Компьютерное числовое управление Микромелирование микрофлюидного акрилового устройства с поэтапным ограничением для иммуноанализа на основе магнитных наночастиц

В последние годы микрофлюидика играет важную роль в методах иммунологического анализа¹. Технология миниатюризации имеет много выдающихся преимуществ по сравнению с традиционными иммуноанализами, таких как снижение расхода образцов и реагентов, более короткое время инкубации, эффективный обмен решениями, а также более высокая интеграция и автоматизация².

Кроме того, микрофлюидные системы в иммуноанализах в сочетании с магнитными наночастицами в качестве иммуноподдержки значительно сокращают время инкубации, достигая высокой чувствительности обнаружения за счет увеличения отношения поверхности к объему³. Броуновское движение частиц улучшает кинетику реакции при образовании комплекса антиген-антитело ^4,5. Кроме того, магнитные свойства наночастиц обеспечивают универсальность для интеграции в различные конфигурации микрофлюидных устройств, что делает их идеальным кандидатом для передачи сигналов и захвата молекул в миниатюрных системах биозондирования на кристалле⁵. Однако магнитные силы значительно слабее, чем силы сопротивления в нанометровом масштабе из-за высокого отношения поверхности к объему⁶. Поэтому захват наночастиц для важнейших этапов иммуноанализа, таких как промывка и обнаружение, может быть сложной задачей, а обычного магнита недостаточно⁴.

Эффективным способом манипулирования наночастицами является использование микрофлюидной магнитной ловушки, образованной микрочастицами железа, которые упакованы в микрофлюидную структуру³. Поэтому, когда внешний магнит приближается, в намагниченной пористой среде создается сложное взаимодействие между магнитной и потоковой силами. Магнитная сила, действующая на наночастицы, достаточно сильна, чтобы захватить их и противостоять лобовому сопротивлению потока ^3,4,7. Этот подход требует методов микрофабрикации, которые достигают разрешения порядка нескольких микрометров для создания микрометрических структур, которые удерживают микрочастицы.

Современные методы микропроизводства позволяют изготавливать структуры с высоким разрешением от нескольких микрон до сотен нанометров⁸. Однако многие из этих методов требуют специализированного, дорогого или сложного оборудования. Одной из основных трудностей является потребность в чистом помещении для изготовления пресс-форм, которая остается дорогостоящей и трудоемкой ^8,9. В последнее время микрофлюидные инженеры преодолели этот недостаток, разработав множество альтернативных методов изготовления с различными преимуществами, такими как снижение затрат, более быстрое время выполнения работ, более дешевые материалы и инструменты и повышенная функциональность⁸. Таким образом, разработка новых методов микропроизводства принесла недорогие, нечистые методы, которые достигают разрешения до 10 мкм⁸. Рисунок может быть использован непосредственно на подложке без создания дорогостоящего шаблона формования, что позволяет избежать трудоемкого процесса. Методы прямого изготовления включают фрезерование с ЧПУ, лазерную абляцию и прямую литографию⁸. Все эти методы пригодны для получения каналов с высоким соотношением сторон в широком спектре материалов, независимо от их твердости⁹, что позволяет создавать новые и выгодные геометрии, физическое поведение и качества в микрофлюидных устройствах⁸.

Микромелирование с ЧПУ создает микромасштабные структуры с использованием режущих инструментов, которые удаляют сыпучий материал с подложки и является эффективным методом изготовления для микрофлюидных устройств^10,11. Метод микромелирования может быть полезен в микрофлюидных приложениях для создания микроканалов и функций непосредственно на рабочей поверхности, предлагая ключевое преимущество: заготовка может быть изготовлена за короткое время (менее 30 минут), что значительно сокращает время обработки от проектирования до прототипа¹². Кроме того, широкая доступность режущей фурнитуры из различных материалов, размеров и форм делает фрезерные станки с ЧПУ подходящим инструментом, который позволил изготавливать различные функции во многих типах недорогих одноразовых материалов¹³.

Среди всех материалов, обычно используемых в микромелировании, термопласты остаются ведущим выбором из-за их многочисленных благоприятных свойств и совместимости с биологическими приложениями^10,14. Термопласты являются привлекательной подложкой для микрофлюидных систем благодаря своим значительным преимуществам для разработки недорогих одноразовых аналитических систем⁹. Кроме того, эти материалы очень поддаются крупномасштабным производственным процессам, что делает их пригодными для коммерциализации и массового производства. По этим причинам термопласты, такие как ПММА, считались надежными и прочными материалами с первых лет микрофлюидики¹⁰. Были описаны различные протоколы для изготовления закрытых каналов в термопластах, таких как связь растворителя¹⁵, тепловая связь¹⁶ и связь поверхности¹⁷ ультрафиолетовой (УФ)/озоновой обработки.

Во многих случаях разрешение позиционирования, достигаемое с помощью обычных микромельничных машин, недостаточно для некоторых микрофлюидных применений, требующих структур размером менее 10 мкм. Высококачественное микромелье имеет достаточное разрешение. К сожалению, из-за высоких цен его использование ограничено горсткой пользователей¹². Ранее наша исследовательская группа сообщала о изготовлении и манипулировании недорогим инструментом, который позволяет обрабатывать конструкции менее 10 мкм, преодолевая разрешение обычных фрезерных станков¹². Светильник представляет собой платформу, изготовленную методом 3D-печати с простой электроникой, содержащую три пьезоэлектрических привода. Поверхность содержит шарнирные соединения, которые позволяют поднимать ее, когда пьезоэлектрические элементы действуют одновременно. Смещение по оси Z можно контролировать с разрешением 500 нм и точностью ±1,5 мкм¹².

В этой статье представлены этапы производственного процесса акрилового устройства (ПММА) с помощью метода микромоделирования. Конструкция чипа состоит из основного канала шириной 200 мкм и высотой 200 мкм и бокового канала с теми же размерами для продувки потока реагентов. В центральной области канал прерывается физическим ограничением высотой всего 5 мкм, изготовленным с помощью 3D-печатной пьезоэлектрической платформы, изготовленной этой группой¹², для захвата магнитных микрочастиц, которые составляют магнитную ловушку для наночастиц, путем размещения внешнего магнита. Показана работа микрофлюидного устройства путем проведения иммуноанализа для обнаружения коммерческого антитела с использованием лизоцима в качестве модельного антигена, конъюгированного с магнитными наночастицами 100 нм. Это устройство сочетает в себе различные особенности, которые делают его уникальным⁴: использование магнитных наночастиц в качестве иммунной поддержки сокращает общее время теста с часов до минут; использование фторогенного фермента для обнаружения позволяет установить пределы обнаружения, сопоставимые со стандартными иммуноферментными анализами (ИФА); и использование термопластика в качестве материала для изготовления делает его совместимым с массовым производством, чего не было в случае магнитных ловушек³ предыдущих микрофлюидных наночастиц, и делает его отличным кандидатом для разработки POCT.