Manyetik Nanopartikül Bazlı İmmünoassaylar için Kademeli Bir Kısıtlama ile Mikroakışkan Akrilik Cihazın Bilgisayar Sayısal Kontrol Mikrofrezelenmesi

Son yıllarda, mikroakışkanlar immünoassay tekniklerinde önemli bir rol oynamıştır¹. Minyatürleştirme teknolojisi, geleneksel immünotahlillere kıyasla daha az numune ve reaktif tüketimi, daha kısa inkübasyon süreleri, verimli çözelti değişimi ve daha yüksek entegrasyon^{ve otomasyon 2} gibi birçok olağanüstü avantaja sahiptir.

Ayrıca, immünotahlillerdeki mikroakışkan sistemler, immünodestek olarak manyetik nanopartiküllerle birlikte, inkübasyon sürelerini önemli ölçüde azaltır ve artan yüzey-hacim oranı nedeniyle yüksek algılama hassasiyeti elde eder³. Parçacıkların Brownian hareketi, antijen-antikor kompleksi ^4,5’in oluşumu sırasında reaksiyon kinetiğini geliştirir. Dahası, nanopartiküllerin manyetik özellikleri, farklı mikroakışkan cihaz konfigürasyonlarına entegre edilmek üzere çok yönlülük sağlar, bu da onları minyatür çip üstü biyosensing sistemlerinde sinyal ve molekül yakalama için ideal bir aday haline getirir⁵. Bununla birlikte, manyetik kuvvetler, yüksek yüzey-hacim oranı⁶ nedeniyle nanometre ölçeğinde sürükleme kuvvetlerinden önemli ölçüde daha zayıftır. Bu nedenle, yıkama ve algılama gibi önemli immünoassay adımları için nanopartiküllerin yakalanması zor olabilir ve geleneksel bir mıknatıs yetersizdir⁴.

Nanopartikülleri manipüle etmenin etkili bir yolu, mikroakışkan bir yapıda paketlenmiş demir mikropartikülleri tarafından oluşturulan mikroakışkan manyetik bir tuzağın kullanılmasıdır³. Bu nedenle, harici bir mıknatıs yaklaştığında, manyetik ve akı kuvvetleri arasında mıknatıslanmış gözenekli ortam içinde karmaşık bir etkileşim yaratılır. Nanopartiküllere etki eden manyetik kuvvet, onları yakalamak ve akış sürüklenmesine direnmek için yeterince güçlüdür ^3,4,7. Bu yaklaşım, mikropartikülleri tutan mikrometrik yapılar oluşturmak için birkaç mikrometre düzeyinde çözünürlükler elde eden mikrofabrikasyon teknikleri gerektirir.

Mevcut mikrofabrikasyon teknikleri, yapıların birkaç mikrondan yüzlerce nanometreye kadar yüksek çözünürlüklü imalatına izin verir⁸. Bununla birlikte, bu tekniklerin çoğu uzmanlaşmış, pahalı veya karmaşık ekipman gerektirir. Başlıca zorluklardan biri, pahalı ve zaman alıcı ^8,9 olan kalıp üretimi için temiz bir oda gereksinimidir. Son zamanlarda, mikroakışkan mühendisleri, azaltılmış maliyetler, daha hızlı geri dönüş süreleri, daha ucuz malzemeler ve aletler ve artan işlevsellik gibi çeşitli avantajlarla çeşitli alternatif imalat yöntemleri geliştirerek bu dezavantajı aşmışlardır⁸. Bu şekilde, yeni mikrofabrikasyon tekniklerinin geliştirilmesi, 10 μm^8’e kadar düşük çözünürlüklere ulaşan düşük maliyetli, temiz oda dışı yöntemler getirdi. Desenleme, pahalı bir kalıplama deseni oluşturmadan doğrudan bir substrat üzerinde kullanılabilir, böylece zaman alıcı bir işlemden kaçınılır. Doğrudan imalat yöntemleri arasında CNC frezeleme, lazer ablasyon ve doğrudan litografi^{8 bulunur}. Tüm bu yöntemler, sertliklerine bakılmaksızın çok çeşitli malzemelerde yüksek en boy oranına sahip kanallar üretmek için uygundur⁹, mikroakışkan cihazlarda yeni ve avantajlı geometriler, fiziksel davranışlar ve nitelikler^{sağlar 8}.

CNC mikro frezeleme, bir alt tabakadan dökme malzemeyi çıkaran kesici aletler kullanarak mikro ölçekli yapılar oluşturur ve mikroakışkan cihazlar için etkili bir imalat yöntemidir^10,11. Mikrofrezeleme tekniği, mikroakışkan uygulamalarda doğrudan çalışma yüzeyinde mikro kanallar ve özellikler oluşturmak için yararlı olabilir ve önemli bir avantaj sunar: bir iş parçası kısa sürede (30 dakikadan az) üretilebilir ve tasarımdan prototip^12’ye geri dönüş süresini önemli ölçüde azaltır. Ek olarak, farklı malzemelerden, boyutlardan ve şekillerden kesme aksesuarlarının geniş kullanılabilirliği, CNC freze makinelerini birçok düşük maliyetli tek kullanımlık malzeme türünde farklı özelliklerin üretilmesine izin veren uygun bir araç haline getirir¹³.

Mikrofrezelemede yaygın olarak kullanılan tüm malzemeler arasında, termoplastikler birçok olumlu özellikleri ve biyolojik uygulamalarla uyumluluğu nedeniyle lider bir seçim olmaya devam etmektedir^10,14. Termoplastikler, düşük maliyetli, tek kullanımlık analitik sistemler geliştirmek için önemli avantajları nedeniyle mikroakışkan sistemler için çekici bir substrattır⁹. Ek olarak, bu malzemeler yüksek hacimli üretim süreçlerine oldukça uygundur, bu da onları ticarileştirme ve seri üretim için uygun hale getirir. Bu nedenlerden dolayı, PMMA gibi termoplastikler, mikroakışkanların ilk yıllarından beri güvenilir ve sağlam malzemeler olarak kabul edilmiştir¹⁰. Termoplastiklerde solvent yapıştırma¹⁵, ısı yapıştırma¹⁶ ve ultraviyole (UV) / ozon yüzey işleme yapıştırma¹⁷ gibi kapalı kanallar üretmek için farklı protokoller tanımlanmıştır.

Çoğu durumda, geleneksel mikro freze makineleri ile elde edilen konumlandırma çözünürlüğü, 10 μm’den küçük yapılar gerektiren bazı mikroakışkan uygulamalar için yeterli değildir. Üst düzey mikro frezeleme yeterli çözünürlüğe sahiptir. Ne yazık ki, yüksek fiyatlar nedeniyle, kullanımı bir avuç kullanıcıyla sınırlıdır¹². Daha önce, araştırma grubumuz, geleneksel freze makinelerinin çözünürlüğünün üstesinden gelerek, 10 μm’den daha az işleme yapılarına izin veren düşük maliyetli bir takımın imalatını ve manipülasyonunu bildirmiştir¹². Fikstür, üç piezoelektrik aktüatör içeren, basit elektroniklerle 3D baskı ile üretilen bir platformdur. Yüzey, piezoelektrik elemanlar aynı anda hareket ettiğinde kaldırılmasını sağlayan menteşe şeklindeki eklemler içerir. Z ekseni yer değiştirmesi, 500 nm çözünürlük ve ±1,5 μm¹² hassasiyetle kontrol edilebilir.

Bu yazıda, bir mikrofrezeleme tekniği ile bir akrilik cihazın (PMMA) üretim sürecinin adımları sunulmaktadır. Talaş tasarımı, 200 μm genişliğinde ve 200 μm yüksekliğinde bir ana kanaldan ve reaktiflerin akışını temizlemek için aynı boyutlara sahip bir yan kanaldan oluşur. Merkezi bölgede, kanal, harici bir mıknatıs yerleştirerek nanopartiküller için manyetik bir tuzak oluşturan manyetik mikropartikülleri yakalamak için bu grup¹² tarafından yapılan 3D baskılı piezoelektrik platform ile imal edilen sadece 5 μm yüksekliğinde fiziksel bir kısıtlama ile kesintiye uğrar. Mikroakışkan cihazın çalışmalarını, 100 nm manyetik nanopartiküllere konjuge edilmiş bir model antijen olarak lizozim kullanarak ticari bir antikoru tespit etmek için bir immünoassay yaparak gösteriyoruz. Bu cihaz, onu benzersiz kılan farklı özellikleri bir araya getirir⁴: manyetik nanopartiküllerin bağışıklık desteği olarak kullanılması, toplam test süresini saatlerden dakikalara düşürür; Tespit için florojenik bir enzim kullanmak, standart enzime bağlı immünosorbent tahlilleriyle (ELISA’lar) karşılaştırılabilir tespit sınırlarına izin verir; ve bir termoplastiğin bir imalat malzemesi olarak kullanılması, önceki mikroakışkan nanopartiküllerin manyetik tuzakları³ için geçerli olmayan seri üretimle uyumlu hale getirir ve POCT’yi geliştirmek için mükemmel bir aday haline getirir.