Dator numerisk kontroll Micromilling av en mikrofluidisk akrylanordning med en förskjuten begränsning för magnetiska nanopartikelbaserade immunanalyser

Under de senaste åren har mikrofluidik spelat en viktig roll i immunanalystekniker¹. Miniatyriseringsteknik har många enastående fördelar jämfört med traditionella immunanalyser, såsom minskad prov- och reagensförbrukning, kortare inkubationstider, effektivt lösningsutbyte och högre integration och automatisering².

Dessutom minskar mikrofluidiska system i immunanalyser, i kombination med magnetiska nanopartiklar som immunstöd, avsevärt inkubationstiderna och uppnår hög detektionskänslighet på grund av det ökade yt-till-volym-förhållandet³. Partiklarnas bruna rörelse förbättrar reaktionskinetiken under bildandet av antigen-antikroppskomplexet ^4,5. Dessutom ger nanopartiklarnas magnetiska egenskaper mångsidigheten att integreras i olika mikrofluidiska enhetskonfigurationer, vilket gör dem till en idealisk kandidat för signalering och molekylfångst i miniatyriserade biosensingsystem på chip⁵. Magnetiska krafter är emellertid betydligt svagare än dragkrafter på nanometerskalan på grund av det höga förhållandet mellan yta och volym⁶. Därför kan det vara utmanande att fånga nanopartiklar för viktiga immunanalyssteg som tvätt och detektion, och en konventionell magnet är otillräcklig⁴.

Ett effektivt sätt att manipulera nanopartiklarna är användningen av en mikrofluidisk magnetisk fälla bildad av järnmikropartiklar, som är förpackade i en mikrofluidisk struktur³. Därför, när en extern magnet närmar sig, skapas en komplex interaktion inom det magnetiserade porösa mediet mellan magnet- och flödeskrafterna. Den magnetiska kraften som verkar på nanopartiklarna är tillräckligt stark för att fånga dem och motstå flödesmotstånd ^3,4,7. Detta tillvägagångssätt kräver mikrofabrikationstekniker som uppnår upplösningar i storleksordningen några mikrometer för att generera mikrometriska strukturer som behåller mikropartiklarna.

Nuvarande mikrofabrikationstekniker möjliggör högupplöst tillverkning av strukturer från några mikron till hundratals nanometer⁸. Många av dessa tekniker kräver dock specialiserad, dyr eller komplicerad utrustning. En av de största svårigheterna är kravet på ett renrum för formtillverkning, vilket fortfarande är dyrt och tidskrävande ^8,9. Nyligen har mikrofluidiska ingenjörer övervunnit denna nackdel genom att utveckla en mängd alternativa tillverkningsmetoder, med olika fördelar som minskade kostnader, snabbare handläggningstider, billigare material och verktyg och ökad funktionalitet⁸. På detta sätt medförde utvecklingen av nya mikrofabrikationstekniker billiga, icke-renrumsmetoder som uppnår upplösningar så låga som 10 μm⁸. Mönstring kan användas direkt på ett substrat utan att generera ett dyrt formmönster, vilket undviker en tidskrävande process. Direkta tillverkningsmetoder inkluderar CNC-fräsning, laserablation och direkt litografi⁸. Alla dessa metoder är lämpliga för att producera kanaler med hög aspektförhållande i ett brett spektrum av material, oavsett hårdhet⁹, vilket möjliggör nya och fördelaktiga geometrier, fysiska beteenden och kvaliteter i mikrofluidiska enheter⁸.

CNC-mikrofräsning skapar strukturer i mikroskala med hjälp av skärverktyg som tar bort bulkmaterial från ett substrat och är en effektiv tillverkningsmetod för mikrofluidiska enheter^10,11. Mikrofräsningstekniken kan vara användbar i mikrofluidiska applikationer för att skapa mikrokanaler och funktioner direkt på arbetsytan, vilket ger en viktig fördel: ett arbetsstycke kan tillverkas på kort tid (mindre än 30 minuter), vilket avsevärt minskar handläggningstiden från design till prototyp¹². Dessutom gör den stora tillgången på skärtillbehör av olika material, storlekar och former CNC-fräsmaskiner till ett lämpligt verktyg som har möjliggjort tillverkning av olika funktioner i många typer av billiga engångsmaterial¹³.

Bland alla material som vanligtvis används vid mikrofräsning är termoplaster fortfarande ett ledande val på grund av deras många gynnsamma egenskaper och kompatibilitet med biologiska tillämpningar^10,14. Termoplaster är ett attraktivt substrat för mikrofluidiska system på grund av deras betydande fördelar för att utveckla billiga engångsanalyssystem⁹. Dessutom är dessa material mycket mottagliga för tillverkningsprocesser med hög volym, vilket gör dem lämpliga för kommersialisering och massproduktion. Av dessa skäl har termoplaster som PMMA ansetts vara pålitliga och robusta material sedan de första åren av mikrofluidik¹⁰. Olika protokoll har beskrivits för att tillverka slutna kanaler i termoplaster, såsom lösningsmedelsbindning¹⁵, värmebindning 16 och ultraviolett (UV) / ozonytbehandlingsbindning¹⁷.

I många fall är positioneringsupplösningen som uppnås med konventionella mikrofräsmaskiner inte tillräcklig för vissa mikrofluidiska applikationer som kräver strukturer mindre än 10 μm. High-end micromilling har tillräckligt med upplösning. Tyvärr, på grund av höga priser, är dess användning begränsad till en handfull användare¹². Tidigare rapporterade vår forskargrupp tillverkning och manipulation av ett billigt verktyg som möjliggör bearbetning av strukturer på mindre än 10 μm, vilket övervinner upplösningen hos konventionella fräsmaskiner¹². Fixturen är en plattform tillverkad av 3D-utskrift med enkel elektronik, innehållande tre piezoelektriska ställdon. Ytan innehåller gångjärnsformade fogar som gör att den kan lyftas när de piezoelektriska elementen verkar samtidigt. Z-axelförskjutning kan styras med en upplösning på 500 nm och en noggrannhet på ±1,5 μm¹².

Detta dokument presenterar stegen i tillverkningsprocessen för en akrylanordning (PMMA) genom en mikromillingteknik. Spåndesignen består av en huvudkanal 200 μm bred och 200 μm hög och en sidokanal med samma dimensioner för att rensa flödet av reagenserna. I den centrala regionen avbryts kanalen av en fysisk begränsning på endast 5 μm i höjd, tillverkad med den 3D-tryckta piezoelektriska plattformen tillverkad av denna grupp¹², för att fånga magnetiska mikropartiklar som utgör en magnetisk fälla för nanopartiklar genom att placera en extern magnet. Vi visar hur den mikrofluidiska anordningen fungerar genom att utföra en immunanalys för att detektera en kommersiell antikropp med hjälp av lysozym som ett modellantigen konjugerat till 100 nm magnetiska nanopartiklar. Denna enhet kombinerar olika funktioner som gör den unik⁴: användningen av magnetiska nanopartiklar som immunstöd minskar den totala testtiden från timmar till minuter; Användning av ett fluorogent enzym för detektion möjliggör detektionsgränser som är jämförbara med dem för standardenzymbundna immunosorbentanalyser (ELISA). och användningen av en termoplast som tillverkningsmaterial gör den kompatibel med massproduktion, vilket inte var fallet för tidigare mikrofluidiska nanopartiklars magnetiska fällor³, och gör det till en utmärkt kandidat att utveckla POCT.