Пневматическая микрофлюидная платформа для концентрации микрочастиц
Summary
Настоящий протокол описывает пневматическую микрофлюидную платформу, которая может быть использована для эффективной концентрации микрочастиц.
Abstract
В настоящей статье представлен способ изготовления и эксплуатации пневматического клапана для регулирования концентрации частиц с использованием микрофлюидной платформы. Эта платформа имеет трехмерную (3D) сеть с изогнутыми каналами жидкости и тремя пневматическими клапанами, которые создают сети, каналы и пространства посредством дуплексной репликации с полидиметилсилоксаном (PDMS). Устройство работает на основе переходного отклика потока жидкости, контролируемого пневматическим клапаном, в следующем порядке: (1) загрузка образца, (2) блокировка образца, (3) концентрация пробы и (4) выпуск образца. Частицы блокируются тонкой деформацией диафрагменного слоя пластины ситового клапана (Vs) и накапливаются в изогнутом микрофлюидном канале. Рабочая жидкость сбрасывается срабатыванием двух клапанов включения/выключения. В результате операции все частицы различного увеличения были успешно перехвачены и отсоединены. При применении этой технологии рабочее давление, время, необходимое для концентрации, и скорость концентрации могут варьироваться в зависимости от размеров устройства и увеличения размера частиц.
Introduction
В связи с важностью биологического анализа, технологии микрофлюидных и биомедицинских микроэлектромеханических систем (БиоМЭМС) 1,2 используются для разработки и изучения устройств для очистки и сбора микроматериалов 2,3,4. Захват частиц классифицируется как активный или пассивный. Активные ловушки использовались для внешних диэлектрических5, магнитофоретических6, слуховых7, визуальных8 или тепловых9 сил, действующих на независимые частицы, что позволяет точно контролировать их движения. Однако требуется взаимодействие между частицей и внешней силой; таким образом, пропускная способность низкая. В микрофлюидных системах управление скоростью потока очень важно, потому что внешние силы передаются целевым частицам.
В целом, пассивные микрофлюидные устройства имеют микропиллары в микроканалах10,11. Частицы фильтруются через взаимодействие с протекающей жидкостью, и эти устройства просты в проектировании и недороги в производстве. Тем не менее, они вызывают засорение частиц в микростолпах, поэтому были разработаны более сложные устройства для предотвращения засорения частиц12. Микрофлюидные устройства со сложными структурами, как правило, пригодны для управления ограниченным числом частиц 13,14,15,16,17,18.
В данной статье описывается способ изготовления и эксплуатации пневматической микрофлюидной платформы для больших концентраций частиц, который преодолевает недостатки18 , как упоминалось выше. Эта платформа может блокировать и концентрировать частицы путем деформации и срабатывания тонкого диафрагменного слоя пластины ситового клапана (Vs), который накапливается в изогнутых микрофлюидных каналах. Частицы накапливаются в изогнутых микрофлюидных каналах, и концентрированные частицы могут отделяться, разряжая рабочую жидкость посредством приведения в действие двух уплотнений PDMS для включения/выключения клапанов18. Этот метод дает возможность переработать ограниченное количество частиц или сконцентрировать большое количество мелких частиц. Рабочие условия, такие как величина расхода и давление сжатого воздуха, могут предотвратить нежелательное повреждение клеток и повысить эффективность улавливания ячеек.
Protocol
Representative Results
Discussion
Эта платформа обеспечивает простой способ очистки и концентрирования частиц различных размеров. Частицы накапливаются и высвобождаются через пневматическое управление клапаном, и никакого засорения не наблюдается, потому что нет пассивной структуры. С помощью этого прибора предста?…
Disclosures
The authors have nothing to disclose.
Acknowledgements
Эта работа была поддержана грантом Национального исследовательского фонда Кореи (NRF), финансируемым правительством Кореи (Министерство науки и ИКТ). (Нет. НРФ-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).
