قناة موائع جزيئية إعادة التشكيل مع سيديوالس ديسكريتيزيد Pin
Summary
قناة موائع جزيئية مع سيديوالس تشوه يوفر التحكم بالانسياب ومعالجة الجسيمات، التخصيص البعد قناة وأخرى نقلهم بينما في الاستخدام. يصف لنا طريقة لاختلاق قناة موائع جزيئية مع سيديوالس مصنوعة من مجموعة المسامير التي يسمح بها الشكل لتغيير.
Abstract
مكونات موائع جزيئية تحتاج إلى الأشكال المختلفة لتحقيق المهام موائع جزيئية أساسية مختلفة مثل خلط والانفصال، ومحاصرة الجسيمات، أو ردود الفعل. قناة موائع جزيئية أن تبعثر حتى بعد تلفيق مع الاحتفاظ بالشكل القناة تمكن reconfigurability الزمانية المكانية العالية. هذا reconfigurability مطلوب في مثل هذه المهام موائع جزيئية الرئيسية التي يصعب تحقيق نظم موائع جزيئية “إعادة التشكيل” أو “متكاملة” الموجودة. يصف لنا طريقة لتلفيق قناة موائع جزيئية مع تشوه جدار يتألف من مجموعة محاذاة أفقياً من نهايات دبابيس مستطيلة. تحرك الدبابيس في توجهاتها طولية التغييرات نهاية المواقف الدبابيس، ومن ثم، شكل قناة ديسكريتيزيد سيديوالس. يمكن أن يسبب فجوات دبوس التسرب غير المرغوب فيها أو الالتصاق بدبابيس المتاخمة التي ألحقتها قوات غضروف. وادخلنا إلى سد الفجوات دبوس، ملء الفراغ القائم على تعليق فلوروبوليمير الهيدروكربونية مصحوبة بحاجز المرنة. هذا الجهاز موائع جزيئية إعادة التشكيل يمكن أن تولد تدفق قوي من التشرد في قناة الزمانية، أو يمكن أن يوقف التدفق في أي منطقة من القناة. هذه الميزة سيسهل، بناء على الطلب، التعامل مع الخلايا وسوائل لزجة وفقاعات الغاز وغير السوائل، حتى إذا كان وجودها أو السلوك غير معروف في وقت التصنيع.
Introduction
تقدم أجهزة موائع جزيئية-الحجم الصغير من الأجهزة التي تتحكم في كميات صغيرة من السائل وتدفقاتها-تصغير إجراءات الطبية الحيوية في شكل “شرائح” مع قابلية زيادة، وفي كثير من الأحيان، القدرة على تحمل التكاليف. كما هو موضح في مراجعة الأخيرة1، وضعت مختلف مكونات موائع جزيئية تتكون من الأماكن والمعالم الإيجابية لتحقيق المهام فلويديك الأساسية والرئيسية مثل خلط والانفصال، ومحاصرة الجسيمات، أو ردود الفعل.
بينما يتم تحديد سلوك أجهزة موائع جزيئية عديدة في مرحلة التصميم، بعض أنواع أجهزة موائع جزيئية تسمح التغييرات تلفيق ما بعد الهيكل أو السلوك. نشير هنا إلى هذه الميزة ك “reconfigurability”. Reconfigurability نظم موائع جزيئية عموما يقلل الوقت والتكلفة اللازمة لتصميم جهاز، و/أو تمكين تخصيص تخطيط موائع جزيئية أو الدالات على مر الزمن.
ووصف سابقا موائع جزيئية إعادة التشكيل الأجهزة تندرج في الفئات الثلاث التالية. في المرحلة الأولى، يسمح تشوه القنوات المرنة معدلات التدفق والاتجاهات تغييرها أثناء الاستخدام. للحصول على reconfigurability، هي مشوهاً القنوات المرنة بمختلف القوى الخارجية والسيطرة عليها مثل مصادر الضغط الهوائي2أو طريقة برايل المشغلات3ضغط ختم4. في الحالة الثانية، أجهزة إعادة التشكيل تعتمد على تصاميم معيارية، مثل اتصال وصلتي الدوائر فلويديك متعدد الطبقات، قنوات وحدات مع المغناطيسية، والمستندة إلى أنابيب ميكروفلويديكس5. في المجموعة الثالثة، الجهاز نفسه ليس من إعادة التشكيل، ولكن ميكرودروبليت النقل الكهربائي صفائف (غالباً ما يشار إلى ميكروفلويديكس الرقمية)6،7 ومعلقة على أساس إسقاط موائع جزيئية الأجهزة8 تمكين بناء على الطلب التبديل من التدفق أو مسار السائل.
ومع ذلك، العديد من نقلهم هذه محدودة على الصعيدين طوبولوجي والعيانية. على سبيل المثال، العديد من الأجهزة المتكاملة موائع جزيئية وقف تدفق أو تغيير اتجاه التدفق بطي ميكروتشانيلس في مناطق محددة مسبقاً. بيد أن الموقف وعدد من المناطق تكون مطوية لا إعادة التشكيل. على الرغم من أن ميكروفلويديكس الرقمية لديها مجموعة متنوعة من السوائل التعامل مع قدراتهم، ينبغي أن تكون محدودة التدفقات المحتملة إلى حد كبير بحجم كل قطره. وبالإضافة إلى ذلك، عندما تستزرع خلايا في هذه قطرات من خلية ثقافة وسائل الإعلام، مطلوب بذل جهد إضافي لمنع التبخر وتبديد الغاز من قطرات وتفادي صدمة osmolality وتغير مفاجئ في درجة الحموضة.
لتحقيق قناة ميزة مستوى reconfigurability، اقترحنا جهاز موائع جزيئية مع سيديوالس المنقولة التي تألفت من صفائف عناصر الجهاز لإعادة تكوين بشكل حيوي لهم في حالة استخدام9. لتشكل جدار تشوه، كانت اصطف دبابيس صغيرة مستطيلة الشكل حيث أن كل طرف من أطرافها تعريف جزء من الجدار. انزلاق الدبابيس يسمح تشوه الجدار الذي يسمح بالنقل أو الزخرفة من الخلايا وفقاعات، والجسيمات داخل القناة. لتقليل حجم القتلى وتعظيم reconfigurability، كانت المسافة بين أطرافها المتاخمة إلى أدنى حد. ومع ذلك، عمل شعري قوية تعمل على الصغيرة الفجوات بين دبابيس الاتصال الداخل وخارج microchannel يسبب تسرب أي سائل إدخال pin الفجوة، مما تسبب في تبخر وسائل الإعلام والتلوث البكتيري أو السامة للخلايا، وفي نهاية المطاف خلية الموت. ولذلك، قمنا بتطوير نوع جدار ديسكريتيزيد خالية من تسرب موائع جزيئية إعادة التشكيل القنوات التي تحمل الإجراءات دبوس دوري و ثقافة خلية طويل الأجل10.
في هذه المقالة، نحن نقدم بروتوكول لبناء موائع جزيئية خلية ثقافة الجهاز مع جدار ديسكريتيزيد التي يمكن أن يكون تشكيلها عقب الزيادة التدريجية في مجال الثقافة الخلية. يتم اختبار أيرتايتنيس سيديوالس قناة منفصلة باستخدام التصوير بالأسفار. خلية ثقافة التوافق وقدرة الخلية الزخرفة يتم تقييم استخدام زراعة الخلايا على شريحة.
وهذا النظام موائع جزيئية مناسبة كلما كان تصميم قناة مناسبة لا يمكن أن تكون محددة مسبقاً، ويجب تغيير في الطلب. على سبيل المثال، يمكن أن يستخدم هذا النظام لضبط معدل تدفق وعرض القناة على أساس نمو الخلايا أو الهجرة بالديدان الخيطية نشطة تدفق أو فخ أو غيرها من الأشياء الصغيرة التي تتصرف بشكل غير متوقع في القناة، أو قبول مختلف عينات الخام أو المنتجات الحيوية التي لا كان ينظر حتى الآن في وقت التصميم.
Protocol
Representative Results
Discussion
Microchannel ديسكريتيزيد دبوس قناة موائع جزيئية مميزة، ونعتقد أنها reconfigurability عالية من الواضح في شكل قناة بالمقارنة مع أي قنوات موائع جزيئية القائمة. وسيمكن البروتوكول قدمنا هنا أجهزة موائع جزيئية قادرة على ثقافة الخلية مع التوسع تدريجيا في خلية ثقافة المساحة السطحية للحفاظ الثقافات تحت كونفلوينسي لمدة طويلة. كما سيوفر الجهاز الزخرفة في القناة من الخلايا دون الزخرفة البروتينات على الركازة مسبقاً أو أي اعتبار آخر في الوقت التصميم أو تلفيق. وبالإضافة إلى ذلك، ينشئ هذا الجهاز موائع جزيئية إعادة التشكيل بسهولة تدفق قوية في قناة التشرد، الأمر الذي من شأنه أن يساعد تنفيذ معالجة هذه المواد الصعبة إلى تدفق موائع جزيئية الموجودة قليلة جداً التي يمكن التعامل مع الأجهزة. وهذا يعني أنه يمكن تقييم التفاعل بين الخلايا والكائنات الحية الدقيقة الأخرى، والغازات والسوائل الأخرى باستخدام هذا الجهاز بدون إدخال تعديلات كبيرة في تصميم الجهاز.
وقد نظرنا تطبيق ضغط لابلاس أو الضغط الهيدروليكي لمدخل واحد للقناة كأساليب مراقبة تدفق خارجي. لا نوصي بدفع السائل في طريق مسدود لأن فإنه سيتم إنشاء تدفق نحو قناة تنفيس الهواء من خلال الفجوات بين دبابيس والسقف/الكلمة للقناة. لا تتطلب عمليات السوائل العديد من هذه العمليات دبوس. على سبيل المثال، يمكن أن يتحقق الاختلاط بجرش السائل من طرف واحد (أي، نقل دبوس واحد فقط ذهابا وإيابا عدة مرات).
أهم أجزاء الجهاز هي المسامير. الدقة في الطول، التوازي، بيربينديكولاريتي ونوعية السطح مطلوبة من أجل الدبابيس، كما يجب أن تشكل من microchannel، يجب أن تتحرك بسلاسة، ويجب أن توجه حركة دبابيس المتاخمة. ولذلك، نوصي بأنه ينبغي الأمر بالدبابيس من شركة متخصصة في الآلات الدقيقة بتقديم رسم مشابه ل الشكل 2أ. قد يكون هناك الشركات التي تتطلب أبعاد هندسية إضافية وتوجيهات صريحة خشونة السطح. ومع ذلك، الدبابيس قابلة لإعادة الاستخدام إذا كانوا من التعامل معها بحذر وأحيانا تخمل مع حمض النيتريك.
أن الحاجز المرنة ميزة حاسمة أخرى، وتشكيلها هو الخطوة الأكثر أهمية في عمليات تصنيع الجهاز. سوف يلزم قاعدة التحديد تشكيلة للحصول على نتائج يمكن الاعتماد عليها وقابلة للتكرار. وضع الدبابيس على الحاجز أونكوريد أيضا خطوة حاسمة. يجب أن تبقى الدبابيس الانحياز، والمضمنة في ملء الفراغ والحاجز دون فقاعات الهواء. هذه الخطوات منع التسرب من خلال المسامير، التي مشكلة مشتركة مع هذا الجهاز موائع جزيئية.
القضايا المشتركة الأخرى في استخدام هذا الجهاز هي دبابيس أ) فريكتيونالي ضبط النفس، وموت الخلية ب)، وانخفاض معدل النمو. الأسباب المحتملة لهذه في) تشمل النقش (مدبب أو متموجة) تفاوت دبوس الأوسط ورداءة نوعية كفؤ السطحية، والأبعاد محفوراً بين ارتفاع الحافة دبوس وارتفاع طبقة مقاوم الضوء على قالب لألواح السيليكون. تعديل صياغة تنميش ودرجة الحرارة، والانفعالات قد تساعد في تحسين حركة دبوس. وبالإضافة إلى ذلك، ستوفر المحاكمة المناسب دون استخدام الشمع أو مادة لاصقة تلميحات لحل المشكلة. العوامل الممكنة في ب) يتم التخميل غير كافية من الدبابيس، أخطاء في اختيار المواد اللاصقة للحواجز المرنة، وعلاج غير مكتملة المواد اللاصقة. قد تتطلب بعض الخلايا طلاء داخل microchannel مع فيبرونيكتين أو بروتينات أو البوليمرات التي تعزز التصاق الخلايا الأخرى. وبالإضافة إلى ذلك، ستنخفض الأمثل في ممارسة ثقافة الخلية مثل تريبسينيزيشن والطرد المركزي الخلايا الميتة في microchannel.
واحدة من القيود المفروضة على البروتوكول تلفيق قدم أن واحدة فقط من سيديوالس ديسكريتيزيد. ستعزز تحسين reconfigurability القناة إذا كانت مبنية سيديوالس على حد سواء بدبوس صفائف. على الرغم من أنه يتطلب كمية مضاعفة من دبابيس وخطوات تصنيع أطول، وهذا خياراً قابلاً للتطبيق من الناحية الفنية.
Disclosures
The authors have nothing to disclose.
Acknowledgements
وأيد هذا البحث كاكينهي (20800048، 23700543).
Materials
| Oven | Yonezawa | MI-100 | |
| 10% Nitric Acid | Wako Chemicals | 149-06845 | |
| Stainless steel pins | Micro Giken | N/A | 0.3 mm crosssection, Grade 316L stainless steel, wire-cut EDM |
| Mold release agent | Fluoro Technology | FG-5093SH | |
| Polydimethylsiloxane (PDMS) | Shin-Etsu Chemicals | KE-106 | |
| Negative epoxy photoresist | Nippon Kayaku | SU-8 3050 | |
| Coverglasses (Rectangular) | Matsunami Glass | 26 x 60mm No.4 | |
| Acetone | Kanto Chemicals | 01060-79 | |
| Glass slides (Large) | Matsunami Glass | 76 x 52mm No.1 | |
| Silicone adhesive | Shin-Etsu Chemicals | KE-41 | |
| White petrolatum | Nikko Rica | Sun White P-1 | |
| Polytetrafluoroethylene (PTFE) powder | Power House Accele | Microfluon II | |
| Clear acrylic plate (3 mm-thick) | Various | N/A | |
| Pneumatic dispenser | Musashi Engineering | ML-5000XII | |
| Hydrochloric acid | Kanto Chemicals | 180768-00 | |
| Computer numerical control (CNC) mill | Pro Spec Tools | PSF240-CNC | |
| End mill (4 mm diameter) | Mitsubishi Materials | MS2MSD0400 | |
| End mill (1 mm diameter) | Mitsubishi Materials | MS2MSD0100 | |
| Adhesive (chemical-resistant and low viscosity ) | Cotronics | Duralco 4460 | |
| Borisilicate glass vials | Various | To prepare HNO3+HCl solution (Aqua regia). Always select borosilicate glass. | |
| Sodium bicarbonate | Kanto Chemicals | 37116-00 | |
| Ultrasonic cleaner | AS ONE | AS12GTU | |
| Ultrasonic drill | Shinoda Tools | SOM-121 | Used as a ultrasonic homogenizer. |
| Spin coater | Active | ACT-220DII | |
| Hotplate | AS ONE | ND-1 | |
| Photoplotted film (12,700 dpi) | Unno Giken | N/A | Negative image of the recess at the bottom of a PDMS slab are plotted. |
| 2-methoxy-1-methylethyl acetate | Wako Chemicals | 130-10505 | |
| UV spot light source | Hamamatsu | L8327 | Ultraviolet source |
| Nitrogen | Various | N/A | |
| Vacuum desiccator and pump | AS ONE | MVD-100, GM-20S | |
| Scalpels | Various | No.11 | |
| Biopsy punches (1.0mm and 2.0mm) | Kai Medical | BP-10F(1.0m), BP-20F(2.0mm) | |
| Glass engraving pen | Various | N/A | |
| Cleaning solution | Tama Chemicals | TMSC | Dilute 1:100 with deionized water |
| Sputter coater | San-yu Electron | SC-708 | For plasma bonding. |
| Dispenser syringe (5 ml) | Musashi Engineering | PSY-5E | |
| Plunger | Musashi Engineering | FLP-5E | |
| Blunt needle (21G) | Musashi Engineering | PN-21G-B | |
| Adapter tube | Musashi Engineering | AT-5E | |
| Fermenter | Japan Kneader | PF100 | |
| Green fluorescent dye (Alexa Fluor 488 carboxylic acid) | Thermo Fisher | A33077 | |
| Large plastic dish | Greiner bio-one | 688161 | |
| Absorbent paper | Asahi Kasei | BEMCOT M-1 | |
| Inverted microscope | Leica | DMi8 | |
| Microscope camera | Qimaging | Retiga 2000R | |
| Dulbecco modified Eagle medium (DMEM) | GE Health Care | SH30021.01 | |
| Antibiotic-antimycotic solution | Thermo Fisher | 15240-062 | |
| Trypsin/EDTA solution | Thermo Fisher | 25200-056 | |
| Phosphate buffered saline (PBS) | GE Health Care | SH30256.01 | |
| Fetal bovine serum (FBS) | Biowest | S1820 | |
| Cell counter | FPI | OC-C-S02 | |
| Cell culture vessel | VIOLAMO | VTC-D100 | |
| 15 ml conical tube | Corning | 352095 | |
| Shop microscope | PEAK | 2034-20 | |
| Hand sprayer | FURUPLA | No.3530 | |
| Coverglasses (Rectangular) | Matsunami Glass | 10 x 20mm No.4 | |
| CAD/CAM software | Autodesk | Inventor HSM | |
| Nitrogen gas pressure regulator | AS ONE | GF1-2506-RN-V | Set to 0.1 MPa |
References
- Nge, P. N., Rogers, C. I., Woolley, A. T. Advances in microfluidic materials, functions, integration, and applications. Chem Rev. 113 (4), 2550-2583 (2013).
- Araci, I. E., Brisk, P. Recent developments in microfluidic large scale integration. Curr Opin Biotechnol. 25, 60-68 (2014).
- Gu, W., Chen, H., Tung, Y. -. C., Meiners, J. -. C., Takayama, S. Multiplexed hydraulic valve actuation using ionic liquid filled soft channels and Braille displays. Appl Phys Lett. 90 (3), 033505 (2007).
- Konda, A., Taylor, J. M., Stoller, M. A., Morin, S. A. Reconfigurable microfluidic systems with reversible seals compatible with 2D and 3D surfaces of arbitrary chemical composition. Lab Chip. 15 (9), 2009-2017 (2015).
- Hahn, Y., Hong, D., Kang, J., Choi, S. A Reconfigurable microfluidics platform for microparticle separation and fluid mixing. Micromachines. 7 (8), 139 (2016).
- Kintses, B., van Vliet, L. D., Devenish, S. R. A., Hollfelder, F. Microfluidic droplets: new integrated workflows for biological experiments. Curr Opin Chem Biol. 14 (5), 548-555 (2010).
- Jebrail, M. J., Bartsch, M. S., Patel, K. D. Digital microfluidics: a versatile tool for applications in chemistry, biology and medicine. Lab Chip. 12 (14), 2452-2463 (2012).
- Frey, O., Misun, P. M., Fluri, D. A., Hengstler, J. G., Hierlemann, A. Reconfigurable microfluidic hanging drop network for multi-tissue interaction and analysis. Nat Commun. 5, 4250 (2014).
- Futai, N. Reconfigurable microchannels with discretized moving sidewalls. Chem Micro-Nano Syst. 10 (1), 24-25 (2011).
- Oono, M., et al. Reconfigurable microfluidic device with discretized sidewall. Biomicrofluidics. 11 (3), 034103 (2017).
