誘電泳動(DEP)は、細胞を操作するために有効な方法である。プリント回路基板(PCB)は、マイクロ流体デバイス内に非接触で細胞操作のために、安価な再利用可能で効果的な電極を提供することができます。プリント基板上にカバーグラスを持つPDMSベースのマイクロ流体チャネルを組み合わせることで、我々は、マルチチャンネルマイクロ流体デバイス内でビーズと細胞操作と分離を示しています。
マイクロ流体デバイスは、細胞を選別し、計数、操作、勉強のためにセルの規模で動的な流体環境を提供することにより、細胞の研究を進めてきた。しかし、流体領域内のセルを操作することが課題のままとバルブと電極を形成するための複雑な製造プロトコルを必要とする、または光ピンセットのような特殊機器を必要とします。ここで、我々は(PCB)は、従来のプリント回路基板を示すbioactuationするため、およびマルチチャネルマイクロ流体の細胞とビーズの分離のための層流の分野でのビーズと細胞操作のための採用誘電泳動(DEP)による細胞の非接触操作に使用することができますデバイス。最初に、我々は、DEPの電極とマイクロ流体デバイスの組み立て、およびDEPのために細胞を調製するためのプロトコルを提示する。その後、我々は、ポリスチレンビーズでDEPの動作を特徴付ける。最後に、我々は、マルチチャンネルマイクロ流体デバイスのビーズと細胞分離の代表的な結果を示す。要約すると、DEPは、マイクロ流体デバイス内での粒子(ビーズまたはセル)を操作するための効果的な方法です。
マイクロ流体デバイスの細胞操作では、ソートまたは単一細胞の選択的配置、または人口調査のための望ましい2層流をマイクロ流体デバイス内のセルを操作するためのバルブとポンプと組み合わせて使用されている。しかし、単独でこれらのメソッドは、チャレンジングなものであり、詳細な製造プロセスやスキルを必要とする3遠心分離は、セルの配置のための要求を簡素化することができますが、同時イメージングが課題となって、希望する操作と考えると効果を設計する際に、さらに、遠心分離用チャネルのアーキテクチャは、慎重に検討する必要があります。求心力の4レーザーピンセットは、セルの配置に使用することができますが、方式はコストとハイスループット細胞選別のための従順ではない。しかし、5、DEPが有効なセル配置のための"電気ピンセット"の効果的なシステムとして実証されている、特性評価と操作。6,7
特に、DEPは、細胞塊の測定のために共鳴センサーの細胞を収集するための7-10と、選択的に生活と死細胞のオンチップ処理のために細胞を捕捉し、ソートするために使用されています。11我々は以前にDEPを増やすことによっていることを実証した流体抗力上記細菌またはビーズ上での力、ポリスチレンビーズ及びリステリアモノサイトゲネスV7のオンチップ濃度とトラッピングを達成することができる。E. 12混合集団は、 大腸菌とL.リステリア菌の細菌はまた、DEPのパルスによって誘導し、リリースすることができます。小さ な粒子が捕捉されていませんが、流体の流れで削除されるのに対し、さらに、より大きな粒子は、差動、大きな粒径に基づいて、電極上に捕捉、濃縮することができます。13 DEPの力が粒子上に流体ドラッグする力を克服していないときは、ビーズや細胞がキャプチャではなく、流体ストリーム内で移動されていません。図2Cに示すように、ビーズは中央のチャネルでビーズを保持するのに十分な流体の流れの中央部に集中することができます。これは、DEPが強制的に、これらの組み合わせ、または他のいくつかの未定義の効果をドラッグするよりも大きい流体速度の電界内の粒子間の粒子の影響の相乗効果が原因である可能性があります。
非接触DEPの新しい進歩は、このようにDEP操作中に、最大限に、細胞の種類を保護する、必要最小限のフィールドで、セルのキャプチャと操作を最大化を可能にする。1,9接触DEPは、ソートのためのマイクロ流体のコミュニティへの約束、収集とポジショニングの細胞を提供していますマイクロ流体デバイス内で。我々は、増加の需要、およびマイクロ流体デバイス内で操作するためのDEPの実装で、更なる発見と技術革新がDEP力の理解と影響力を拡大すると予想している。
PCBは、その実用化のための良いプラットフォームを作り、迅速な製造の所要時間と手頃な価格で大量生産工程を経て製造することができる。さらに、PCB類は使いやすく、オンチップ細胞操作やソートのための分野の範囲での科学者のためにアクセス可能です。
PCBの電極のレイアウトを設計する際に、考慮が必要な粒子/細胞軌道に与えられるべきである。検討のための主要な要因は、粒子サイズと種類(ビーズおよび/または細胞)、細胞型、マイクロサイズ、流速、電極間隔(電界強度を決定する)、カバーの厚さ、および流体の導電性が含まれています。これらの要因は、粒子または細胞、および最終的には分離効率を操作するために必要な、利用可能な力に影響を与える。ここで紹介する我々のプロトコルは、ミクロスフェアおよび細胞分離のためにDEPを開始するための効果的なセットアップを示しています。潜在的なアプリケーションの場合、ユーザーは各アプリケーションの効率を最適化するために、細胞とビーズの所望の流路だけでなく、電極パターンとマイクロ流体チャネルの設計のアーキテクチャと一致している必要があります。電極間隔とカバーガラスの厚みは、マイクロ流体チャネルのレイアウトを設計する以前に報告されたガイドラインに従って使用することができます1。
細胞はそのまま維持しながら細胞/粒子と周囲の媒体の導電率と誘電率は、正または負のDEPを容易にするために十分異なっている必要があります。球状粒子のDEPの極性は、DEPの電圧の周波数ωで、次のクラウジウス – Mosotti因子の複雑な値の実数部から決定することができます。
式(1)
この式のεに、誘電率、σは導電性であり、そしてε*は複素誘電率である。添え字のpとmそれぞれ、粒子やメディアを表す。セルがメディアよりも高い誘電率を持っている、またはクラウジウス – Mosotti係数の実部が正になるときは、粒子は周囲の媒体よりも偏光になります。不均一な電界により、粒子の偏光が不均一になり、これは、より高い電界強度を持つ地域に向けてセルを描画するポジティブDEP(+ DEP)力を作成します。細胞が周囲の媒体よりも低い誘電率、またはクラウジウス – Mosotti因子負になるの実部を持つ場合、それは負のDEPを(- DEP)受けることになる、とセルは最小限のフィールド領域に向かって強制される。セルとメディアがほぼ同じ複素誘電率を持っている場合、力はセルを操作するために生成することはできません。このような理由から、純粋な水は、DEP粒子操作用の優先メディアです。しかし、純水からの細胞に浸透圧ストレスを回避するために、低導電率のメディアは、導電率を据え置くことを定式化したが、細胞に浸透圧ストレスを減少させるために浸透圧を増加させる。従来の細胞培養培地やDMEMまたはPBSのような生理的緩衝液は、DEPの操作には適していない高導電率を、持っている。
我々はまた、以前に細胞が低導電性の媒体を使用してDEPを持つセンサーで捕捉することができることを実証した。細胞接着のための短い期間の後、低導電率のメディアは、日間、細胞の成長をサポートするために必要な細胞培養培地に置き換えることができます。11
我々の経験から、蛍光ビーズは生細胞の蛍光に関して非常に明るい、従ってそれは生きていると蛍光セルの強さにビードの強度に合わせて、挑戦することができます。細胞とビーズの両方の可視化を改善するために、我々は、イメージング用正立顕微鏡の両方でDIC顕微鏡を使用していました。細胞とビーズを表示するには、我々は、見やすくするための幅広い色スペクトルのデータを保持する強度グロースケール画像、内のデータを発表した。従って、関心の研究を設計する際に、画像パラメータおよびリソースを考慮する必要があります。
要約すると、我々は選択的にDEPを使用して別々のチャンネルにビーズと細胞を作動させる能力を示す。細胞生物学、生化学および生物工学のアプリケーションのためのマイクロ流体チャネルの増加ユーティリティを使用すると、DEPは、セルのコレクション、配置、および並べ替えのための望ましいオプションです。 PCBの電極の製造が安価で便利ですが、電極は使いやすく、そして迅速な製作時間は、DEPの実装に最適です。
The authors have nothing to disclose.
我々は機器のセットアップの彼の援助のためのtrifurcating DEPアクチュエーションのためのチャネルとミッチェルCollensへの提供のためのウジンチャンに感謝の意を表したい。作業は、グラントOISE – 0951647を通じて、グラント99-2911-1-002-007を通じて台湾NSCによる米国NSFによってサポートされています。
Material Name | Typ | Company | Catalogue Number | Comment |
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Sylgard 184 kit (PDMS) | Elsworth Adhesives | 184 SIL ELAST KIT 0.5KG | Dow Corning Sylgard | |
16 awg hook-up wire | Belden | 8521 | (Type MW) Mil-W-76C-PVC | |
Gold seal Cover Glass | Ted Pella | 260320 | No. 0 thick, 24 x 60 mm | |
Miltex Biopsy Punch | VWR Scientific | 95039-104 | Miltex, assorted sizes | |
Custom PCB electrodes | Bay Area Circuits | Custom parts | ||
Mineral oil | Fisher Scientific | O121-1 | ||
Deionized water | House DI water supply | None | Use filtered DI water | |
D-Glucose Anhydrous Granular AR | Mallinckrodt Chemicals | 4912-06 | ||
Sucrose, Crystal | Mallinckrodt Chemicals | 8360-06 | ||
Fluorescent polymer microspheres | Bangs Laboratories | FS07F/9277 | 15μm Dragon green microspheres | |
HT-29 cell line | ATCC | HTB-38D | Human colon adenocarcinoma | |
Typsin 0.05% EDTA | Invitrogen | 25300054 | ||
Eclipse E600FN upright microscope | Nikon | Eclipse E600FN | ||
Phantom V310 High-speed imaging camera | Phantom | V310 | ||
BX51 upright research microscope | Olympus | BX51 | ||
SpotFlex high resolution color camera | Diagnostic Instruments | FX1520 | ||
Function generator | Agilent | 3325A | ||
RF Power amplifier | EIN | 2100L |