Dielectroforesis (DEP) es un método eficaz para manipular células. Placas de circuito impreso (PCB) puede proporcionar electrodos de bajo costo, reutilizables y eficaz para el contacto libre de la manipulación de células dentro de los dispositivos de microfluidos. Mediante la combinación de PDMS basado en canales de microfluidos con cubreobjetos sobre los PCB, se demuestra la manipulación de cuentas y la separación dentro de la célula y multicanal dispositivos de microfluídica.
Dispositivos de microfluídica han avanzado los estudios de células al brindar un ambiente de fluidos dinámicos en la escala de la célula para el estudio, la manipulación, clasificación y recuento de las células. Sin embargo, la manipulación de las células dentro del dominio fluido sigue siendo un reto y requiere de protocolos complicados de fabricación de válvulas de la formación y los electrodos, o las demandas equipos especiales como pinzas ópticas. Aquí, se demuestra que los circuitos impresos convencionales (PCB) se puede utilizar para la manipulación sin contacto de las células mediante el empleo de dielectroforesis (DEP) para la manipulación de cuentas y de células en los campos de flujo laminar para bioactuation, y para la separación celular y cuenta en microfluidos multicanal dispositivos. En primer lugar, se presenta el protocolo para el montaje de los electrodos de DEP y dispositivos de microfluidos, y la preparación de las células para DEP. Entonces, podemos caracterizar la operación de DEP con perlas de poliestireno. Por último, mostramos los resultados representativos de la separación de cuentas y celular en un dispositivo de microfluidos multicanal. En resumen, el DEP es un método eficaz para la manipulación de partículas (granos o células) en dispositivos de microfluidos.
La manipulación de células en dispositivos de microfluidos es deseable para la clasificación o la colocación selectiva de células individuales o de los estudios de población. 2 flujo laminar se utiliza en combinación con las válvulas y bombas para manipular las células dentro de los dispositivos de microfluidos. Sin embargo, estos métodos sólo son desafiantes y requieren procesos de fabricación detalladas y habilidades 3 centrifugación puede simplificar las exigencias para la colocación de la célula, pero las imágenes simultáneas es un reto. Por otra parte, la arquitectura de canal para la centrifugación se debe considerar con cuidado en el diseño de las manipulaciones deseadas y teniendo en cuenta los efectos las fuerzas centrípetas. 4 pinzas láser se puede utilizar para la colocación de la celda, pero el método es caro y no es susceptible de clasificación de células de alto rendimiento. 5 Sin embargo, el DEP se ha demostrado como un sistema eficaz de "pinzas eléctricas" para la colocación efectiva de células, la caracterización y la manipulación de 6,7.
En concreto, el DEP se ha utilizado para la captura selectiva y clasificar las células en el chip de procesamiento de la vida y las células muertas, 7.10 y para recoger las células en los sensores de resonancia para la medición de la masa celular. 11 Hemos demostrado anteriormente que al aumentar la DEP fuerza en las bacterias o los granos por encima de la fuerza de arrastre de fluidos, la concentración en el chip y la captura de perlas de poliestireno y Listeria monocytogenes V7 puede llevarse a cabo. 12 poblaciones mixtas de E. coli y L. monocytogenes bacterias también pueden ser dirigidas y libera a través de pulsos de DEP. Además, las partículas más grandes pueden ser capturados diferencialmente y se concentró en los electrodos basados en el tamaño de las partículas grandes, mientras que las partículas más pequeñas no se captura, pero se eliminan con el flujo de fluidos. 13 Cuando las fuerzas del DEP no superar las fuerzas de fluidos arrastrando las partículas, cordón o de células no es capturado, sino que se desplazaban dentro de la corriente de fluidos. Como se muestra en la Figura 2C, cuentas puede ser enfocada en la región central de la corriente de fluido suficiente para mantener las cuentas en el canal central. Esto podría ser debido al efecto combinado de las influencias de partículas a partículas en el campo eléctrico, las velocidades de fluido superior a DEP fuerzas de arrastre, la combinación de estos, o algún efecto indefinido otros.
Más recientes avances en la DEP sin contacto permiten maximizar la captura de células y la manipulación con el campo mínimo requerido, protegiendo así a los tipos de células, en la mayor medida, durante la manipulación DEP. 1,9 DEP contacto promesa ofrece a la comunidad de microfluidos para la clasificación, recolección y colocación células dentro de los dispositivos de microfluidos. Anticipamos que con el aumento de la demanda, y la aplicación de DEP para la manipulación en dispositivos de microfluidos, descubrimientos e innovaciones se ampliará el entendimiento y la influencia de las fuerzas DEP.
Los PCB pueden ser fabricados a través de procesos de alto volumen a un precio asequible, con un tiempo de fabricación de respuesta rápida, por lo que buenas plataformas para la comercialización. Además, los PCB son fáciles de usar y accesible para los científicos en una amplia gama de disciplinas para la manipulación de células en el chip y la clasificación.
Al diseñar la disposición de los electrodos de PCB, se debe considerar a la partícula deseado / celular trayectoria. Los factores clave a considerar incluyen el tamaño de partícula y el tipo (de cuentas y / o celular), el tipo de células, el tamaño de microcanales, la velocidad del flujo, distancia entre electrodos (que determina la intensidad del campo eléctrico), el espesor de cubreobjetos, y la conductividad del fluido. Estos factores influyen en la fuerza necesaria y disponible para manipular la partícula o célula, y en última instancia, la eficiencia de separación. El protocolo presentado aquí demuestra una configuración eficaz para iniciar DEP para las microesferas y la separación de células. Para posibles aplicaciones, los usuarios deben coincidir con la arquitectura del diseño del canal de microfluidos con las vías de flujo deseado para las células y los granos, así como los patrones de electrodos para optimizar la eficiencia de cada aplicación. Distancia entre electrodos y el espesor de cubreobjetos se puede utilizar de acuerdo a las directrices ya se ha informado en el diseño de la disposición del canal de microfluidos. 1
La conductividad y la permitividad de la célula / partícula y el medio circundante debe ser lo suficientemente diferentes como para facilitar el DEP positivo o negativo, manteniendo las células intactas. La polaridad de DEP para una partícula esférica se puede determinar a partir de la parte real de un valor complejo de las siguientes Clausius-Mosotti factor en el ω la frecuencia de la tensión de DEP.
La ecuación 1
En esta ecuación ε es la permitividad, σ es la conductividad y permitividad ε * es complejo. Los subíndices p y mdenotan la partícula y los medios de comunicación, respectivamente. Cuando una célula tiene una constante dieléctrica mayor que los medios de comunicación, o la parte real del factor de Clausius-Mosotti es positiva, la partícula se vuelve más polarizado que el medio circundante. Debido a un campo eléctrico no uniforme, la polarización de la partícula se convierte en no-uniforme y esto crea un DEP positivo (+ DEP) la fuerza que atrae a la célula hacia la región con una mayor intensidad de campo eléctrico. Si una celda tiene una constante dieléctrica menor que el medio circundante, o la parte real del factor de Clausius-Mosotti se convierte en negativo, se someterá a DEP negativo (DEP), y la célula se ve obligado hacia la región de campo mínima. Si la célula y los medios de comunicación tienen aproximadamente el mismo complejo permitividad, ninguna fuerza puede generar para manipular la célula. Por esta razón, el agua pura es un medio de comunicación preferido para la manipulación de partículas DEP. Sin embargo, para evitar el estrés osmótico en la célula de agua pura, los medios de comunicación de baja conductividad fue formulado para mantener la conductividad sin cambios, pero para aumentar la osmolaridad para disminuir la presión osmótica en las células. Convencionales medios de cultivo celular o tampones fisiológicos, tales como DMEM o PBS, tiene una alta conductividad, que no es adecuado para la manipulación de DEP.
También han demostrado previamente que las células pueden ser capturados en los sensores con DEP con baja conductividad de los medios. Después de un breve período para la adhesión celular, los medios de comunicación de baja conductividad puede ser sustituido por los medios de cultivo de células necesarias para apoyar el crecimiento de células para los días 11.
Desde nuestra experiencia, perlas fluorescentes son muy brillantes, con respecto a la fluorescencia de células vivas, por lo que puede ser un desafío para que coincida con la intensidad de cuentas a la intensidad de una célula viva y fluorescentes. Para mejorar la visualización de las células y los granos, se utilizó la microscopía DIC en un microscopio vertical para obtener imágenes de ambos. Para visualizar las células y los granos, se presentaron los datos a una intensidad de brillo-escala de la imagen, que conserva los datos en un amplio espectro de colores para facilitar la visualización. Por lo tanto, al diseñar el estudio de interés, los parámetros de imagen y los recursos deben ser considerados.
En resumen, hemos demostrado la capacidad de actuar de forma selectiva las células de los granos y en canales separados con DEP. Con la utilidad cada vez mayor de canales de microfluidos para la biología celular, bioquímica y aplicaciones de la bioingeniería, la DEP es una opción deseable para la recogida de células, la colocación y la clasificación. La fabricación de PCB electrodos es barato y conveniente, los electrodos son fáciles de usar, y los tiempos de fabricación rápida son ideales para la aplicación de la DEP.
The authors have nothing to disclose.
Expresamos nuestro agradecimiento a Woo-Jin Chang para proporcionar los canales trifurcating para DEP actuación y Mitchell Collens por su ayuda en la configuración del equipo. El trabajo ha sido financiado por EE.UU. NSF a través de subvención OISE-0951647 y por el Consejo de Seguridad Nacional de Taiwán a través de subvención 99-2911-1-002-007.
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 |