extérieures (SRE) sous la subvention « Prueba serológica rápida, barata y de alta sensibilidad para SARS-CoV-2 ». JAHO remercie Conacyt Mexico pour sa bourse de doctorat.

1. Microfraisage
<ol><li>Rectification de surface<ol><li>Allumez la microfraiseuse et le contrôleur piézoélectrique. Démarrez leur logiciel de contrôle respectif12.</li>
		<li>Sélectionnez les taillants d’extrémité requis (diamètres 200 μm et 800 μm). Placez-les dans le compartiment approprié de la fraiseuse (Figure 1).</li>
		<li>Découpez des rectangles de 9 mm x 25 mm en PMMA de 1,3 mm d’épaisseur avec le taillant d’extrémité...

<ol>
	<li>Ng, A. H. C., Uddayasankar, U., Wheeler, A. R. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/entrez/query.fcgi?db=PubMed&cmd=Search&doptcmdl=Citation&defaultField=Title+Word&term=Immunoassays+in+microfluidic+systems.">Immunoassays in microfluidic systems.</a> Analytical and Bioanalytical Chemistry. 397 (3), 991-1007 (2010).</li><li>Berlanda, S. F., Breitfeld, M., Dietsche, C. L., Dittrich, P. S. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/entrez/query.fcgi?db=PubMed&cmd=Search&doptcmdl=Citation&defaultField=Title+Word&term=Recent+advances+in+microfluidic+technology+for+bioanalysis+and+diagnostics.">Recent advances in microfluidic technology for bioanalysis and diagnostics.</a> Analytical Chemistry. 93 (1), 311-331 (2021).</li><li>Teste, 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=Microchip+integrating+magnetic+nanoparticles+for+allergy+diagnosis.">Microchip integrating magnetic nanoparticles for allergy diagnosis.</a> Lab on a Chip. 11 (24), 4207-4213 (2011).</li><li>Guevara-Pantoja, P. E., S&#225;nchez-Dom&#237;nguez, M., Caballero-Robledo, G. A. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/entrez/query.fcgi?db=PubMed&cmd=Search&doptcmdl=Citation&defaultField=Title+Word&term=Micro-nanoparticles+magnetic+trap:+Toward+high+sensitivity+and+rapid+microfluidic+continuous+flow+enzyme+immunoassay.">Micro-nanoparticles magnetic trap: Toward high sensitivity and rapid microfluidic continuous flow enzyme immunoassay.</a> Biomicrofluidics. 14 (1), 014111 (2020).</li><li>Khizar, S., 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=Magnetic+nanoparticles+in+microfluidic+and+sensing:+From+transport+to+detection.">Magnetic nanoparticles in microfluidic and sensing: From transport to detection.</a> Electrophoresis. 41 (13-14), 1206-1224 (2020).</li><li>Podaru, G., Chikan, V. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/entrez/query.fcgi?db=PubMed&cmd=Search&doptcmdl=Citation&defaultField=Title+Word&term=CHAPTER+1:+Magnetism+in+nanomaterials:+Heat+and+force+from+colloidal+magnetic+particles.">CHAPTER 1: Magnetism in nanomaterials: Heat and force from colloidal magnetic particles.</a> Magnetic Nanomaterials: Applications in Catalysis and Life Sciences. , 1-24 (2017).</li><li>Reynoso-Hern&#225;ndez, K. B., Guevara-Pantoja, P. E., Caballero-Robledo, G. A. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/entrez/query.fcgi?db=PubMed&cmd=Search&doptcmdl=Citation&defaultField=Title+Word&term=Capture+efficiency+of+magnetic+nanoparticles+through+the+compaction+effect+of+a+microparticles+column.">Capture efficiency of magnetic nanoparticles through the compaction effect of a microparticles column.</a> Physical Review E. 104 (2), 024603 (2021).</li><li>Gale, B. K., 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+review+of+current+methods+in+microfluidic+device+fabrication+and+future+commercialization+prospects.">A review of current methods in microfluidic device fabrication and future commercialization prospects.</a> Inventions. 3 (3), 60 (2018).</li><li>Liu, K., Fan, Z. H. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/entrez/query.fcgi?db=PubMed&cmd=Search&doptcmdl=Citation&defaultField=Title+Word&term=Thermoplastic+microfluidic+devices+and+their+applications+in+protein+and+DNA+analysis.">Thermoplastic microfluidic devices and their applications in protein and DNA analysis.</a> Analyst. 136 (7), 1288-1297 (2011).</li><li>Guckenberger, D. J., de Groot, T. E., Wan, A. M. D., Beebe, D. J., Young, E. W. K. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/entrez/query.fcgi?db=PubMed&cmd=Search&doptcmdl=Citation&defaultField=Title+Word&term=Micromilling:+A+method+for+ultra-rapid+prototyping+of+plastic+microfluidic+devices.">Micromilling: A method for ultra-rapid prototyping of plastic microfluidic devices.</a> Lab on a Chip. 15 (11), 2364-2378 (2015).</li><li>Guevara-Pantoja, P. E., Jim&#233;nez-Vald&#233;s, R. J., Garc&#237;a-Cordero, J. L., Caballero-Robledo, G. A. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/entrez/query.fcgi?db=PubMed&cmd=Search&doptcmdl=Citation&defaultField=Title+Word&term=Pressure-actuated+monolithic+acrylic+microfluidic+valves+and+pumps.">Pressure-actuated monolithic acrylic microfluidic valves and pumps.</a> Lab on a Chip. 18 (4), 662-669 (2018).</li><li>Guevara-Pantoja, P. E., Chavez-Pineda, O. G., Solis-Serrano, A. M., Garcia-Cordero, J. L., Caballero-Robledo, G. A. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/entrez/query.fcgi?db=PubMed&cmd=Search&doptcmdl=Citation&defaultField=Title+Word&term=An+affordable+3D-printed+positioner+fixture+improves+the+resolution+of+conventional+milling+for+easy+prototyping+of+acrylic+microfluidic+devices.">An affordable 3D-printed positioner fixture improves the resolution of conventional milling for easy prototyping of acrylic microfluidic devices.</a> Lab on a Chip. 20 (17), 3179-3186 (2020).</li><li>Friedrich, C. R., Vasile, M. J. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/entrez/query.fcgi?db=PubMed&cmd=Search&doptcmdl=Citation&defaultField=Title+Word&term=Development+of+the+micromilling+process+for+high-aspect-ratio+microstructures.">Development of the micromilling process for high-aspect-ratio microstructures.</a> Journal of Microelectromechanical Systems. 5 (1), 33-38 (1996).</li><li>Malayath, G., Sidpara, A. M., Deb, S. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/entrez/query.fcgi?db=PubMed&cmd=Search&doptcmdl=Citation&defaultField=Title+Word&term=Study+of+different+materials+response+in+micro+milling+using+four+edged+micro+end+mill+tools.">Study of different materials response in micro milling using four edged micro end mill tools.</a> Journal of Manufacturing Processes. 56, 169-179 (2020).</li><li>Jiang, J., 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+single+low-cost+microfabrication+approach+for+polymethylmethacrylate,+polystyrene,+polycarbonate+and+polysulfone+based+microdevices.">A single low-cost microfabrication approach for polymethylmethacrylate, polystyrene, polycarbonate and polysulfone based microdevices.</a> RSC Advances. 5 (45), 36036-36043 (2015).</li><li>Sun, Y., Kwok, Y. C., Nguyen, N. T. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/entrez/query.fcgi?db=PubMed&cmd=Search&doptcmdl=Citation&defaultField=Title+Word&term=Low-pressure,+high-temperature+thermal+bonding+of+polymeric+microfluidic+devices+and+their+applications+for+electrophoretic+separation.">Low-pressure, high-temperature thermal bonding of polymeric microfluidic devices and their applications for electrophoretic separation.</a> Journal of Micromechanics and Microengineering. 16 (8), 1681-1688 (2006).</li><li>Tsao, C. W., Hromada, L., Liu, J., Kumar, P., DeVoe, D. L. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/entrez/query.fcgi?db=PubMed&cmd=Search&doptcmdl=Citation&defaultField=Title+Word&term=Low+temperature+bonding+of+PMMA+and+COC+microfluidic+substrates+using+UV/ozone+surface+treatment.">Low temperature bonding of PMMA and COC microfluidic substrates using UV/ozone surface treatment.</a> Lab on a Chip. 7 (4), 499-505 (2007).</li><li>Bamshad, A., Nikfarjam, A., Khaleghi, H. <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+simple+and+fast+thermally-solvent+assisted+method+to+bond+PMMA-PMMA+in+micro-fluidics+devices.">A new simple and fast thermally-solvent assisted method to bond PMMA-PMMA in micro-fluidics devices.</a> Journal of Micromechanics and Microengineering. 26 (6), 065017 (2016).</li><li>Ogilvie, I. R. G., 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=Reduction+of+surface+roughness+for+optical+quality+microfluidic+devices+in+PMMA+and+COC.">Reduction of surface roughness for optical quality microfluidic devices in PMMA and COC.</a> Journal of Micromechanics and Microengineering. 20 (6), 065016 (2010).</li></ol>

Un dispositif microfluidique acrylique pour des dosages immunologiques utilisant des nanoparticules comme immunosupport a été fabriqué à l’aide d’une technique de microbroyage. La méthode de fabrication directe sur le substrat a l’avantage d’éviter l’utilisation d’un moule maître et le temps et les coûts que cela implique. Cependant, il est limité au prototypage rapide et à la fabrication de dispositifs à haut volume.
Ici, nous avons utilisé une plate-forme piézoélect...

Ces dernières années, la microfluidique a joué un rôle important dans les techniques d’immunoessais1. La technologie de miniaturisation présente de nombreux avantages exceptionnels par rapport aux immunoessais traditionnels, tels qu’une consommation réduite d’échantillons et de réactifs, des temps d’incubation plus courts, un échange de solution efficace et une intégration et une automatisation accrues2.
De plus, les systèmes microfluidiques dans les essais immunologiques, associés à des nanoparticules magnétiques comme immunosupport, réduisent considérablement les temps d’incubation, atteignant une sensibilité de détection élevée en raison de l’augmentation du rapport surface/volume3. Le mouvement brownien des particules améliore la cinétique de réaction lors de la formation du complexe antigène-anticorps 4,5. De plus, les propriétés magnétiques des nanoparticules offrent la polyvalence nécessaire pour être intégrées dans différentes configurations de dispositifs microfluidiques, ce qui en fait un candidat idéal pour la signalisation et la capture de molécules dans les systèmes de biodétection miniaturiséssur puce 5. Cependant, les forces magnétiques sont significativement plus faibles que les forces de traînée à l’échelle nanométrique en raison du rapport surface/volume élevé6. Par conséquent, la capture de nanoparticules pour des étapes cruciales d’immunodosage telles que le lavage et la détection peut être difficile, et un aimant conventionnel est insuffisant4.
Un moyen efficace de manipuler les nanoparticules est l’utilisation d’un piège magnétique microfluidique formé de microparticules de fer, qui sont emballées dans une structure microfluidique3. Par conséquent, lorsqu’un aimant externe s’approche, une interaction complexe est créée dans le milieu poreux magnétisé entre les forces magnétiques et de flux. La force magnétique agissant sur les nanoparticules est suffisamment forte pour les capturer et résister à la traînée d’écoulement 3,4,7. Cette approche nécessite des techniques de microfabrication qui atteignent des résolutions de l’ordre de quelques micromètres pour générer des structures micrométriques qui retiennent les microparticules.
Les techniques actuelles de microfabrication permettent la fabrication à haute résolution de structures allant de quelques microns à des centaines de nanomètres8. Cependant, bon nombre de ces techniques nécessitent un équipement spécialisé, coûteux ou compliqué. L’une des principales difficultés est la nécessité d’une salle blanche pour la fabrication des moules, qui reste coûteuse et chronophage 8,9. Récemment, les ingénieurs en microfluidique ont surmonté cet inconvénient en développant une variété de méthodes de fabrication alternatives, avec divers avantages tels que des coûts réduits, des délais d’exécution plus rapides, des matériaux et des outils moins chers et des fonctionnalités accrues8. De cette façon, le développement de nouvelles techniques de microfabrication a apporté des méthodes peu coûteuses, non salles blanches, qui atteignent des résolutions aussi basses que 10 μm8. Le modelage peut être utilisé directement sur un substrat sans générer un motif de moulage coûteux, évitant ainsi un processus fastidieux. Les méthodes de fabrication directe comprennent le fraisage CNC, l’ablation laser et la lithographie directe8. Toutes ces méthodes sont adaptées à la production de canaux à rapport d’aspect élevé dans une large gamme de matériaux, quelle que soit leur dureté9, permettant des géométries, des comportements physiques et des qualités nouveaux et avantageux dans les dispositifs microfluidiques8.
Le microfraisage CNC crée des structures à l’échelle microscopique à l’aide d’outils de coupe qui éliminent le matériau en vrac d’un substrat et constitue une méthode de fabrication efficace pour les dispositifs microfluidiques10,11. La technique de microfraisage peut être utile dans les applications microfluidiques pour créer des microcanaux et des caractéristiques directement sur la surface de travail, offrant un avantage clé : une pièce peut être fabriquée en peu de temps (moins de 30 min), ce qui réduit considérablement le délai d’exécution entre la conception et le prototype12. En outre, la grande disponibilité d’accessoires de coupe de différents matériaux, tailles et formes fait des fraiseuses CNC un outil approprié qui a permis la fabrication de différentes caractéristiques dans de nombreux types de matériaux jetables à faible coût13.
Parmi tous les matériaux couramment utilisés dans le microbroyage, les thermoplastiques restent un choix de premier plan en raison de leurs nombreuses propriétés favorables et de leur compatibilité avec les applications biologiques10,14. Les thermoplastiques sont un substrat attrayant pour les systèmes microfluidiques en raison de leurs avantages significatifs pour le développement de systèmes analytiques jetables à faible coût9. En outre, ces matériaux se prêtent très bien aux processus de fabrication à grand volume, ce qui les rend adaptés à la commercialisation et à la production de masse. Pour ces raisons, les thermoplastiques tels que le PMMA sont considérés comme des matériaux fiables et robustes depuis les premières années de la microfluidique10. Différents protocoles ont été décrits pour fabriquer des canaux fermés dans les thermoplastiques, tels que le collage par solvant15, le collage thermique 16 et le collage de surface ultraviolet (UV)/ozone17.
Dans de nombreux cas, la résolution de positionnement obtenue avec les microfraiseuses conventionnelles n’est pas suffisante pour certaines applications microfluidiques nécessitant des structures inférieures à 10 μm. Le microfraisage haut de gamme a une résolution suffisante. Malheureusement, en raison des prix élevés, son utilisation est limitée à une poignée d’utilisateurs12. Auparavant, notre groupe de recherche a rapporté la fabrication et la manipulation d’un outil à faible coût qui permet d’usiner des structures de moins de 10 μm, surmontant la résolution des fraiseuses conventionnelles12. Le luminaire est une plate-forme fabriquée par impression 3D avec une électronique simple, contenant trois actionneurs piézoélectriques. La surface contient des joints en forme de charnière qui permettent de la soulever lorsque les éléments piézoélectriques agissent simultanément. Le déplacement de l’axe Z peut être contrôlé avec une résolution de 500 nm et une précision de ±1,5 μm12.
Cet article présente les étapes du processus de fabrication d’un dispositif acrylique (PMMA) à travers une technique de microfraisage. La conception de la puce se compose d’un canal principal de 200 μm de large et 200 μm de haut et d’un canal latéral avec les mêmes dimensions pour purger le flux des réactifs. Dans la région centrale, le canal est interrompu par une restriction physique de seulement 5 μm de hauteur, fabriquée avec la plate-forme piézoélectrique imprimée en 3D réalisée par ce groupe12, pour capturer les microparticules magnétiques qui constituent un piège magnétique pour les nanoparticules en plaçant un aimant externe. Nous montrons le fonctionnement du dispositif microfluidique en effectuant un dosage immunologique pour détecter un anticorps commercial en utilisant le lysozyme comme antigène modèle conjugué à des nanoparticules magnétiques de 100 nm. Ce dispositif combine différentes caractéristiques qui le rendent unique4: l’utilisation de nanoparticules magnétiques comme support immunitaire réduit le temps total de test de quelques heures à quelques minutes; l’utilisation d’une enzyme fluorogénique pour la détection permet d’obtenir des limites de détection comparables à celles des tests immuno-enzymatiques standard (ELISA); et l’utilisation d’un thermoplastique comme matériau de fabrication le rend compatible avec la production de masse, ce qui n’était pas le cas pour les précédents pièges magnétiques de nanoparticules microfluidiques3, et en fait un excellent candidat pour développer le POCT.

<table border="1" fo:keep-together.within-page="1" fo:keep-with-next.within-page="always">
	<tbody>
		<tr>
			<td>0.008 Endmill</td>
			<td>KYOCERA SGS&#160;</td>
			<td>2204</td>
			<td>2FL 0.008x1/8x0.12x1-1/12</td>
		</tr>
		<tr>
			<td>0.032 Endmill</td>
			<td>KYOCERA SGS&#160;</td>
			<td>2228</td>
			<td>2FL 0.032x1/8x0.48x1-1/12</td>
		</tr>
		<tr>
			<td>Carbonyl-iron microparticles&#160;</td>
			<td>Sigma-Aldrich</td>
			<td>44890</td>
			<td>7 &#956;m&#160;</td>
		</tr>
		<tr>
			<td>Chloroform</td>
			<td>Fermont</td>
			<td>6201</td>
			<td>Health Hazard: Moderate 
			Flammability: None 
			Reactivity: None 
			Contact Hazard: Moderate&#160;</td>
		</tr>
		<tr>
			<td>CMOS camera Moment</td>
			<td>Teledyne Photometrics</td>
			<td></td>
			<td>Sensor Technology: CMOS 
			Quantum Efficiency: 73% 
			Pixel Size: 4.5 &#181;m x 4.5 &#181;m 
			Supported Interfaces: USB 3.2 Gen 2</td>
		</tr>
		<tr>
			<td>Dr Engrave Software</td>
			<td>Roland DGA Corporation</td>
			<td></td>
			<td>Engraving software to design and create the engraving path on the surface</td>
		</tr>
		<tr>
			<td>Extraction hood</td>
			<td>Unknown</td>
			<td>Unknown</td>
			<td></td>
		</tr>
		<tr>
			<td>Flexible Plastic Tubing</td>
			<td>Tygon</td>
			<td>AAD04103</td>
			<td>ID = 0.020, OD = 0.060</td>
		</tr>
		<tr>
			<td>Fluorescence microsope&#160;</td>
			<td>ZEISS</td>
			<td>Axio Vert.A1</td>
			<td></td>
		</tr>
		<tr>
			<td>High Precision Dispense Needle</td>
			<td>Loctite</td>
			<td>98612</td>
			<td></td>
		</tr>
		<tr>
			<td>Homemade piezoelectric controller application</td>
			<td>LabView&#160;</td>
			<td></td>
			<td>See reference 12 for more details.</td>
		</tr>
		<tr>
			<td>Loctite 495 instant adhesive</td>
			<td>Henkel</td>
			<td>49503</td>
			<td>Apply with micropipette tip or dispensing needle&#160;</td>
		</tr>
		<tr>
			<td>MagJET Separation Rack</td>
			<td>thermoscientific</td>
			<td></td>
			<td>12 x 1.5 mL</td>
		</tr>
		<tr>
			<td>Mechanic press</td>
			<td>Home-made</td>
			<td></td>
			<td></td>
		</tr>
		<tr>
			<td>Milling Machine</td>
			<td>Roland</td>
			<td>MDX-50</td>
			<td></td>
		</tr>
		<tr>
			<td>Piezoelectric platform&#160;</td>
			<td>Home-made</td>
			<td></td>
			<td>See reference 12</td>
		</tr>
		<tr>
			<td>Polymethylmethacrylate - Sheet - PMMA, Acrylic</td>
			<td>Goodfellow</td>
			<td>ME303018/1</td>
			<td>Thickness: 1.3 mm, Transparency: Clear/Transparent</td>
		</tr>
		<tr>
			<td>PVCamTest software</td>
			<td>Teledyne Photometrics</td>
			<td>Version 3.10.107&#160;</td>
			<td>Image acquisition software</td>
		</tr>
		<tr>
			<td>Stereo microscope</td>
			<td>Nikon</td>
			<td>SMZ 7457</td>
			<td></td>
		</tr>
		<tr>
			<td>SuperMag Carboxyl Beads</td>
			<td>Ocean NanoTech</td>
			<td>KSC0100</td>
			<td>100 nm</td>
		</tr>
		<tr>
			<td>Syringe pump</td>
			<td>kd Scientific</td>
			<td>&#160;KDS200</td>
			<td>Can hold up to two syringes</td>
		</tr>
		<tr>
			<td>Utrasonic bath</td>
			<td>Branson</td>
			<td>2800</td>
			<td></td>
		</tr>
		<tr>
			<td>VPanel software&#160;</td>
			<td>Windows OS</td>
			<td>Version 1.0.3.0</td>
			<td>Software for controlling the micromilling machine</td>
		</tr>
	</tbody>
</table>

computer numerical control micromilling of a microfluidic acrylic device with a staggered restriction for magnetic nanoparticle-based immunoassays

Les systèmes microfluidiques ont grandement amélioré les techniques d’immunoessais. Cependant, de nombreuses techniques de microfabrication nécessitent un équipement spécialisé, coûteux ou compliqué, ce qui rend la fabrication coûteuse et incompatible avec la production de masse, ce qui est l’une des conditions préalables les plus importantes pour que les tests au point de service (DPS) soient adoptés dans les milieux à faibles ressources. Ce travail décrit le procédé de fabrication d’un dispositif acrylique (polyméthacrylate de méthyle, PMMA) pour les tests immunologiques enzymatiques conjugués aux nanoparticules à l’aide de la technique de microbroyage à commande numérique par ordinateur (CNC). Le fonctionnement du dispositif microfluidique est démontré en effectuant un dosage immunologique pour détecter un anticorps commercial utilisant le lysozyme comme antigène modèle conjugué à des nanoparticules magnétiques de 100 nm. Ce dispositif intègre une restriction physique échelonnée de seulement 5 μm de hauteur, utilisée pour capturer les microparticules magnétiques qui composent un piège magnétique en plaçant un aimant externe. De cette façon, la force magnétique sur l’immunosupport des nanoparticules conjuguées est suffisante pour les capturer et résister à la traînée d’écoulement. Ce dispositif microfluidique est particulièrement adapté à la production de masse à faible coût sans perte de précision pour les performances des immunoessais.

Il a été possible d’établir un protocole de fabrication hautement reproductible qui améliore la résolution de la technique de microfraisage conventionnelle. En utilisant ce protocole, la fabrication d’un canal aussi petit que 5 μm de hauteur qui fonctionne comme une restriction échelonnée dans un canal de 200 μm de haut est réalisée. La conception simple de la restriction décalée capture les microparticules de fer de 7,5 μm de diamètre qui, lorsqu’elles sont compactées dans le microcanal, permettent...

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Computer Numerical Control Micromilling of a Microfluidic Acrylic Device with a Staggered Restriction for Magnetic Nanoparticle-Based Immunoassays

La microfluidique est un outil puissant pour le développement de tests diagnostiques. Cependant, des équipements et des matériaux coûteux, ainsi que des techniques de fabrication et de manutention laborieuses, sont souvent nécessaires. Ici, nous détaillons le protocole de fabrication d’un dispositif microfluidique acrylique pour les immunoessais magnétiques à base de micro et nanoparticules dans un environnement peu coûteux et simple d’utilisation.

Microbroyage à commande numérique par ordinateur d’un dispositif acrylique microfluidique avec restriction échelonnée pour les immunoessais à base de nanoparticules magnétiques

Microfluidic systems have greatly improved immunoassay techniques. However, many microfabrication techniques require specialized, expensive, or ...

Notre protocole décrit une méthode de microbroyage à haute résolution pour fabriquer un dispositif microfluidique acrylique pour l’immunodétection quantitative des concentrations d’analytes comparable à la technique ELISA de référence. Le point culminant est la fabrication d’un dispositif microfluidique thermoplastique simple et peu coûteux sans salle blanche, ce qui permet des temps d’analyse plus courts et de bonnes limites de détection de manière quantitative. Commencez par le meulage de surface.Découpez 9 rectangles de 25 millimètres de PMMA de 1,3 millimètre d’épaisseur avec le taillant de fraisage final de 800 micromètres. Fixez soigneusement l’un de ces rectangles avec du ruban adhésif double face à la plate-forme piézoélectrique. Connectez et placez le capteur Z sur la surface du rectangle en PMMA.Sélectionnez la broche de détection et déplacez-la sur la surface du capteur. Abaissez la broche manuellement sans entrer en contact avec le capteur. Activez le mode de détection Z-zero.Faites tourner le taillant d’extrémité de 200 micromètres à 14 500 tr/min. Abaissez-le lentement jusqu’à la coordonnée d’origine sur l’axe z. Réinitialisez ensuite l’axe z à 30 micromètres sous l’origine.Définissez cette coordonnée comme nouvelle origine Z. Cliquez sur le bouton Couper dans le logiciel de la microfraiseuse pour activer le panneau de coupe. Cliquez sur le bouton Ajouter et sélectionnez le fichier TXT avec un code créé précédemment pour le meulage de la surface acrylique.Cliquez sur le bouton Sortie pour démarrer le processus. Pour le fraisage de la restriction de cinq micromètres, réglez d’abord la vitesse de rotation du taillant de fraisage final à 11 000 tr/min. Ensuite, soulevez la plate-forme de 6,5 micromètres avec l’interface de la plate-forme piézoélectrique.Déplacez le taillant d’extrémité le long de l’axe y de 500 micromètres. Ramener la plate-forme piézoélectrique à sa valeur initiale sur l’axe z avec l’interface de contrôle. Ensuite, effectuez le fraisage des microcanaux en ouvrant le fichier de conception créé précédemment à partir du logiciel de conception.Cliquez sur le bouton Imprimer, accédez au menu des propriétés et cliquez sur la fenêtre couleur correspondant au calque contenant le dessin à usiner. Définissez les paramètres de fabrication dans le panneau d’outils. Pour le fraisage des trous, passez au taillant d’extrémité de 800 micromètres.Activez la couche de conception des trous de 1,2 millimètre de diamètre en cliquant sur la fenêtre de couleur correspondante et en sélectionnant les paramètres de fabrication correspondants. Usinez deux trous supplémentaires sur les coins controlatéraux du rectangle pour l’alignement de l’acrylique de manière inversée sur une nouvelle plate-forme. Retournez l’acrylique et collez-le avec du ruban adhésif double face sur l’adaptateur avec les piliers usinés.Ouvrez le fichier avec la conception des trous pour la face opposée du logiciel de conception. Fraisez la moitié restante des trous d’entrée et de sortie du réactif d’un diamètre de 1,5 millimètre et d’une profondeur de 0,7 millimètre. Nettoyez les deux feuilles rectangulaires en acrylique avec de l’alcool isopropylique et rincez à l’eau distillée.Plongez l’acrylique dans un bain à ultrasons pendant 10 minutes. Sécher les deux feuilles d’acrylique et les coller à l’intérieur d’un couvercle en verre de la boîte de Petri avec du ruban adhésif double face. Ensuite, placez la base de la boîte de Petri en verre à l’intérieur d’une boîte de Petri en verre plus grande.Versez un millilitre de chloroforme dans la base de la boîte de Petri et placez rapidement le couvercle avec les feuilles d’acrylique. Ajouter immédiatement de l’eau distillée à la base de la plus grande boîte de Petri jusqu’au niveau du couvercle de la boîte de Pétri. Laisser l’acrylique exposé au gaz chloroforme pendant une minute.Ensuite, inclinez la boîte de Petri pour briser le joint d’eau et découvrez immédiatement la boîte de Pedia. Pour le collage, aligner les deux acryliques avec les côtés exposés au chloroforme face à face et former un sandwich. Placez les acryliques dans la presse pendant deux intervalles de deux minutes, en modifiant l’alignement de l’acrylique.Ensuite, fixez deux à trois centimètres de tuyau à chacun des trous de l’appareil avec un adhésif liquide à séchage instantané. Remplissez les canaux avec de l’eau distillée à l’aide d’une seringue. Plongez l’appareil dans un bain à ultrasons pendant 10 minutes.Videz ensuite l’eau à l’intérieur des canaux de l’appareil et utilisez une seringue pour introduire une solution de BSA à 5%. Préparer une suspension de microparticules de fer de diamètre à 7,5 micromètres dans 5% BSA. Incuber la puce et la suspension de microparticules avec la solution bloquante pendant au moins une heure à température ambiante.Ensuite, insérez les microparticules dans la puce avec une aiguille de seringue à travers le tuyau de sortie du canal latéral. Placez la puce verticalement, puis faites pivoter la puce en deux étapes de 90 degrés de sorte que les microparticules ciblent et se compactent à la restriction de cinq micromètres. Scellez tous les tuyaux de l’appareil en acrylique avec de la chaleur.Coupez le tuyau d’admission jusqu’à ce qu’il ne reste que quelques millimètres. Remplissez l’aiguille de distribution avec un tampon de lavage et insérez-la dans le tuyau coupé. Laissez la solution s’égoutter, puis connectez l’aiguille à l’appareil.Coupez le tuyau de sortie du canal latéral, puis connectez-le à la pompe à seringue. Ensuite, répétez la même procédure pour le tuyau de sortie du canal principal. Ensuite, fixez la puce à l’aimant.Pour l’immunodétection, maintenez le tampon de lavage en écoulement pendant 10 minutes à 50 microlitres par heure. Retirez le tampon de lavage restant de l’aiguille de distribution à l’aide d’une micropipette et ajoutez 50 microlitres de la suspension de nanoparticules. Écoulez la suspension de nanoparticules pendant sept minutes à un débit de 100 microlitres par heure.Ensuite, modifiez le débit à 50 microlitres par heure et continuez le flux pendant encore 15 minutes. Changez l’aiguille de distribution et faites couler le tampon de lavage pendant 10 minutes au même rythme. Retirez le tampon de lavage restant de l’aiguille de distribution à l’aide d’une micropipette et ajoutez 100 microlitres du substrat fluorogénique.Ajustez les paramètres de débit et de temps pour l’entrée du substrat, la mesure de fluorescence et l’étape de lavage. Activer le flux d’entrée du substrat fluorogénique pendant six minutes à 50 microlitres par heure. 15 secondes avant l’arrêt de l’écoulement du substrat, activez la fluorescence du microscope.Démarrez la capture d’image avec le logiciel de la caméra de microscope 10 secondes avant l’arrêt du substrat avec un temps d’exposition de 1 000 millisecondes. Cliquez sur le bouton Démarrer du paramètre de débit souhaité immédiatement après l’arrêt du lavage du substrat. Effectuez des images pendant six minutes à raison d’une image par seconde.Cliquez sur le bouton Démarrer du flux de lavage immédiatement après l’arrêt du débit de mesure sélectionné. Des nanoparticules conjuguées au lysozyme et des anticorps secondaires conjugués à la peroxydase de raifort ont été utilisés pour le dosage immunologique. Une augmentation de l’intensité de fluorescence pour différentes concentrations d’anticorps primaires a été observée en comparant les régions avant et après le piège, montrant que le changement de fluorescence du substrat est directement proportionnel à la concentration d’anticorps primaires.Pour une concentration donnée d’anticorps primaires, l’intensité de fluorescence a été tracée en fonction du temps à différents débits du substrat fluorogénique. La capacité de conversion du substrat par l’enzyme HRP était inversement proportionnelle au débit, une intensité maximale a été obtenue pour un débit d’un microlitre par heure. Pour les différents débits pour diverses concentrations d’anticorps primaires, les courbes des différences de fluorescence après et avant immunoréaction ont montré que pour une concentration de 1 000 nanogrammes par millilitre, la fluorescence sature pour tous les débits évalués.Une courbe d’étalonnage a été préparée en utilisant la valeur maximale des différences d’intensité de fluorescence obtenues par rapport à la concentration d’anticorps primaires pour chaque débit. La grande variabilité et les niveaux de fluorescence élevés à un microlitre par heure suggèrent que la vitesse ne favorise pas l’écoulement du substrat réactif et tend à s’accumuler juste après le piège. Une attention particulière doit être accordée aux étapes d’étanchéité des microcanaux car l’exposition au chloroforme est très sensible à la température.Pour des résultats reproductibles, la température doit toujours être la même. Notre système aide à comprendre où la compacité et la taille des microparticules, la taille des nanoparticules, les antigènes, les anticorps de détection et le substrat sont des facteurs déterminants pour la limite de détection dans le dosage immunofluidique microfluidique à base de nanoparticules.

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