عالية السرعة نظام تسليم القطرة ومقرها سلبية الضخ في أجهزة ميكروفلويديك

يتطلب الضخ السلبي وضع قطرة كبيرة عند المخرج وقطرة صغيرة عند المدخل، مما سيؤدي إلى إحداث فرق الضغط اللازم لدفع التدفق. وسيؤدي استخدام قطرات متبادلة من سوائل مختلفة إلى تدفق حزم داخل القناة، ليتم تجميعها في النهاية عند المخرج.

يمكن تحقيق معدلات تدفق عالية من خلال توصيل قطرات ذات حجم منخفض بتردد عالٍ بما يكفي لتحقيق غلاف سائل مستقر عند المدخل. مرحباً، أنا بيدرو ريتو من مختبر جستن ويليامز في قسم الهندسة الطبية الحيوية بجامعة ويسكونسن ميديسين. وأنا برايان موجان، أيضاً من مختبر ويليامز.

وأنا آرون بورييه من مختبر البروفيسور S، في قسم الهندسة الطبية الحيوية في كلية الطب بجامعة W. سنعرض لكم اليوم إجراءً لتنفيذ الضخ السلبي في الأجهزة الموائعية الدقيقة. ونستخدم في مختبرنا هذا الإجراء لدراسة التدفق داخل القنوات الدقيقة ودراسة التبادل الموائعي داخل القناة للتطبيقات البيولوجية.

لنبدأ الآن. أولاً، وباستخدام تقنية الليثوغرافيا الناعمة، قم بتصنيع جهاز للموائع الدقيقة باستخدام polymethyl suboxone. بعد ذلك، قم بقص الجهاز ثم قم بعملية عكسية.

قم بتثبيت جهاز PDMS على شريحة زجاجية عن طريق الضغط عليه فوق الشريحة وطرد أي فقاعات هوائية. يتيح التثبيت القابل للعكس إعادة استخدام الجهاز عدة مرات. الآن، املأ الجهاز بالسائل.

نستخدم الماء مع ملون طعام. إذا لم يتدفق السائل إلى القناة تلقائياً، ضع قطرة من السائل عند المدخل واستخدم ماصة عند الطرف المقابل لسحب السائل عبر القناة. بعد ملء الجهاز بالسائل، ضع قطرة صغيرة عند المدخل وقطرة أكبر عند المخرج.

تأكد من تحرك السائل من خلال مراقبة انكماش القطرة الصغيرة عند المدخل بينما يزداد حجم القطرة عند المخرج. وقبل المتابعة، دعنا نشرح العلاقات الأساسية للضخ السلبي. تعتمد ديناميكيات القطرات التي يتم ضخها على عدة عوامل، منها أبعاد القناة من حيث الارتفاع والطول، بالإضافة إلى حجم القطرة الموضوعة عند المدخل.

لإعطائك فكرة أفضل عن كيفية تأثير هذه العوامل على التدفق، سنقوم بطرح بعض الأمثلة. لنبدأ بقناتين متشابهتين؛ حيث تتماثلان في العرض والارتفاع، ولكن إحداهما أطول من الأخرى.

الآن نضع قطرات بنفس الحجم عند مدخل كل قناة. لاحظ كيف تنهار القطرة الموجودة عند مدخل القنوات الأقصر بسرعة أكبر من القطرة الموجودة في القنوات الأطول. يعود ذلك إلى أن القناة الأطول تمتلك مقاومة مائعية أكبر ويكون التدفق بداخلها أبطأ.

بعد ذلك، دعونا نستكشف قناتين إضافيتين لهما نفس الطول والارتفاع، ولكن بعروض مختلفة. لنضع قطرات متماثلة عند مدخل كل قناة ونراقب انهيارها. لاحظ كيف تستغرق القناة الأضيق وقتاً أطول لإحداث انهيار القطرة الموجودة عند المدخل؟

وذلك لأن القناة الأنحف تمتلك مقاومة مائعية أكبر من القناة الأوسع. وأخيراً، لنأخذ قناتين متطابقتين ونضع قطرات بأحجام مختلفة عند مدخل كل منهما. لاحظ كيف تستغرق القطرة الأكبر عند المدخل وقتاً أطول لتنهار مقارنة بالقطرة الأصغر عند المدخل.

يرجع ذلك إلى أن القطرة الأصغر حجماً تكون ذات حجم أقل وضغط داخلي أكبر من القطرة الأكبر. ومع معرفتنا بأن القطرات الصغيرة أفضل من القطرات الكبيرة، وملاحظتنا لمدى سرعة انهيار هذه القطرات الصغيرة، نتساءل الآن عن كيفية إيصال قطرات دقيقة الحجم إلى مدخل القناة بطريقة تمكننا من إجراء تجارب بيولوجية.

باستخدام مجموعة أدوات التوزيع الدقيق المبدئية من شركة Lee Company، قم بتجميع صمام واحد أو أكثر، حيث يتكون كل منها من صمام vol، وفوهة بحجم فتحة 0.0100 inches، ومحول أنبوب مرن. وهنا لدينا الصمام متصلاً بصندوق التحكم عبر موصلات صمام الأنبوب، وهو ما قمنا به في الخطوة السابقة. ثم لدينا مصدر جهد نبضي، وهو هذا الجذر الموجود هنا.

ثم لدينا مصدر جهد التحكم، يليه مصدر جهد التثبيت. وأخيراً، يتم التوصيل بالأرضي لتثبيت الصمامات في مكانها أثناء التوجيه نحو المدخل. استخدم حوامل مصغرة من شركة bioscience tools.

توفر هذه الأدوات وسيلة لتوجيه الصمام بدقة وتثبيته في وضع معين. أثناء التجربة، وباستخدام محاقن سعة ثلاثة أرباع الأونصة، قم بإنشاء نظام خزان يوضع على ارتفاع بضعة أقدام فوق جهاز PDMS. يوفر الخزان ضغطاً هيدروليكياً لدفع الفوهات.

قم بتثبيت إبرة حقنة بالحقنة. الآن قم بتوصيل إبرة الحقنة بأنبوب داخلي قطره 1.14 millimeter، ثم قم بتوصيل ذلك بأنبوب قطره الداخلي 1.58 millimeter. استخدم PDMS كمادة مانعة للتسرب.

قم الآن بتوصيل الأنبوب ذو القطر الداخلي 1.58 millimeter بمحول الأنبوب المرن للصمام. وبما أن هناك الآن خطاً واصلاً بين إبرة المحقنة والصمام، املأ خزانات المحقنة بالسائل لتطهير الصمامات والسماح بملء الأنابيب بالماء. ضع مغناطيساً بجانب الصمام وراقب بدء تدفق السائل من الخزان عبر الصمام ومن ثم عبر الفوهة ذات القطر 0.01 inch.

نقوم بالتحكم في هذا النظام بواسطة جهاز كمبيوتر باستخدام برنامج LabVIEW وصندوق تحكم في التدفق النبضي والثابت (spike and hold) من شركة Lee Company. ولمعايرة النظام، وجه أحد الصمامات نحو طبق بتري أو وعاء وزن مخصص لمصل اللبن. ثم افتح الصمام لأي فترة زمنية تختارها، وقم بوزن الحجم الإجمالي للمياه الخارجة من الفوهة.

اقسم هذا الحجم على إجمالي وقت فتح النظام. وتسمح هذه المعايرة للمستخدم بتحديد حجم الماء الذي يندفع من الفوهة خلال أي فترة زمنية محددة. وبعد معايرة النظام، وجّه الفوهة نحو مدخل القناة وبناءً على المعايرة السابقة، قم بدفع حجم من الفوهة بحيث تسقط قطرة عند مدخل القناة، بشرط ألا يكون الحجم كبيراً لدرجة تسبب الفوضى أو صغيراً لدرجة تجعله غير ملحوظ.

تذكر إزالة الفقاعات بين التجارب. الآن وبعد أن تم استيعاب المبادئ الأساسية للضخ السلبي وشرح معايرة النظام، دعنا نلقِ نظرة على ما يجب أن يراه المستخدم إذا كانت الأمور تسير بشكل صحيح. يوضح الفيديو التالي تدفقاً عبر قناة مائعية دقيقة ينتقل من أحجام أعلى عند ترددات منخفضة إلى أحجام منخفضة عند ترددات عالية.

من شأن ذلك أن يمنح المستخدم فهمًا لإمكانيات الضخ النبضي جنبًا إلى جنب مع نظام آلي لإيصال السوائل. تبلغ أبعاد الجهاز المستخدم في الفيديوهات التالية 2.22 millimeter عرضًا، و10 millimeter طولاً، و260 micrometer ارتفاعًا. أما أقطار المدخل والمخرج فهي 1.78 millimeter و5.11 millimeter على التوالي.

من الضروري استخدام صمامين أو أكثر لإنشاء تدفقات متبادلة كما هو موضح أعلاه. يليه مقطع فيديو يوضح أقصى معدل تدفق ممكن من الجهاز الحالي المستخدم. وفي هذه الحالة، يتم استخدام صمام واحد لتوصيل السائل.

للحفاظ على توازن النظام، من المهم توجيه الصمام مباشرة من أعلى المدخل. لاحظ الغلاف الذي تشكله القطرة عند المدخل؛ حيث يمثل هذا الضغط المستمر الذي يتم الحفاظ عليه عن طريق إيصال الماء إلى المدخل بأقصى سرعة يمكن للجهاز من خلالها ضخه بشكل سلبي.

لاحظ أيضاً كيف تفيض القطرة عند المدخل في مرحلة ما. يرجع ذلك على الأرجح إلى اضطراب القطرة عند المخرج. ومن خلال إزالة الفيض عند المدخل، يستعيد النظام توازنه ويستمر التدفق.

لقد عرضنا لكم للتو كيفية إعداد ومعايرة وتشغيل نظام ضخ سلبي باستخدام فوهات دقيقة متوفرة تجارياً. عند إجراء هذه التجارب، من المهم دائماً تذكر توفير مصدر ضغط مستقر لتجنب دخول الفقاعات إلى القناة، ومعرفة المقايضات بين هندسة القناة وحجم القطرة من أجل تحقيق التدفقات والتبادلات المطلوبة. فعلى سبيل المثال، يجب عدم السماح لقطرة المخرج بأن تصبح كبيرة جداً، لأن ذلك سيؤدي إلى إحداث فوضى أو وصولها إلى المدخل، كما يجب الحفاظ على أجهزة PDMS نظيفة وجافة.

هذا كل شيء. شكراً لكم على المشاهدة، ونتمنى لكم التوفيق في تجاربكم.