Dielettroforesi (DEP) è un metodo efficace per manipolare le cellule. Circuiti stampati (PCB) in grado di fornire elettrodi economico, riutilizzabile ed efficace per il contatto senza manipolazione cellulare all'interno di dispositivi microfluidici. Grazie alla combinazione di canali microfluidica PDMS-based con coprioggetto sul PCB, dimostriamo la manipolazione tallone e cellulare e di separazione all'interno multicanale dispositivi microfluidici.
Dispositivi microfluidici hanno avanzato studi sulle cellule, fornendo un ambiente dinamico fluidico sulla scala della cellula per lo studio, manipolazione, selezione e conteggio delle cellule. Tuttavia, la manipolazione della cella all'interno del dominio fluidico rimane una sfida e richiede protocolli di fabbricazione complicato per le valvole di formazione ed elettrodi, o richieste attrezzature speciali come pinzette ottiche. Qui, abbiamo dimostrato che convenzionali circuiti stampati (PCB) possono essere utilizzati per la non-contatto manipolazione di cellule utilizzando dielettroforesi (DEP) per la manipolazione delle cellule tallone e in campi a flusso laminare per bioactuation, e per la separazione delle cellule e perline in microfluidica multicanale dispositivi. In primo luogo, vi presentiamo il protocollo per il montaggio degli elettrodi DEP e dispositivi microfluidici, e preparare le cellule per DEP. Poi, ci caratterizzano l'operazione DEP con perle di polistirene. Infine, mostriamo i risultati rappresentante della separazione tallone e cellulare in un dispositivo multicanale microfluidica. In sintesi, DEP è un metodo efficace per la manipolazione di particelle (granuli o cellule) all'interno di dispositivi microfluidici.
Manipolazione cellulare a dispositivi microfluidici è auspicabile per l'ordinamento o il posizionamento selettivo di singole cellule o per studi di popolazione. 2 a flusso laminare viene utilizzato in combinazione con valvole e pompe di manipolare le cellule all'interno di dispositivi microfluidici. Tuttavia, questi metodi da soli sono impegnativi e richiedono processi di fabbricazione dettagliato e abilità 3 centrifugazione può semplificare le richieste per il posizionamento delle cellule, ma di immagini simultanee è una sfida;. Inoltre, l'architettura canale per centrifugazione deve essere considerato con attenzione nella progettazione del manipolazioni desiderato e considerando gli effetti di forze centripete. 4 pinzette laser può essere utilizzato per il posizionamento delle cellule, ma il metodo è costoso e non suscettibili di high-throughput separazione delle cellule. 5 Eppure, la DEP ha dimostrato come un efficace sistema di "pinzette elettriche" per il posizionamento efficace delle cellule, la caratterizzazione e la manipolazione. 6,7
In particolare, DEP è stato utilizzato per catturare selettivamente le cellule e ordinare on-chip per l'elaborazione di vivere e di cellule morte, 7-10 e per la raccolta di cellule su sensori di risonanza per la misura della massa cellulare. 11 Abbiamo precedentemente dimostrato che aumentando la DEP vigore batteri o perline di sopra della forza di resistenza fluidico, l'on-chip concentrazione e la cattura di perle di polistirene e Listeria monocytogenes V7 può essere realizzato. 12 popolazioni miste di E. coli e L. batteri monocytogenes può anche essere diretto e rilasciato attraverso impulsi DEP. Inoltre, le particelle più grandi possono essere catturati in modo differenziato e concentrato sugli elettrodi in base alle dimensioni delle particelle di grandi dimensioni, mentre le particelle più piccole non sono di cattura, ma vengono rimossi con il flusso fluido. 13 Quando le forze di Protezione esecuzione programmi non superano le forze fluidico trascinando le particelle, il tallone o cella non viene catturato, ma piuttosto spostato all'interno del flusso fluido. Come mostrato nella Figura 2C, sfere possono essere concentrati nella regione centrale del flusso di liquido sufficiente a mantenere le perline nel canale centrale. Questo potrebbe essere dovuto all'effetto combinato di particelle a particelle influenze all'interno del campo elettrico, velocità del fluido superiore DEP forze trascinamento, la combinazione di questi, o qualche altro effetto indefinito.
Più recenti progressi nella DEP contactless permettono di massimizzare la cattura e la manipolazione delle cellule con il campo minimo richiesto, proteggendo così i tipi di cellule, nella maggior misura, durante la manipolazione DEP. 1,9 contatto promessa DEP offre alla comunità microfluidica per l'ordinamento, la raccolta e il posizionamento delle cellule all'interno di dispositivi microfluidici. Ci aspettiamo che con l'aumento della domanda per, l'attuazione, il DEP per la manipolazione all'interno di dispositivi microfluidici, ulteriori scoperte e innovazioni espandere la comprensione e l'influenza delle forze DEP.
PCB può essere prodotto attraverso processi ad alto volume ad un prezzo accessibile, con un tempo di risposta rapido di fabbricazione, che li rende buoni piattaforme per la commercializzazione. Inoltre, i PCB sono facili da usare e accessibile per gli scienziati in una vasta gamma di discipline per le on-chip manipolazioni delle cellule e l'ordinamento.
Nel progettare la superficie degli elettrodi PCB, occorre tenere in considerazione nella posizione desiderata particella / cellula traiettoria. I fattori chiave per l'esame includono la dimensione delle particelle e tipo (perline e / o cellulare), tipo di cellula, la dimensione a microcanali, velocità di flusso, distanza tra gli elettrodi (che determina l'intensità di campo elettrico), spessore coprioggetto, e la conduttività dei fluidi. Questi fattori influenzano la forza necessaria e disponibile per manipolare la particella o cellula, e in ultima analisi, l'efficienza di separazione. Il nostro protocollo presentato qui dimostra una configurazione efficace per l'avvio di Protezione esecuzione programmi per microsfere e la separazione delle cellule. Per potenziali applicazioni, gli utenti dovrebbero corrispondere l'architettura del disegno canale microfluidica con i percorsi di flusso desiderato per le cellule e perline, così come i modelli di elettrodi per ottimizzare l'efficienza per ogni applicazione. Distanza tra gli elettrodi e lo spessore coprioggetto può essere utilizzato secondo le linee guida precedentemente riportati durante la progettazione del layout microfluidica canale 1.
La conducibilità e la permettività della cellula / particella e dei media circostante deve essere abbastanza differenti da facilitare DEP positivo o negativo, pur mantenendo intatte le cellule. La polarità di Protezione esecuzione programmi per una particella sferica può essere determinato dalla parte reale di un valore complesso delle seguenti Clausius-Mosotti fattore alla frequenza ω della tensione DEP.
Equazione 1
In questa equazione ε, è permittività, σ è la conducibilità, e ε * è permettività complessa. Gli indici p e mdenotano la particella e dei media, rispettivamente. Quando una cellula ha una permittività superiore alla media, o la parte reale del Clausius-Mosotti diventa fattore positivo, la particella diventa più polarizzato rispetto ai media circostante. A causa di una non uniforme campo elettrico, la polarizzazione della particella diventa non uniforme e questo crea un DEP positivo (+ DEP) forza che trae la cellula verso la regione con maggiore intensità del campo elettrico. Se una cellula ha una permittività inferiore a quella media circostante, o la parte reale del Clausius-Mosotti fattore diventa negativo, subirà DEP negativo (-DEP), e la cellula è costretta verso la regione di campo minima. Se la cella e dei media hanno circa la permittività stesso complesso, nessuna forza può essere generata per manipolare le cellule. Per questo motivo, l'acqua pura è un supporto preferito per la manipolazione di particelle DEP. Tuttavia, per evitare lo stress osmotico sulla cella da acqua pura, media bassa conducibilità è stato formulato per mantenere inalterata la conducibilità, ma per aumentare osmolarità per diminuire lo stress osmotico alle cellule. Tradizionali terreni di coltura cellulare o tamponi fisiologici, come DMEM o PBS, hanno alta conducibilità, che non è adatto per la manipolazione DEP.
Abbiamo anche precedentemente dimostrato che le cellule possono essere catturati su sensori con DEP con bassa conducibilità media. Dopo un breve periodo per l'attacco delle cellule, i media bassa conducibilità può essere sostituito per il supporto richiesto colture cellulari a supportare la crescita delle cellule per giorni 11.
Dalla nostra esperienza, perline fluorescenti sono molto luminose rispetto alla fluorescenza delle cellule vive, quindi può essere una sfida per abbinare l'intensità tallone per l'intensità di una cellula vivente e fluorescenti. Per migliorare la visualizzazione di entrambe le celle e le perline, abbiamo usato la microscopia DIC un microscopio verticale per l'imaging entrambi. Per visualizzare le celle e perline, abbiamo presentato i dati in un'immagine intensità luce scala, che conserva i dati in un ampio spettro di colori per facilitare la visione. Così, quando si progetta lo studio di interesse, i parametri di imaging e le risorse devono essere considerati.
In sintesi, abbiamo dimostrato la possibilità di azionare perline e selettivamente le cellule in canali separati con DEP. Con l'utilità sempre maggiore di canali microfluidica per la biologia cellulare, biochimica e le applicazioni della bioingegneria, DEP è un'opzione auspicabile per la raccolta delle cellule, il posizionamento e l'ordinamento. La fabbricazione PCB elettrodi è economico e conveniente, gli elettrodi sono facili da usare, ei tempi di realizzazione rapidi sono ideali per l'attuazione del DEP.
The authors have nothing to disclose.
Esprimiamo apprezzamento per Woo-Jin Chang per fornire i canali trifurcating per DEP attuazione e di Mitchell Collens per la sua assistenza nella configurazione del dispositivo. Il lavoro è stato sostenuto dagli Stati Uniti attraverso la concessione OISE NSF-0951647 e da Taiwan NSC attraverso Concessione 99-2911-1-002-007.
Material Name | Type | Company | Catalogue Number | Comment |
---|---|---|---|---|
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 |