Mikro Partikül Konsantrasyonu için Pnömatik Tahrikli Mikroakışkan Platform
Summary
Mevcut protokol, verimli mikropartikül konsantrasyonu için kullanılabilecek pnömatik bir mikroakışkan platformu tanımlamaktadır.
Abstract
Bu makalede, mikroakışkan bir platform kullanarak partikül konsantrasyonunu kontrol etmek için pnömatik bir valf imal etmek ve çalıştırmak için bir yöntem tanıtılmaktadır. Bu platform, polidimetilsiloksan (PDMS) ile dubleks replikasyon yoluyla ağlar, kanallar ve alanlar oluşturan kavisli sıvı kanalları ve üç pnömatik valf içeren üç boyutlu (3D) bir ağa sahiptir. Cihaz, pnömatik bir valf tarafından kontrol edilen bir akışkan akış hızının geçici tepkisine göre aşağıdaki sırayla çalışır: (1) numune yükleme, (2) numune blokajı, (3) numune konsantrasyonu ve (4) numune salınımı. Parçacıklar, elek valfi (Vs) plakasının ince diyafram tabakası deformasyonu ile bloke edilir ve kavisli mikroakışkan kanalda birikir. Çalışma sıvısı, iki açma/kapama valfinin çalıştırılmasıyla boşaltılır. Operasyonun bir sonucu olarak, çeşitli büyütmelerdeki tüm parçacıklar başarıyla yakalandı ve devre dışı bırakıldı. Bu teknoloji uygulandığında, çalışma basıncı, konsantrasyon için gereken süre ve konsantrasyon oranı, cihaz boyutlarına ve partikül boyutu büyütmesine bağlı olarak değişebilir.
Introduction
Biyolojik analizin önemi nedeniyle, mikroakışkan ve biyomedikal mikroelektromekanik sistemler (BioMEMS) teknolojileri1,2, mikromalzemelerin saflaştırılması ve toplanması için cihazlar geliştirmek ve incelemek için kullanılmaktadır 2,3,4. Parçacık yakalama aktif veya pasif olarak kategorize edilir. Aktif tuzaklar, bağımsız parçacıklara etki eden harici dielektrik5, manyetoforetik6, işitsel7, görsel8 veya termal9 kuvvetleri için kullanılmış ve hareketlerinin hassas kontrolünü sağlamıştır. Bununla birlikte, parçacık ve dış kuvvet arasında bir etkileşim gereklidir; bu nedenle, verim düşüktür. Mikroakışkan sistemlerde, akış hızının kontrol edilmesi çok önemlidir, çünkü dış kuvvetler hedef parçacıklara iletilir.
Genel olarak, pasif mikroakışkan cihazların mikrokanallarda mikro sütunları vardır10,11. Parçacıklar, akan bir sıvı ile etkileşim yoluyla filtrelenir ve bu cihazların tasarlanması kolaydır ve üretimi ucuzdur. Bununla birlikte, mikro sütunlarda parçacık tıkanmasına neden olurlar, bu nedenle parçacık tıkanmasını önlemek için daha karmaşık cihazlar geliştirilmiştir12. Karmaşık yapılara sahip mikroakışkan cihazlar genellikle sınırlı sayıda parçacığı yönetmek için uygundur 13,14,15,16,17,18.
Bu makalede, yukarıda belirtildiği gibi eksikliklerin üstesinden gelen büyük parçacık konsantrasyonları için pnömatik olarak tahrik edilen bir mikroakışkan platform üretmek ve çalıştırmak için bir yöntem açıklanmaktadır18 . Bu platform, kavisli mikroakışkan kanallarda biriken elek valfi (Vs) plakasının ince diyafram tabakasının deformasyonu ve çalıştırılması ile parçacıkları bloke edebilir ve konsantre edebilir. Partiküller kavisli mikroakışkan kanallarda birikir ve konsantre partiküller, çalışma sıvısını iki PDMS contasının açma/kapama valflerinin çalıştırılmasıyla boşaltılarak ayrılabilir18. Bu yöntem, sınırlı sayıda parçacığın işlenmesini veya çok sayıda küçük parçacığın konsantre edilmesini mümkün kılar. Akış hızının büyüklüğü ve basınçlı hava basıncı gibi çalışma koşulları, istenmeyen hücre hasarını önleyebilir ve hücre yakalama verimliliğini artırabilir.
Protocol
Representative Results
Discussion
Bu platform, çeşitli boyutlardaki parçacıkları saflaştırmak ve konsantre etmek için basit bir yol sağlar. Partiküller pnömatik valf kontrolü ile biriktirilir ve serbest bırakılır ve pasif bir yapı olmadığı için tıkanma gözlenmez. Bu cihazı kullanarak, üç boyutlu parçacıkların konsantrasyonu sunulmaktadır. Bununla birlikte, çalışma basıncı, konsantrasyon için gereken süre ve oran, cihaz boyutlarına, partikül boyutu büyütmesine ve Vs18,20,21’deki<su…
Disclosures
The authors have nothing to disclose.
Acknowledgements
Bu çalışma, Kore hükümeti (Bilim ve BİT Bakanlığı) tarafından finanse edilen Kore Ulusal Araştırma Vakfı (NMG) hibesi tarafından desteklenmiştir. (Hayır. NMK-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).
