Computer numerisk kontrol Mikrofræsning af en mikrofluidisk akrylenhed med en forskudt begrænsning for magnetiske nanopartikelbaserede immunoassays

I de senere år har mikrofluidik spillet en vigtig rolle i immunassayteknikker¹. Miniaturiseringsteknologi har mange fremragende fordele sammenlignet med traditionelle immunassays, såsom reduceret prøve- og reagensforbrug, kortere inkubationstider, effektiv løsningsudveksling og højere integration og automatisering².

Desuden reducerer mikrofluidiske systemer i immunassays i forbindelse med magnetiske nanopartikler som immunstøtte inkubationstiderne betydeligt og opnår høj detektionsfølsomhed på grund af det øgede overflade-til-volumen-forhold³. Brownsk bevægelse af partiklerne forbedrer reaktionskinetikken under dannelsen af antigen-antistofkomplekset ^4,5. Desuden giver nanopartiklernes magnetiske egenskaber alsidigheden, der skal integreres i forskellige mikrofluidiske enhedskonfigurationer, hvilket gør dem til en ideel kandidat til signalering og molekylefangst i miniaturiserede on-chip biosensingsystemer⁵. Magnetiske kræfter er dog betydeligt svagere end trækkræfter på nanometerskalaen på grund af det høje forhold mellem overflade og volumen⁶. Derfor kan det være udfordrende at fange nanopartikler til vigtige immunassaytrin såsom vask og detektion, og en konventionel magnet er utilstrækkelig⁴.

En effektiv måde at manipulere nanopartiklerne på er brugen af en mikrofluidisk magnetisk fælde dannet af jernmikropartikler, som er pakket i en mikrofluidisk struktur³. Derfor, når en ekstern magnet nærmer sig, skabes en kompleks interaktion inden for det magnetiserede porøse medium mellem magnetiske og fluxkræfter. Den magnetiske kraft, der virker på nanopartiklerne, er stærk nok til at fange dem og modstå strømningstræk ^3,4,7. Denne tilgang kræver mikrofabrikationsteknikker, der opnår opløsninger i størrelsesordenen et par mikrometer for at generere mikrometriske strukturer, der bevarer mikropartiklerne.

Nuværende mikrofabrikationsteknikker tillader fremstilling af strukturer i høj opløsning fra et par mikron til hundreder af nanometer⁸. Imidlertid kræver mange af disse teknikker specialiseret, dyrt eller kompliceret udstyr. En af de største vanskeligheder er kravet om et renrum til fremstilling af skimmelsvamp, som fortsat er dyrt og tidskrævende ^8,9. For nylig har mikrofluidiske ingeniører overvundet denne ulempe ved at udvikle en række alternative fremstillingsmetoder med forskellige fordele såsom reducerede omkostninger, hurtigere behandlingstider, billigere materialer og værktøjer og øget funktionalitet⁸. På denne måde bragte udviklingen af nye mikrofabrikationsteknikker billige, ikke-renrumsmetoder, der opnår opløsninger så lave som 10 μm⁸. Mønster kan bruges direkte på et substrat uden at generere et dyrt støbemønster og dermed undgå en tidskrævende proces. Direkte fabrikationsmetoder omfatter CNC-fræsning, laserablation og direkte litografi⁸. Alle disse metoder er egnede til fremstilling af kanaler med højt aspektforhold i en bred vifte af materialer, uanset deres hårdhed⁹, hvilket muliggør nye og fordelagtige geometrier, fysisk adfærd og kvaliteter i mikrofluidiske enheder⁸.

CNC-mikrofræsning skaber mikroskalastrukturer ved hjælp af skæreværktøjer, der fjerner bulkmateriale fra et substrat og er en effektiv fremstillingsmetode til mikrofluidiske enheder^10,11. Mikrofræseteknikken kan være nyttig i mikrofluidiske applikationer til at skabe mikrokanaler og funktioner direkte på arbejdsfladen, hvilket giver en vigtig fordel: et emne kan fremstilles på kort tid (mindre end 30 min.), hvilket reducerer behandlingstiden betydeligt fra design til prototype¹². Derudover gør den brede tilgængelighed af skæretilbehør af forskellige materialer, størrelser og former CNC-fræsemaskiner til et passende værktøj, der har gjort det muligt at fremstille forskellige funktioner i mange typer billige engangsmaterialer¹³.

Blandt alle de materialer, der almindeligvis anvendes til mikrofræsning, forbliver termoplast et førende valg på grund af deres mange gunstige egenskaber og kompatibilitet med biologiske anvendelser^10,14. Termoplast er et attraktivt substrat for mikrofluidiske systemer på grund af deres betydelige fordele ved udvikling af billige engangsanalysesystemer⁹. Derudover er disse materialer meget modtagelige for fremstillingsprocesser med høj volumen, hvilket gør dem velegnede til kommercialisering og masseproduktion. Af disse grunde er termoplast som PMMA blevet betragtet som pålidelige og robuste materialer siden de tidlige år af mikrofluidik¹⁰. Forskellige protokoller er blevet beskrevet for at fremstille lukkede kanaler i termoplast, såsom opløsningsmiddelbinding¹⁵, varmebinding 16 og ultraviolet (UV) / ozonoverfladebehandlingsbinding¹⁷.

I mange tilfælde er den positioneringsopløsning, der opnås med konventionelle mikrofræsemaskiner, ikke tilstrækkelig til nogle mikrofluidiske applikationer, der kræver strukturer mindre end 10 μm. High-end mikrofræsning har tilstrækkelig opløsning. På grund af høje priser er brugen desværre begrænset til en håndfuld brugere¹². Tidligere rapporterede vores forskningsgruppe fabrikation og manipulation af et billigt værktøj, der muliggør bearbejdning af strukturer på mindre end 10 μm, hvilket overvinder opløsningen af konventionelle fræsemaskiner¹². Armaturet er en platform fremstillet ved 3D-print med simpel elektronik, der indeholder tre piezoelektriske aktuatorer. Overfladen indeholder hængselformede samlinger, der gør det muligt at løfte det, når de piezoelektriske elementer virker samtidigt. Z-aksens forskydning kan styres med en opløsning på 500 nm og en nøjagtighed på ±1,5 μm¹².

Dette papir præsenterer trinene i fremstillingsprocessen for en akrylanordning (PMMA) gennem en mikrofræsningsteknik. Chipdesignet består af en hovedkanal 200 μm bred og 200 μm høj og en sidekanal med samme dimensioner for at rense strømmen af reagenserne. I den centrale region afbrydes kanalen af en fysisk begrænsning på kun 5 μm i højden, fremstillet med den 3D-printede piezoelektriske platform fremstillet af denne gruppe¹², for at fange magnetiske mikropartikler, der udgør en magnetisk fælde for nanopartikler ved at placere en ekstern magnet. Vi viser driften af den mikrofluidiske enhed ved at udføre et immunoassay for at detektere et kommercielt antistof ved hjælp af lysozym som et modelantigen konjugeret til 100 nm magnetiske nanopartikler. Denne enhed kombinerer forskellige funktioner, der gør den unik⁴: brugen af magnetiske nanopartikler som immunstøtte reducerer den samlede testtid fra timer til minutter; anvendelse af et fluorogent enzym til påvisning giver mulighed for detektionsgrænser, der kan sammenlignes med dem, der gælder for standardenzymbundne immunosorbentassays (ELISA’er); og brugen af en termoplast som fabrikationsmateriale gør den kompatibel med masseproduktion, hvilket ikke var tilfældet for tidligere mikrofluidiske nanopartiklers magnetiske fælder³, og gør det til en fremragende kandidat til at udvikle POCT.