Çok kanallı mikroakışkan Cihazlar ayırmak Boncuk ve Hücreler Dielectrophoresis ve Laminar Flow

Şekil 1A ekipman kurulumu genel şeması gösterilmiştir. PCB örnek derleme Şekil 1B kesitsel bir şemadan daha ayrıntılı. 1. PCB Elektrotlar Hazırlanması: Tasarım PCB istenilen geometri elektrotlar, yeknesak olmayan bir elektrik alanı oluşturur. Özelleştirilmiş PCB elektrot çipleri, ticari üretim tesisleri (Şekil 1C) aracılığıyla sipariş edilebilir. Yazdırılan her bir metal elektrot (Şekil 1D) sonuna kadar lehim 16-gauge tel prefabriklerin PCB elektrotlar hazırlayın. Tel elektrodun ucuna yerleştirin. PCB metal alanda yerde tel tel ısıtmak için sıcak havyanızla tutun. Küçük bir miktar lehim, lehim teli doldurmak için ısıtılmış tel besleyin. Tel lehim ile doldurulduktan sonra, lehim soğutur tel yerinde tutarak havyanızla çıkarın. PCB (Şekil 1D) her bir elektrik bağlantısı için lehim işlemi tekrarlayın. 2. Mikroakışkan Kanallar hazırlayın: PDMS elastomer, Dow Corning 184 Sylgard polidimetilsiloksan (PDMS) tabanlı mikroakışkan kanallar kullanılarak hazırlanmıştır. Kanal tanımlayan bir ana kalıp genellikle bir silikon yonga ve SU-8 fotorezist kullanarak standart mikroimalat süreçler ile oluşturulur. 5 dakika için 10:1 oranında sertleştirici baz bileşik karıştırın. Sıvı PDMS prefabrik SU-8 ana kalıp üzerine dökün ve birkaç dakika süreyle vakum sıvı PDMS teşhir ederek hava kabarcıkları. Tüm kabarcıklar tamamen kaldırmak için gerekirse vakum işlemi tekrarlayın. PDMS 70 ° C de 2 saat süreyle Cure. Gofret gofret kırmak için dikkatli bir jilet ile mikroakışkan kanalları, PDMS levha çıkarın. Punch mikroakışkan cihazın içine sıvı ve hücreler tanıtmak için delikleri. (Not: Şırınga pompalama, yerçekimi ya da yüzey-gerilim tabanlı akış DEP ile kullanılabilir.) Toz ve enkaz sağlamak için mikroakışkan cihazı kontrol edin. Temizleme PDMS 3M Scotch Magic Tape kullanarak kolayca elde edilebilir. Plazma bağı temiz bir No.0 kalınlığı (80-130 mikron) lamel PDMS mikroakışkan kanalları. Lamel mikroakışkan montaj için 100 ° C'de en az 15 dakika ısıtın. 3. Düşük iletkenlik Ortam hazırlayın: Düşük iletkenlik medya% 8.5 sakkaroz karıştırma tarafından hazırlanan deiyonize (DI) su +% 0.3 glikoz (w / v) 1 Not: Daha önce, kısa bir süre (yaklaşık 30 dk) düşük iletkenlik maruz sonra hücreleri, geleneksel hücre kültür ortamı gün kültüre olduğunu göstermiştir 11. 4. PCB Elektrotlar üstüne mikroakışkan Kanallar birleştirin: PCB ve lamel arasında sıkı bir temas sağlamak için mineral yağ PCB üzerine küçük bir miktar (yaklaşık 10 mcL) yerleştirin. Not: azalan elektrot görselleştirme için isteğe bağlı adım siyah kalıcı bir kalem ya da boya kat PCB yüzeyi çok ince bir tabaka ile. Yağı (lamel aşağı) ile lamel oluşturan kişi ile yağlanmış PCB üzerine lamel mikroakışkan kanal montajı, yerleştirin. Iyi bir temas sağlamak için lamel mikroakışkan montaj hafifçe bastırın ve hava kabarcıkları hücre ve boncuk görselleştirme uzaklaştıran en aza indirmek için. Tamamlanmış cihazın bir örneği Şekil 1D gösterilmiştir. 5. Sıralama ve DEP kullanma Boncuk ve Hücreleri Konsantre: Mikroakışkan DI su veya düşük iletkenlik medya kanalları doldurun; plazma Yapıştırma işlemi geçici olarak normal hidrofobik PDMS yüzeyi hidrofilik yaparak mikroakışkan kanal içine sulu çözeltiler kolay yükleme kolaylaştırır. Kanal rezervuar (Şekil 1C) hücre ve / veya polistiren boncuklar tanıtın. Burada insan kolon adenokarsinomu (HT-29) hücreleri kullanın. Bir fonksiyonu jeneratör AC güç amplifikatörü giriş çıkışını bağlayın, sonra elektrot telleri amplifikatör çıkışını. Şok potansiyel maruz kalma kullanıcıları korumak için tüm elektrik kabloları elektrik bandı ile kurulum ve yüzeyler örtün. Ekipman kurulum şematik diyagramı Şekil 1A gösterilmiştir. 1.0-1.5 MHz bir sinüs dalga çıkışı üretmek için fonksiyon jeneratörü ayarlayın. PCB 80-100V bir çıkış üretmek için RF güç amplifikatörü çıkış genliği ayarlanabilir olmalıdır. Bu çalışmada RF güç amplifikatörü 220-330 mV civarında bir giriş gerilimi gerektirir. Laminer akış hızı, ayrı hücreler ve boncuklar, hedef kanal (genişliği W = 100 mm (genişliği w = 100 mm, yüksekliği h = 27 mm) ana kanal içindeki hücreler ve boncuk taşımak için DEP gücü ile uyumlu olmalıdır , yüksekliği h = 27 mikron). Dikkat: m belirlemek için PCB üreticisi danışınaximum çalışma gerilimleri, PCB aşırı ısınması ya da erime gibi sorunları önlemek için. Güvenli çalışma ayarlarını belirlemek için ekipman üreticileri fonksiyon jeneratör ve güç amplifikatörü üreticileri için özelliklerini kontrol edin. DEP tür hücreleri ve boncuklar başlatın. Polistiren boncuklar belirtilen frekanslar içinde düzgün olmayan elektrik alan bir negatif-DEP deneyimi ise Hücreler, olumlu bir-DEP deneyim. Bu DEP-force-aktive bioactuation ve elektrotlar olarak, uygun fiyatlı ve yeniden kullanılabilir PCB kullanarak mikroakışkan cihazlar içinde hücreler ve diğer parçacıklar ayrılması sağlar. 6. Temsilcisi Sonuçlar: DEP tahrik hücreleri veya parçacıklar etkili olduğunda, düzgün olmayan elektrik alanları içinde sağlam bir uyum statik banyoları ya da yavaş sıvı hızları görülmektedir. Yüksek sıvı hızlarının koşullar altında, hücre veya parçacık davranış eksenel akış elektrik alanı ve akış hızı göreceli yönünü bağlıdır. Buna ek olarak, hücre ve parçacık davranışlarını da elektrik alan şiddeti ve elektrik alanı içinde olmayan homojenlik derecesine bağlıdır. Hücreleri veya parçacıkların Tipik davranışlar 'inci zincirleri,' bisiklet, durdurduklarını, ya da torna içerir. Uzlaşma ya da ortadan kaldırmak, DEP, sıvı, zayıf elektrik alan şiddeti, aşırı akım hızları, çok kalın olan lamelleri, ya da lamel ve PCB elektrotlar arasında iletken çözümleri tuz veya diğer iyonik moleküller varlığı koşulları (örneğin, bir kırık lamel neden olabilir ) su ve mineral yağ karıştırma. Burada No.0 kalınlığı lamelleri (80-130 mikron) ve (231 mikron) bir elektrot aralığı kullanılırken, elektrik alan şiddeti kare degrade HT-29 hücreleri ve boncuk uygulanan 2 arasında olduğu tahmin ediliyor -8 için 6 -8 V 2 / mikron 3 1 DEP kuvvet statik sıvı (Şekil 2A-B), DEP tarafından manipüle parçacık, hızını ölçerek tahmin edilebilir. Mikroakışkan kanal parçacık ve yüksek viskoz ortam küçük atalet nedeniyle, hidrodinamik sürtünme kuvveti eşit olması, ancak DEP kuvveti ile ters yönde olacaktır. Düşük iletkenlik medya, ortalama boncuk hız, DEP, 93 Vpp gerilim ve 1,5 MHz ile 34,5 mm / sn. Hidrodinamik sürtünme kuvveti aşağıdaki denklemle hesaplanır. 1 F sürükle = 6πηRv 20 ortalama düşük iletkenlik medya viskozitesi η ° C 1.27 mPa • s ve boncuk yarıçapı R 7.5 mikron. Polistiren microbead hidrodinamik sürtünme kuvveti 6.19 pN olduğu tahmin edilmektedir. (Şekil 2C-F) mikroakışkan kanal içinde boncuklar harekete geçirmek için yeteneğini göstermek için, yüzey gerilimi aracılı akış kullanılarak düşük iletkenlik medya akışını başlattı. Bireysel kanallar içinde ortalama hızı 565 mm / sn (Şekil 2C) iken, tek giriş kanalı, ortalama boncuk hız, 1540 mm / sn idi. DEP başlatarak, boncuklar, yan kanal salınan olmaktan daha ziyade merkezi kanal içinde tutuldu. Böylece, bu koşullar altında, DEP güçleri iki yan kanallar içine sıvı sürtünme kuvveti üstesinden gelmek için yeterli oldu. Aynı ilke, sadece DEP elektrotlar (Şekil 2E-F) kanalları ve boncuk akış yönünü değiştirerek merkezi ince taneli donuk renkli boncukları tek bir yan kanal aktarmak için kullanılmıştır. Boncuklar trifurkasyon noktasına yaklaşırken DEP başlatılan tek bir giriş kanalı, yan metal elektrot olta balıkçılığı, boncuklar, kanalın yan yönlendirildiler. Orada, DEP güçleri laminer akış kanalı (Şekil 2F) onları aşağı itmek için yan kanallar içine bir boncuk çekmek için yeterli. Hücreleri ve polistiren boncuklar, düzgün olmayan elektrik alanlarında polarize ve tahrikli olarak yeteneklerini belirgin farklılıklar olduğundan, hücreler ve boncuklar aynı anda on-chip ayrılması, yerine getirme yeteneğini göstermek için DEP kullanır. Şekil 2E-F yapılandırılmış aynı mikroakışkan kanal yapısı ve PCB elektrotlar kullanılır, ancak tek bir giriş kanalı (Şekil 3) düşük iletkenlik medya HT-29 hücreleri ve boncuk süspansiyon tanıttı. DEP tanıtıldı ve boncuklar, sağ tarafta bireysel çıkış kanalı muhafaza ise bu koşullar altında, HT-29 hücreleri, iki sol çıkış kanalı tutuldu. Sol çıkış kanalı toplanan Burada hücrelerin karakteristik bir 'inci zincirleme davranış göstermektedir. Bazen bir boncuk ve hücre hücre çıkış kanalları sık sık bir araya olan birbirine bağlı hale gelir. Bu deneydenal veri, biz 713 dakikada partiküller (hücre ve boncuklar) veya eşdeğeri, 20 dakika içinde 14.260 hücre ve boncuk sıralama oranını belirlemek. Alınan hücreler ve boncuk sayısı, moleküler biyoloji, görüntüleme, biyokimyasal ve lab-on-a-chip uygulamaları için uygun ve yararlı. Şekil 1. Mikroakışkan kanallarda hücreler ve parçacıklar PCB tabanlı DEP (A), DEP tabanlı harekete için ekipman kurulumu, elektrik sinyali frekans ve genlik tanımlamak için bir fonksiyon jeneratörü ile başlar, daha sonra bir güç amplifikatörü sinyal gücünü artırmak için PCB üzerinde oluşturulan elektrik alanı. (B) örnek harekete mikroakışkan cihaz montaj, geri dönüşümsüz bir hayır bağlı PDMS mikroakışkan kanal oluşur. 0 kalınlığı lamel (80-130 mikron), oksijen plazma ile iletken olmayan medya hücre ve / veya boncuklar yıkanmak için. (C) PCB elektrotlar Burada kullanılan elektrotlar güçlü bir düzgün olmayan elektrik alan oluşturmak için interdigitated iki bölge oluşur. (D) tamamlanmış cihaz, tek bir lamel trifurcated mikroakışkan cihaz ile bir PCB, içerlek elektrot telleri ile tüm cihaz gösterir. (CD) ölçeği için, PCB ölçümleri 8.4 cm (l), 2.1 cm (w), 5 mm çapında elektrot ile. Şekil 2. DEP harekete öncesi ve sırasında kanallarda hücre ve boncuk Temsilcisi görüntüler. Laminer akış olmadan PDMS mikroakışkan kanal, (zaman, 1.23 sn lapsed) içinde iletkenliği düşük bir medya çözümü (A) 15 mikron floresan polistiren boncuklar. (B) DEP başlatılması üzerine, boncuk PCB elektrot desenleri (siyah çizgiler) doğru değil, elektrotlar (zaman, 8,18 sn lapsed) arasında göç ederler. (C) altında aynı kanallarda laminer akış Boncuk üç ayrı kanal (zaman, 5.3 sn lapsed) arasında bölünmüş; DEP başlatıldığında (D), boncuk (zaman lapsed, 4.3 orta kanal akışı harekete geçirilir sn.) (E) PCB elektrotlar kanallarının yönünü değiştirerek, boncuk farklı DEP yerine merkezi bir kanal kullanarak (D) gösterildiği gibi yan kanallar (F) yönlendirilmiş olabilir. (EF) lapsed Zaman sırasıyla 8.23 ​​sn ve 5.16 sn. Tüm ölçekli bar = 100 mikron. Şekil 3. Önce DEP, insan kolon adenokarsinomu karışık bir çözüm (HT-29) 3 ayrı çıkış kanalı tek bir kanal hücreleri ve boncuk akışını başlatarak DEP harekete öncesi ve sırasında kanalları (AB) hücreler ve boncuklar Temsilcisi görüntüler . Açık ok laminar akış ve kanallar yönünü yönelim ve açıklama için kesik çizgiler ile belirtilmiştir tanımlar. Olarak tanıtılır (CD) indükleyici DEP, boncuk ve hücrelerin seçici ayrı kanal içine harekete geçirilir. HT-29 hücreleri boncuk sağ kanal çıkmak ise merkez ve sol kanal çıkın. DEP çalıştırma sırasında, boncuk ve hücrelerin karakteristik inci zincirleme görülmektedir. (A, C) Diferansiyel hücreleri ve mikro boncuklar Girişim Kontrast görüntüleme boncuklar kolayca görülebilir hale getirir. Aynı DIC görüntüleri (A, C) Glow ölçekli yoğunluğu görüntüleri (B, D) kanallar hücre görselleştirme artırmak. Yansıtıcı metal elektrot ((A, C) ışık şerit ve (B, D), sarı ve yeşil) mikro elektrotlar etkili DEP tabanlı harekete hizalayarak için önemli bir dönüm noktası sağlar. Ölçek bar = 100 mm.