Plataforma microfluídica accionada neumáticamente para la concentración de micropartículas
Summary
El presente protocolo describe una plataforma microfluídica neumática que se puede utilizar para una concentración eficiente de micropartículas.
Abstract
El presente artículo presenta un método para fabricar y operar una válvula neumática para controlar la concentración de partículas utilizando una plataforma microfluídica. Esta plataforma tiene una red tridimensional (3D) con canales de fluidos curvos y tres válvulas neumáticas, que crean redes, canales y espacios a través de la replicación dúplex con polidimetilsiloxano (PDMS). El dispositivo funciona en función de la respuesta transitoria de un caudal de fluido controlado por una válvula neumática en el siguiente orden: (1) carga de muestra, (2) bloqueo de muestra, (3) concentración de muestra y (4) liberación de muestra. Las partículas están bloqueadas por la deformación de la capa delgada del diafragma de la placa de la válvula del tamiz (Vs) y se acumulan en el canal microfluídico curvo. El fluido de trabajo se descarga mediante el accionamiento de dos válvulas de encendido / apagado. Como resultado de la operación, todas las partículas de varios aumentos fueron interceptadas y desconectadas con éxito. Cuando se aplica esta tecnología, la presión de funcionamiento, el tiempo requerido para la concentración y la tasa de concentración pueden variar según las dimensiones del dispositivo y el aumento del tamaño de partícula.
Introduction
Debido a la importancia del análisis biológico, las tecnologías de sistemas microelectromecánicos microfluídicos y biomédicos (BioMEMS) 1,2 se utilizan para desarrollar y estudiar dispositivos para la purificación y recolección de micromateriales 2,3,4. La captura de partículas se clasifica como activa o pasiva. Las trampas activas se han utilizado para las fuerzas dieléctricas externas5, magnetoforéticas6,auditivas 7, visuales8 o térmicas9 que actúan sobre partículas independientes, lo que permite un control preciso de sus movimientos. Sin embargo, se requiere una interacción entre la partícula y la fuerza externa; por lo tanto, el rendimiento es bajo. En los sistemas microfluídicos, el control del caudal es muy importante porque las fuerzas externas se transmiten a las partículas objetivo.
En general, los dispositivos microfluídicos pasivos tienen micropilares en microcanales10,11. Las partículas se filtran a través de la interacción con un fluido que fluye, y estos dispositivos son fáciles de diseñar y baratos de fabricar. Sin embargo, causan obstrucción de partículas en micropilares, por lo que se han desarrollado dispositivos más complejos para evitar la obstrucción de partículas12. Los dispositivos microfluídicos con estructuras complejas son generalmente adecuados para manejar un número limitado de partículas 13,14,15,16,17,18.
Este artículo describe un método para fabricar y operar una plataforma microfluídica impulsada neumáticamente para grandes concentraciones de partículas que supera las deficiencias18 como se mencionó anteriormente. Esta plataforma puede bloquear y concentrar partículas por deformación y accionamiento de la capa delgada del diafragma de la placa de la válvula de tamiz (Vs) que se acumula en canales microfluídicos curvos. Las partículas se acumulan en canales microfluídicos curvos, y las partículas concentradas pueden separarse descargando el fluido de trabajo mediante el accionamiento de dos sellos PDMS válvulas de encendido / apagado18. Este método permite procesar un número limitado de partículas o concentrar un gran número de partículas pequeñas. Las condiciones de funcionamiento, como la magnitud del caudal y la presión del aire comprimido, pueden evitar daños no deseados en las celdas y aumentar la eficiencia de captura de las celdas.
Protocol
Representative Results
Discussion
Esta plataforma proporciona una forma sencilla de purificar y concentrar partículas de varios tamaños. Las partículas se acumulan y liberan a través del control de la válvula neumática, y no se observa obstrucción porque no hay una estructura pasiva. Usando este dispositivo, se presenta la concentración de partículas de tres tamaños. Sin embargo, la presión de funcionamiento, el tiempo requerido para la concentración y la velocidad pueden variar según las dimensiones del dispositivo, el aumento del tamaño d…
Divulgations
The authors have nothing to disclose.
Acknowledgements
Este trabajo fue apoyado por la subvención de la Fundación Nacional de Investigación de Corea (NRF) financiada por el gobierno de Corea (Ministerio de Ciencia y TIC). (No. NRF-2021R1A2C1011380).
Materials
| 1.5 mm puncture | Self procduction | Self procduction | This puncture was made by requesting a mold maker based on the Miltex® Biopsy Punch with Plunger (15110-15) product. |
| 4 inch Silicon Wafer/SU-8 mold | 4science | 29-03573-01 | 4 inch (100) Ptype silicon wafer/SU-8 mold |
| Carboxyl Polystyrene Crosslinked Particle(24.9 μm) | Spherotech | CPX-200-10 | Concentrated bead sample1 |
| Flow meter | Sensirion | SLI-1000 | Flow measurement |
| High-speed camera | Photron | FASTCAM Mini | Observation of concentration |
| Hot plate | As one | HI-1000 | heating plate for curing of liquid PDMS |
| KOVAX-SYRINGE 10 mL/Syringe | Koreavaccine | 22G-10ML | Fill the microfluidic channel with bubble-free demineralized water. |
| Laboratory Conona treater/Atmospheric plasma | Electro-Technic | BD-20AC | Chip bonding/atmospheric plasma |
| Liquid polydimethylsiloxane, PDMS | Dow Corning Inc. | Sylgard 184 | Components of chip |
| Microscope | Olympus | IX-81 | Observation of concentration |
| PEEK Tubes | SAINT-GOBAIN PPL CORP. | AAD04103 | Inject or collect particles |
| Polystyrene Particle(4.16 μm) | Spherotech | PP-40-10 | Concentrated bead sample3 |
| Polystyrene Particle(8.49 μm) | Spherotech | PP-100-10 | Concentrated bead sample2 |
| Pressure controller/μflucon | AMED | μflucon | Control of air pressure |
| Spin coater | iNexus | ACE-200 | spread the liquid PDMS on SU-8 mold |
References
- Whitesides, G. M. The origins and the future of microfluidics. Nature. 442 (7107), 368-373 (2006).
- Desitter, I., et al. A new device for rapid isolation by size and characterization of rare circulating tumor cells. Anticancer Research. 31 (2), 427-441 (2011).
- Hayes, D. F., et al. Circulating tumor cells at each follow-up time point during therapy of metastatic breast cancer patients predict progression-free and overall survival. Clinical Cancer Research. 12 (14), 4218-4224 (2016).
- Choi, S., Park, J. K. Microfluidic system for dielectrophoretic separation based on a trapezoidal electrode array. Lab on a Chip. 5 (10), 1161-1167 (2005).
- Jung, Y., et al. Six-stage cascade paramagnetic mode magnetophoretic separation system for human blood samples. Biomedical Microdevices. 12 (4), 637-645 (2010).
- Li, P., et al. Acoustic separation of circulating tumor cells. Proceedings of the National Academy of Sciences. 112 (16), 4970-4975 (2015).
- Lin, Y. H., Lee, G. B. Optically induced flow cytometry for continuous microparticle counting and sorting. Biosensors and Bioelectronics. 24 (4), 572-578 (2008).
- Gramotnev, D. K., et al. Thermal tweezers for surface manipulation with nanoscale resolution. Applied Physics Letters. 90 (5), 054108 (2007).
- Huang, L. R., et al. Continuous particle separation through deterministic lateral displacement. Science. 304 (5673), 987-990 (2004).
- Yin, D., et al. Multi-stage particle separation based on microstructure filtration and dielectrophoresis. Micromachines. 10 (2), 103 (2019).
- Yoon, Y., et al. Clogging-free microfluidics for continuous size-based separation of microparticles. Scientific Reports. 6 (1), 1-8 (2016).
- Alvankarian, J., Majlis, B. Y. Tunable microfluidic devices for hydrodynamic fractionation of cells and beads: a review. Sensors. 15 (11), 29685-29701 (2015).
- Irimia, D., Toner, M. Cell handling using microstructured membranes. Lab on a Chip. 6 (3), 345-352 (2006).
- Huang, S. B., et al. A tunable micro filter modulated by pneumatic pressure for cell separation. Sensors and Actuators B: Chemical. 142 (1), 389-399 (2009).
- Chang, Y. H., et al. A tunable microfluidic-based filter modulated by pneumatic pressure for separation of blood cells. Microfluidics and Nanofluidics. 12 (1-4), 85-94 (2012).
- Oh, C. K., et al. Fabrication of pneumatic valves with spherical dome-shape fluid chambers. Microfluidics and Nanofluidics. 19 (5), 1091-1099 (2015).
- Liu, W., et al. Dynamic trapping and high-throughput patterning of cells using pneumatic microstructures in an integrated microfluidic device. Lab on a Chip. 12 (9), 1702-1709 (2012).
- Jang, J. H., Jeong, O. C. Fabrication of a pneumatic microparticle concentrator. Micromachines. 11 (1), 40 (2020).
- McDonald, J. C., et al. Poly(dimethylsiloxane) as a material for fabricating microfluidic device. Accounts of Chemical Research. 35 (7), 491-499 (2002).
- Brivio, M., et al. A MALDI-chip integrated system with a monitoring window. Lab on a Chip. 5 (4), 378-381 (2005).
- Jeong, O. C., Konishi, S. The self-generated peristaltic motion of cascaded pneumatic actuators for micro pumps. Journal of Micromechanics and Microengineering. 18 (8), 085017 (2008).
- Taff, B. M., Voldman, J. A scalable addressable positive dielectrophoretic cell-sorting array. Analytical Chemistry. 77 (24), 7976-7983 (2005).
- Pamme, N., et al. On-chip free-flow magnetophoresis: Separation and detection of mixtures of magnetic particles in continuous flow. Journal of Magnetism and Magnetic Materials. 307 (2), 237-244 (2006).
- Harris, N. R., et al. Performance of a micro-engineered ultrasonic particle manipulator. Sensors and Actuators B: Chemical. 111, 481-486 (2005).
- Yoon, Y., et al. Clogging-free microfluidics for continuous size-based separation of microparticles. Scientific Reports. 6 (1), 1-18 (2016).
- Beattie, W., et al. Clog-free cell filtration using resettable cell traps. Lab on a Chip. 14 (15), 2657-2665 (2014).
- Cheng, Y., et al. A bubble- and clogging-free microfluidic particle separation platform with multi-filtration. Lab on a Chip. 16 (23), 4517-4526 (2016).
