מיקרומילינג בקרה נומרי ממוחשב של מכשיר אקרילי מיקרופלואידי עם הגבלה מדורגת עבור בדיקות חיסוניות מבוססות ננו-חלקיקים מגנטיים

בשנים האחרונות, מיקרופלואידיקה מילאה תפקיד חשוב בטכניקות אימונואסאי¹. לטכנולוגיית המזעור יש יתרונות בולטים רבים בהשוואה לחיסוניות מסורתיות, כגון צריכת דגימה וריאגנטים מופחתת, זמני דגירה קצרים יותר, החלפת פתרונות יעילה ואינטגרציה ואוטומציה גבוהות יותר².

יתר על כן, מערכות מיקרופלואידיות ב- immunoassays, בשיתוף עם ננו-חלקיקים מגנטיים כתמיכה חיסונית, מפחיתות במידה ניכרת את זמני הדגירה, ומשיגות רגישות גילוי גבוהה בשל היחס המוגבר בין פני השטח לנפח³. תנועה בראונית של החלקיקים משפרת את קינטיקה התגובה במהלך היווצרות קומפלקס אנטיגן-נוגדנים ^4,5. יתר על כן, התכונות המגנטיות של ננו-חלקיקים מספקות את הרבגוניות שיש לשלב בתצורות שונות של התקנים מיקרופלואידיים, מה שהופך אותם למועמדים אידיאליים לאיתות וללכידת מולקולות במערכות ביוסנסינג ממוזערות על השבב⁵. עם זאת, הכוחות המגנטיים חלשים משמעותית מכוחות הגרר בקנה מידה ננומטרי בשל היחס הגבוה בין פני השטח לנפח⁶. לכן, לכידת ננו-חלקיקים עבור שלבים חיוניים של בדיקה חיסונית כגון שטיפה וזיהוי יכולה להיות מאתגרת, ומגנט קונבנציונלי אינו מספיק⁴.

דרך יעילה לתמרן את הננו-חלקיקים היא שימוש במלכודת מגנטית מיקרופלואידית הנוצרת על ידי מיקרו-חלקיקי ברזל, הארוזים במבנה מיקרופלואידי³. לכן, כאשר מגנט חיצוני מתקרב, נוצרת אינטראקציה מורכבת בתוך התווך הנקבובי הממוגנט בין הכוחות המגנטיים לכוחות השטף. הכוח המגנטי הפועל על הננו-חלקיקים חזק מספיק כדי ללכוד אותם ולהתנגד לגרר זרימה ^3,4,7. גישה זו דורשת טכניקות מיקרו-פבריקציה שמשיגות רזולוציות בסדר גודל של כמה מיקרומטרים כדי ליצור מבנים מיקרומטריים ששומרים על המיקרו-חלקיקים.

טכניקות המיקרו-פבריקציה הנוכחיות מאפשרות ייצור ברזולוציה גבוהה של מבנים ממיקרונים בודדים ועד מאות ננומטרים⁸. עם זאת, רבות מהטכניקות הללו דורשות ציוד מיוחד, יקר או מסובך. אחד הקשיים העיקריים הוא הדרישה לחדר נקי לייצור עובש, שנותר יקר וגוזל זמן^{רב 8,9.} לאחרונה, מהנדסים microfluidic התגברו על חיסרון זה על ידי פיתוח מגוון של שיטות ייצור חלופיות, עם יתרונות שונים כגון עלויות מופחתות, זמני אספקה מהירים יותר, חומרים וכלים זולים יותר, ופונקציונליות מוגברת⁸. בדרך זו, הפיתוח של טכניקות מיקרו-פבריקציה חדשות הביא לשיטות בעלות נמוכה, שאינן נקיות, המשיגות רזולוציות נמוכות עד 10 מיקרומטר⁸. ניתן להשתמש בדפוסים ישירות על מצע מבלי ליצור תבנית יציקה יקרה, ובכך להימנע מתהליך גוזל זמן. שיטות ייצור ישירות כוללות כרסום CNC, אבלציה בלייזר וליתוגרפיה ישירה⁸. כל השיטות הללו מתאימות לייצור תעלות בעלות יחס רוחב-גובה גבוה במגוון רחב של חומרים, ללא קשר לקשיותן⁹, ומאפשרות גיאומטריות, התנהגויות פיזיקליות ואיכויות חדשות ומועילות בהתקנים מיקרופלואידיים⁸.

מיקרומילינג CNC יוצר מבנים בקנה מידה זעיר באמצעות כלי חיתוך המסירים חומר בתפזורת ממצע ומהווה שיטת ייצור יעילה להתקנים מיקרופלואידיים^10,11. טכניקת המיקרומילינג יכולה להיות שימושית ביישומים מיקרופלואידיים ליצירת מיקרו-ערוצים ותכונות ישירות על משטח העבודה, ומציעה יתרון מרכזי: ניתן לייצר חומר עבודה בזמן קצר (פחות מ-30 דקות), ובכך להפחית משמעותית את זמן האספקה מתכנון לאב טיפוס¹². בנוסף, הזמינות הרחבה של אביזרי חיתוך מחומרים, גדלים וצורות שונות הופכת את מכונות כרסום CNC לכלי מתאים שאיפשר ייצור תכונות שונות בסוגים רבים של חומרים חד פעמיים בעלות נמוכה¹³.

מבין כל החומרים הנפוצים בשימוש במיקרומיל, תרמופלסטיקה נותרה בחירה מובילה בשל תכונותיהם החיוביות הרבות ותאימותם ליישומים ביולוגיים^10,14. תרמופלסטיקה היא מצע אטרקטיבי למערכות מיקרופלואידיות בשל יתרונותיה המשמעותיים לפיתוח מערכות אנליטיות חד פעמיות בעלות נמוכה⁹. בנוסף, חומרים אלה מקובלים מאוד על תהליכי ייצור בנפח גבוה, מה שהופך אותם מתאימים למסחור וייצור המוני. מסיבות אלה, תרמופלסטיקה כגון PMMA נחשבה לחומרים אמינים וחזקים מאז השנים הראשונות של מיקרופלואידיקה¹⁰. פרוטוקולים שונים תוארו כדי לייצר תעלות סגורות בתרמופלסטיקה, כגון מליטה ממס¹⁵, מליטה בחום 16, ומליטה אולטרה סגולה (UV)/אוזון טיפול פני שטח¹⁷.

במקרים רבים, רזולוציית המיקום שהושגה באמצעות מכונות מיקרומילינג קונבנציונליות אינה מספיקה עבור יישומים מיקרופלואידיים מסוימים הדורשים מבנים הקטנים מ-10 מיקרומטר. למיקרומילינג מתקדם יש רזולוציה מספקת. למרבה הצער, בשל מחירים גבוהים, השימוש בו מוגבל לקומץ משתמשים¹². בעבר, קבוצת המחקר שלנו דיווחה על ייצור ומניפולציה של כלי בעלות נמוכה המאפשר מבני עיבוד שבבי של פחות מ -10 מיקרומטר, תוך התגברות על הרזולוציה של מכונות כרסום קונבנציונליות¹². המתקן הוא פלטפורמה המיוצרת על ידי הדפסה תלת מימדית עם אלקטרוניקה פשוטה, המכילה שלושה מפעילים פיאזואלקטריים. המשטח מכיל חיבורים בצורת ציר המאפשרים לו להיות מורם כאשר האלמנטים הפיאזואלקטריים פועלים בו זמנית. ניתן לשלוט בתזוזה של ציר Z ברזולוציה של 500 ננומטר ובדיוק של ±1.5 מיקרומטר¹².

מאמר זה מציג את שלבי תהליך הייצור של מכשיר אקרילי (PMMA) באמצעות טכניקת מיקרומילינג. עיצוב השבב מורכב מערוץ ראשי ברוחב 200 מיקרומטר ובגובה 200 מיקרומטר וערוץ צדדי עם אותם ממדים כדי לטהר את זרימת הריאגנטים. באזור המרכז, הערוץ מופרע על ידי הגבלה פיזיקלית של גובה של 5 מיקרומטר בלבד, המיוצרת עם הפלטפורמה הפיאזואלקטרית המודפסת בתלת-ממד מתוצרת קבוצה^{זו 12}, כדי ללכוד מיקרו-חלקיקים מגנטיים המרכיבים מלכודת מגנטית עבור ננו-חלקיקים על ידי הצבת מגנט חיצוני. אנו מראים את פעולתו של המכשיר המיקרופלואידי על ידי ביצוע בדיקה חיסונית לאיתור נוגדן מסחרי באמצעות ליזוזים כאנטיגן מודל המצומד לננו-חלקיקים מגנטיים של 100 ננומטר. מכשיר זה משלב תכונות שונות שהופכות אותו לייחודי⁴: השימוש בננו-חלקיקים מגנטיים כתמיכה במערכת החיסון מפחית את זמן הבדיקה הכולל משעות לדקות; שימוש באנזים פלואורוגני לזיהוי מאפשר מגבלות זיהוי דומות לאלה של בדיקות אימונוסורבנט סטנדרטיות הקשורות לאנזים (ELISAs); והשימוש בתרמופלסטי כחומר ייצור הופך אותו לתואם לייצור המוני, מה שלא היה המקרה של ננו-חלקיקים מיקרופלואידיים קודמים^3, והופך אותו למועמד מצוין לפיתוח POCT.