High Speed Droplet-based Delivery System für Passive Pumping in Mikrofluidiksysteme
2. September 2009
Ein neuartiger Mikrofluidik-System wurde entwickelt, mit dem Phänomen der passiven Pumpen und einem Benutzer gesteuert Flüssigkeit Delivery-System. Das Mikrofluidik-System hat das Potenzial, in einer Vielzahl von biologischen Anwendungen aufgrund ihrer niedrigen Kosten, einfache Handhabung, volumetrische Genauigkeit, hohe Geschwindigkeit, Reproduzierbarkeit und Automatisierung eingesetzt werden.
Die passive Pumpe erfordert einen großen Tropfen am Auslass und einen kleinen Tropfen am Einlass. Dies erzeugt die notwendige Druckdifferenz, um den Fluss anzutreiben. Abwechselnde Tropfen unterschiedlicher Flüssigkeiten führen dazu, dass Pakete durch den Kanal transportiert und schließlich am Auslass gesammelt werden.
Hohe Durchflussraten können erreicht werden, indem Tropfen mit geringem Volumen mit einer ausreichend hohen Frequenz zugeführt werden, um eine stabile Flüssigkeitshülle am Einlass zu erzeugen. Hallo, ich bin Pedro Reto aus dem Justin-Williams-Labor der Abteilung für Biomedizinische Technik an der University of Wisconsin Medicine. Und ich bin Brian Mogan, ebenfalls aus dem Williams-Labor.
Und ich bin Aaron Burier aus dem Labor von Professor S, ebenfalls aus der Abteilung für biomedizinische Technik an der W Medicine. Heute zeigen wir Ihnen ein Verfahren zur passiven Pumpung in mikrofluidischen Vorrichtungen. In unserem Labor verwenden wir dieses Verfahren, um Strömungen in Mikrokanälen sowie den fluidischen Austausch innerhalb des Kanals für biologische Anwendungen zu untersuchen.
Beginnen wir also. Erstellen Sie zunächst mithilfe der Technik der weichen Lithografie ein mikrofluidisches Gerät aus Polymethylsuboxon. Schneiden Sie danach das Gerät aus und verbinden Sie es dann reversibel.
Befestigen Sie das PDMS-Gerät an einem Objektträger, indem Sie es auf den Träger drücken und dabei eventuelle Luftblasen herausdrücken. Eine reversible Befestigung ermöglicht es, das Gerät mehrfach zu verwenden. Füllen Sie das Gerät nun mit Flüssigkeit.
Wir verwenden Wasser mit Lebensmittelfarbe. Wenn die Flüssigkeit nicht von selbst in den Kanal eindringt, geben Sie einen Tropfen Flüssigkeit am Einlass ab und saugen Sie die Flüssigkeit mit einer Pipette am gegenüberliegenden Ende durch den Kanal. Nachdem das Gerät mit Flüssigkeit gefüllt wurde, bringen Sie einen kleinen Tropfen am Einlass und einen größeren Tropfen am Auslass an.
Stellen Sie sicher, dass sich die Flüssigkeit bewegt, indem Sie beobachten, wie der kleine Tropfen am Einlass zusammenfällt, während der Tropfen am Auslass größer wird. Bevor wir fortfahren, erläutern wir die grundlegenden Zusammenhänge der passiven Pumpung. Die Dynamik der gepumpten Tropfen hängt von mehreren Faktoren ab: den Kanalabmessungen mit Höhe und Länge sowie von der Größe des Tropfens, der am Einlass platziert wird.
Um Ihnen eine bessere Vorstellung davon zu vermitteln, wie diese Faktoren den Durchfluss beeinflussen, werden wir einige Beispiele geben. Beginnen wir mit zwei ähnlichen Kanälen. Sie haben dieselbe Breite und Höhe, aber einer ist länger als der andere.
Jetzt geben wir Tropfen gleicher Größe am Einlass jedes Kanals auf. Beobachten Sie, wie der Tropfen am Einlass des kürzeren Kanals schneller zusammenbricht als der des längeren Kanals. Der Grund hierfür ist, dass ein längerer Kanal einen höheren fluidischen Widerstand aufweist und die Strömung innerhalb langsamer verläuft.
Nun betrachten wir zwei weitere Kanäle mit gleicher Länge und Höhe, jedoch unterschiedlicher Breite. Bringen wir identische Tropfen am Eingang jedes Kanals an und beobachten deren Zusammenbruch. Beachten Sie, wie der schmalere Kanal länger benötigt, um den Eingangstropfen zusammenfallen zu lassen?
Das liegt daran, dass der dünnere Kanal einen größeren fluidischen Widerstand aufweist als der breitere Kanal. Zuletzt betrachten wir zwei identische Kanäle und bringen Tropfen unterschiedlicher Größe am Einlass jedes Kanals an. Beachten Sie, wie der größere Einlasstropfen länger zum Zusammenbruch benötigt als der kleinere Einlasstropfen.
Das liegt daran, dass ein kleinerer Tropfen ein geringeres Volumen und einen höheren inneren Druck als ein größerer Tropfen aufweist. Da bekannt ist, dass kleinere Tropfen besser sind als größere, und da beobachtet wurde, wie schnell diese kleinen Tropfen kollabieren können, fragen wir uns nun, wie man volumetrisch präzise Tropfen so an den Eingang eines Kanals abgeben kann, dass biologische Experimente durchgeführt werden können.
Stellen Sie mithilfe des Mikrodosier-Starters von Lee Company ein oder mehrere Ventile zusammen, die jeweils aus dem Vol-Ventil, einer Düse mit einer Öffnungsgröße von 0,0100 Zoll und einem weichen Schlauchadapter bestehen. Hier haben wir also das Ventil, das über die Schlauchventil-Anschlüsse mit der Steuerbox verbunden ist, wie im vorherigen Schritt durchgeführt. Außerdem verfügen wir über eine Spitzenspannungsquelle, die sich an dieser Wurzel hier befindet.
Dann folgt unsere Steuerspannungsquelle, gefolgt von der Haltespannungsquelle. Schließlich wird eine Verbindung zur Masse hergestellt, um die Ventile in Position zu halten, während auf den Einlass gezielt wird. Verwenden Sie Biowissenschaftliche Werkzeuge, Miniaturhalter.
Sie ermöglichen es, das Ventil präzise in einer bestimmten Position auszurichten und zu halten. Verwenden Sie während der Experimente Drei-Viertel-Unzen-Spritzen, um ein Reservoirsystem anzuschließen, das einige Fuß über der PDMS-Vorrichtung platziert wird. Das Reservoir erzeugt einen Druckunterschied, der die Düsen antreibt.
Befestigen Sie eine Spritzenkanüle an der Spritze. Befestigen Sie nun die Spritzenkanüle an einem Innenschlauch mit 1,14 Millimeter Durchmesser und anschließend diesen an einem Schlauch mit 1,58 Millimeter Innendurchmesser. Verwenden Sie PDMS als Dichtmittel.
Verbinden Sie nun den Schlauch mit einem Innendurchmesser von 1,58 Millimetern mit dem Weichschlauchadapter des Ventils. Da nun eine Leitung zwischen der Spritzennadel und dem Ventil besteht, füllen Sie die Spritzenreservoirs mit Flüssigkeit, um die Ventile zu entlüften und das Rohr mit Wasser zu füllen. Platzieren Sie einen Magneten an der Seite des Ventils und beobachten Sie, wie die Flüssigkeit aus dem Reservoir durch das Ventil und aus der Düse mit einem Durchmesser von 0,01 Zoll zu fließen beginnt.
Wir steuern dieses System mit einem Computer über LabView und die Spike-and-Hold-Steuerbox der Firma Lee. Zum Kalibrieren des Systems richten Sie ein Ventil auf eine Petrischale oder ein Wiegeschiffchen aus. Öffnen Sie nun das Ventil für einen beliebig gewählten Zeitraum und wiegen Sie das Gesamtvolumen des aus der Düse austretenden Wassers.
Teilen Sie dieses Volumen durch die gesamte Offenzeit des Systems. Diese Kalibrierung ermöglicht es dem Anwender, das Volumen des Wassers zu bestimmen, das für einen bestimmten Zeitraum aus der Düse austritt. Nachdem das System kalibriert wurde, richten Sie die Düse auf den Eingang eines Kanals aus, basierend auf der vorherigen Kalibrierung; spritzen Sie eine solche Wassermenge aus der Düse, dass ein Tropfen am Eingang des Kanals abgegeben wird, ohne zu groß zu sein und Unordnung zu verursachen oder zu klein, um bemerkt zu werden.
Denken Sie daran, Blasen zwischen den Experimenten zu entfernen. Nachdem nun die grundlegenden Prinzipien des passiven Pumpens verstanden sind und die Systemkalibrierung erläutert wurde, betrachten wir, was ein Anwender sehen sollte, wenn alles ordnungsgemäß funktioniert. Das folgende Video zeigt einen Durchfluss durch einen mikrofluidischen Kanal, beginnend mit größeren Volumina bei niedrigeren Frequenzen und wechselnd zu geringeren Volumina bei höheren Frequenzen.
Dies sollte dem Benutzer ein Verständnis für die Fähigkeiten der früheren Pumpentechnik sowie eines automatisierten fluidischen Abgabesystems vermitteln. Die in den folgenden Videos verwendeten Geräteabmessungen betragen 2,22 Millimeter Breite, 10 Millimeter Länge und 260 Mikrometer Höhe. Die Durchmesser von Einlass und Auslass betragen jeweils 1,78 Millimeter und 5,11 Millimeter.
Zwei oder mehr Ventile sind erforderlich, um abwechselnde Strömungen zu erzeugen, wie oben dargestellt. Danach folgt ein Video, das die maximal mögliche Durchflussrate des derzeit verwendeten Geräts zeigt. In diesem Fall wird ein einzelnes Ventil verwendet, um die Flüssigkeit zuzuführen.
Um das Systemgleichgewicht aufrechtzuerhalten, ist es wichtig, das Ventil direkt von oben auf den Einlass auszurichten. Achten Sie auf die Hülle, die der Tropfen am Einlass bildet. Dies stellt den konstanten Druck dar, der dadurch aufrechterhalten wird, dass Wasser so schnell zum Einlass geleitet wird, wie das Gerät es passiv durchpumpen kann.
Achten Sie außerdem darauf, wie der Einlass-Tropfen an einem bestimmten Punkt überläuft. Dies wird höchstwahrscheinlich durch eine Störung des Auslass-Tropfens verursacht. Durch das Entfernen des Überlaufs am Einlass erreicht das System wieder das Gleichgewicht, und der Fluss setzt sich fort.
Normalerweise haben wir Ihnen gerade gezeigt, wie man ein passives Pumpsystem unter Verwendung handelsüblicher Mikrodüsen einrichtet, kalibriert und bedient. Bei der Durchführung dieser Experimente ist es stets wichtig, sich daran zu erinnern, eine stabile Druckquelle zu verwenden, um zu verhindern, dass Blasen in Ihren Kanal gelangen, die Wechselwirkungen zwischen Kanalgeometrie und Tropfengröße zu berücksichtigen, um die gewünschten Strömungen und Austauschvorgänge zu erreichen, und darauf zu achten, dass der Auslasstropfen nicht zu groß wird, da er andernfalls Unordnung verursachen oder Ihren Einlass erreichen könnte, sowie darauf, Ihre PDMS-Vorrichtungen sauber und trocken zu halten.
Das war's also. Vielen Dank fürs Zuschauen und viel Erfolg bei Ihren Experimenten.
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Übersicht
Es wurde ein neuartiges mikrofluidisches System entwickelt, das passive Pumpung und ein benutzerkontrolliertes Flüssigkeitszufuhrsystem nutzt. Dieses System ist für verschiedene biologische Anwendungen konzipiert, da es kostengünstig, einfach in der Handhabung und hochpräzise ist.
Wesentliche Studienkomponenten
Bereich der Wissenschaft
- Mikrofluidik
- Biomedizinische Technik
- Strömungsdynamik
Hintergrund
- Beim passiven Pumpen wird ein Druckunterschied mithilfe von Tröpfchen erzeugt.
- Wechselnde Flüssigkeitströpfchen können Flusspakete in Mikrokanälen erzeugen.
- Mit Tröpfchen geringen Volumens können hohe Durchflussraten erreicht werden.
- Diese Technologie kann biologische Experimente und Analysen verbessern.
Zweck der Studie
- Entwicklung eines kosteneffizienten mikrofluidischen Systems.
- Verbesserung der Präzision bei der Flüssigkeitszufuhr in biologischen Anwendungen.
- Automatisierung von Prozessen zur Steigerung der Wiederholbarkeit und Geschwindigkeit.
Verwendete Methoden
- Konstruktion eines mikrofluidischen Systems unter Verwendung passiven Pumpens.
- Implementierung eines benutzerkontrollierten Fluidzufuhrmechanismus.
- Überprüfung der Durchflussraten bei variierenden Tröpfchengrößen.
- Bewertung der Systemleistung in biologischen Anwendungen.
Hauptergebnisse
- Das System zeigte eine hohe volumetrische Präzision.
- Die Durchflussraten wurden mit dem neuen Design deutlich verbessert.
- Die Automatisierung führte zu einer erhöhten Wiederholbarkeit in Experimenten.
- Das System ist für verschiedene biologische Anwendungen anpassbar.
Schlussfolgerungen
- Das entwickelte mikrofluidische System bietet ein vielversprechendes Werkzeug für Forscher.
- Seine geringen Kosten und einfache Handhabung machen es für verschiedene Labore zugänglich.
- Zukünftige Anwendungen könnten sich auf mehrere Bereiche der biologischen Forschung ausdehnen.
Häufig gestellte Fragen
Ausschlaggebende Bedeutung für die Industrie
Dieses auf Tropfen basierende mikrofluidische System ermöglicht eine präzise, hochfrequente Flüssigkeitszufuhr für biologische Anwendungen, indem es passives Pumpen mit automatisierter Tropfenbildung kombiniert. Es unterstützt reproduzierbare Reagenzdosierung und dynamischen Flüssigkeitsaustausch in Mikrokanälen und trägt so wesentlich zur Bewältigung zentraler Herausforderungen in Workflows zur Assay-Entwicklung und Zielvalidierung bei. Die Technologie erhöht die Vorhersagesicherheit in der frühen Forschung, indem sie kontrollierbare Fluiddynamik für Untersuchungen zu Arzneimittel-Zelle-Wechselwirkungen sowie für mechanistische Screening-Verfahren bereitstellt.
Strategische Anwendungen in der Biopharma-Forschung und -Entwicklung
Frühe Entdeckung und Zielvalidierung
- Wissenschaftlicher Wert: Ermöglicht die Überprüfung therapeutischer Hypothesen durch kontrollierten Flüssigkeitsaustausch und die Vermischung über Tröpfchen an mikrofluidischen Einlässen.
- Operativer Wert: Stellt eine volumetrisch präzise Tröpfchenzufuhr mittels spannungsgesteuerter Ventile bereit und unterstützt damit eine reproduzierbare Dosierung von Substanzen in mikrofluidischen Assays.
- Predictiver Wert: Erleichtert einen dynamischen Flüssigkeitsaustausch in Kanälen innerhalb von nur acht Millisekunden und ermöglicht somit schnelle Störungen und Messungen in Target-Bindungsstudien.
Screening und Assay-Entwicklung
- Wissenschaftlicher Nutzen: Unterstützt die Herstellung stabiler Fluidhüllen an Kanaleinlässen durch hochfrequente Tropfenabgabe und ermöglicht damit konsistente Ausgangsbedingungen für die Durchmusterung.
- Operativer Nutzen: Erreicht Durchflussraten von bis zu 4 mL/min in 2,2 mm × 260 µm Kanälen und ermöglicht so einen hochdurchsatzfähigen Fluidaustausch und die Nachfüllung von Reagenzien in mikrofluidischen Systemen.
- Skalierbarkeit: Verwendet handelsübliche Mikrodüsen und Steuersysteme, wodurch die Plattform für verschiedene mikrofluidische Gerätedesigns wiederverwendet werden kann.
Translationale und präklinische Forschung
- Translationaler Zusammenhang: Ermöglicht Arzneimittel-Zell-Studien durch die Kontrolle von Strömungseigenschaften und impulsgetriebener Vermischung an mikrofluidischen Einlässen, was für die pharmakokinetische und pharmakodynamische Modellierung relevant ist.
- Mechanistische Risikominimierung: Ermöglicht die Untersuchung des Zusammenspiels zwischen Tröpfchenimpuls und Oberflächenspannung und liefert Erkenntnisse über das fluidische Verhalten, das die Reagenzienzufuhr und zelluläre Reaktionen beeinflusst.
- Vorhersagegenauigkeit: Bietet ein krankheitsrelevantes System zur Untersuchung fluidvermittelter biologischer Prozesse unter kontrollierten hydrodynamischen Bedingungen.
Pipeline- und Workflow-Integration
Das System integriert sich in frühe Entdeckungsworkflows, indem es eine präzise Flüssigkeitsmanipulation für die Target-Validierung und die Bereitschaft von Assays ermöglicht und dropletbasierte Abgabe mit passivem Pumpen für einen kontinuierlichen mikrofluidischen Betrieb verbindet.
- Entdeckungsbiochemie: Unterstützt die Hypothesenprüfung durch kontrollierte Tropfenabgabe und Flüssigkeitsaustausch, wodurch Forschende die Dynamik von Zielstrukturen unter definierten Strömungsbedingungen untersuchen können.
- Screening: Ermöglicht die Bereitschaft für Assays durch die stabile Bildung einer Flüssigkeitsumhüllung an den Einlässen mittels Tropfenabgabe mit hoher Frequenz und verbessert dadurch die Reproduzierbarkeit bei der Wirkstoff-Screening.
- Analytik: Bietet quantitative Messungen des Flüssigkeitsaustauschs (z. B. 8 ms Austauschzeit), die Teams dabei helfen, Bedingungen zu vergleichen und kinetische Reaktionen in mikrofluidischen Systemen zu bewerten.
- Translationale Forschung: Schafft einen Bezug zur präklinischen Kontinuität, indem Wirkstoff-Zelle-Studien unter kontrollierter Strömung ermöglicht werden, was für die Modellierung von in-vivo-ähnlichen Fluidströmungen relevant ist.
- Unternehmensweite Wiederverwendung: Nutzt ein wiederverwendbares mikrofluidisches Gerät mit reversibler PDMS-Glas-Verbindung, das den mehrfachen Einsatz über verschiedene Experimente und Forschungsteams hinweg unterstützt.
Operative und unternehmerische Auswirkungen
- Wissenschaftlicher Wert: Verringert mechanistische Unschärfen bei fluidgetriebenen biologischen Reaktionen, indem eine präzise Kontrolle über den Trägheitsimpuls der Tropfen und die Gleichgewichtseinstellung der Oberflächenspannung ermöglicht wird.
- Operationaler Wert: Stellt Standardisierung und Reproduzierbarkeit durch kalibrierte, spannungsgesteuerte Tropfenabgabe und reversiblen Geräteanschluss sicher.
- Strategischer Wert: Verbessert Entscheidungen über Fortführung oder Abbruch von Projekten, indem zuverlässige Kinetik der Flüssigkeitsaustauschvorgänge und Mischfähigkeit für die biologische Beurteilung in frühen Entwicklungsstadien bereitgestellt werden.
- Portfolio-Implikation: Unterstützt die risikoadjustierte Priorisierung durch quantifizierbare Ergebnisse der Fluiddynamik, die das Assay-Design und das Vertrauen in die Zielvalidierung beeinflussen.
Durchführungsüberlegungen
- Erfordert Fachkenntnisse in der Herstellung mikrofluidischer Vorrichtungen, den Prinzipien der passiven Pumpung sowie spannungsgesteuerten Flüssigkeitszufuhrsystemen.
- Benötigt Instrumentierung wie Mikrodosierventile, Steuerboxen (Spike/Hold), Druckreservoirs und Mikroskopie zur Beobachtung des Flusses.
- Erfordert eine standardisierte Vorgehensweise zwischen Teams hinsichtlich der Kalibrierung des Tröpfchenvolumens, der Positionierung der Düsen und des Reservoiraufbaus, um eine konsistente Leistung sicherzustellen.
- Beinhaltet Anpassungsüberlegungen für unterschiedliche Kanalgeometrien, Flüssigkeitsviskositäten und Tröpfchenwinkel, um Überlauf an den Einlässen oder instabile Strömungshüllen zu vermeiden.
- Umfasst praktische Einschränkungen wie das Risiko der Blasenbildung bei instabilem Druckgefälle sowie die Notwendigkeit, die Größe der Auslasströpfchen zu steuern, um Rückfluss oder Störungen am Einlass zu verhindern.
