Una de microfluidos basada en hidrodinámica trampa para las partículas individuales

El objetivo general de este método es confinar y manipular partículas individuales a escala micro y nanométrica utilizando flujo laminar en un dispositivo microfluídico. La trampa hidrodinámica consiste en un dispositivo microfluídico con una geometría de canal en cruz, que da lugar a un flujo de punto de estancamiento en la unión del microcanal. Una válvula integrada situada en uno de los canales de salida se utiliza para controlar activamente el flujo de fluido y atrapar partículas.

Las partículas se confinan en un punto de ajuste definido por el usuario mediante el control activo de la posición del punto de estancamiento. Se utiliza un controlador de retroalimentación para rastrear la posición de la partícula y regular la válvula en el chip a fin de mantener la posición de la partícula en el punto de ajuste. Mediante la trampa hidrodinámica, se pueden atrapar partículas individuales en soluciones de partículas diluidas o concentradas y se pueden observar mediante microscopía de fluorescencia o de campo brillante.

Una única partícula puede quedar confinada a menos de un micrómetro del centro de la trampa, como se muestra en la trayectoria de la partícula y en el histograma del desplazamiento de la partícula respecto al centro de la trampa. Hola, soy Eric Johnson Rio del laboratorio del profesor Charles Schroer en el Departamento de Ingeniería Química y Biomolecular, y en el Centro de Biofísica y Biología Computacional de la Universidad de Illinois. Hola, mi nombre es Ari, investigador posdoctoral en el Laboratorio Schroeder.

Hola, soy Cheryl Schroeder, y hoy les mostraré cómo fabricar e implementar un dispositivo microfluídico para el atrapamiento hidrodinámico de partículas individuales. La principal ventaja de esta técnica frente a métodos existentes, como las trampas ópticas o electrocinéticas, es que el atrapamiento hidrodinámico se logra únicamente mediante la acción del flujo de fluido, eliminando así campos externos potencialmente perjudiciales para el atrapamiento de nanopartículas o células. Esta técnica tiene el potencial de transformar la ciencia básica y aplicada al permitir el atrapamiento en solución libre de partículas a escala micro y nanométrica, sin requerimientos sobre las propiedades químicas o físicas de la partícula atrapada.

Así que comencemos. Para facilitar la separación de las réplicas de los moldes de SU-8, silanice la superficie de los moldes de SU-8 colocando las obleas en un desecador bajo vacío durante 10 minutos con un recipiente de vidrio que contenga unas gotas de triclorosilano, utilizando PDMS mezclado con DGAs para las capas fluidica y de control. Aplique por centrifugado la mezcla de PDMS 15:1 sobre el molde de la capa fluidica durante 30 segundos a 750 RPM, y luego coloque la oblea en una placa de Petri.

De manera similar, coloque el molde de la capa de control en una placa de Petri y vierta una mezcla de PDMS en proporción cinco a uno sobre el molde hasta alcanzar un espesor de cuatro milímetros. Para curar parcialmente las capas de PDMS, hornee las obleas o PDMS durante 30 minutos a 70 grados Celsius y luego déjelas enfriar a temperatura ambiente. Corte el replicado de PDMS con el bisturí y sepárelo del molde SU8.

Luego, con la aguja de calibre 21, haga un orificio en el PDMS como puerto de acceso al microcanal que actuará como válvula de membrana en el chip. Coloque la réplica de PDMS con la capa de control sobre la oblea que tiene la capa fluidica de PDMS recubierta por centrifugado. Alinee cuidadosamente y selle la capa de control a la capa fluidica utilizando un microscopio estéreo.

Asegúrese de eliminar todos los bolsillos de aire entre las capas y hornee a 70 grados Celsius durante la noche para curar completamente ambas capas en una placa monolítica de PDMS. Después de enfriar a temperatura ambiente, use un escalpelo para cortar y desprender la réplica de PDMS del molde SU-8 y use una cuchilla de afeitar para eliminar el exceso de PDMS y separar cada unidad del dispositivo. Ahora, perfore puertos de acceso a los microcanales en la capa fluidica con una aguja de calibre 21. Limpie una lámina de vidrio con acetona e IPA y séquela con nitrógeno.

Someta ambas superficies, la cubreobjetos y la réplica de PDMS, a un plasma de oxígeno a 500 militorr durante 30 segundos. Luego, ponga inmediatamente ambas superficies en contacto para formar un sello irreversible. Finalmente, incube los dispositivos durante la noche para aumentar la unión entre las capas de PDMS y la cubreobjetos.

Primero, coloque el dispositivo microfluídico sobre la platina de un microscopio invertido y fíjelo con pinzas de platina. A continuación, para introducir las soluciones en el dispositivo microfluídico, llene una jeringa hermética al gas de un mililitro y otra de 250 microlitros con las soluciones tampón y de muestra, respectivamente. Utilice una válvula en T entre la jeringa de muestra y el puerto de muestra en el dispositivo microfluídico para controlar la introducción de la muestra.

Ahora establezca las conexiones fluidicas entre las jeringas y el dispositivo microfluídico, utilizando tubos de perfluoroxi, adaptadores de cierre tipo enchufe y tubos metálicos de calibre 24. Luego, establezca las conexiones fluidicas para los canales de salida en el dispositivo microfluídico con tubos de PFA y tubos metálicos de calibre 24. Para mantener una caída de presión constante entre las jeringas y los canales de salida, los tubos de PFA para las salidas deben tener la misma longitud y ambos deben estar sumergidos en un tubo de centrífuga de 1,5 mililitros lleno con solución tampón.

Llene la válvula integrada con aceite portador fluorado utilizando una jeringa plástica de bloqueo de tres mililitros para evitar que entre aire en la capa fluidica durante la operación. Empuje el aire de la cámara de la válvula a través de la membrana de PDMS hacia el microcanal. En la capa fluidica.

Para la operación de válvulas en el chip. Conecte una fuente de gas inerte presurizado al puerto en la capa de control. Enjuague las conexiones fluidicas y el dispositivo microfluídico con 0,5 mililitros de solución tampón para asegurar que todas las burbujas de aire sean eliminadas del sistema, incluyendo los canales de salida.

Los caudales típicos utilizados para eliminar burbujas oscilan entre 2000 y 5000 microlitros por hora después de que las burbujas de aire se hayan eliminado de los canales microfluídicos; reduzca entonces el caudal a entre 50 y 100 microlitros por hora, que es un caudal volumétrico típico para el atrapamiento de partículas. Ahora cambie la válvula en T para permitir que la muestra fluya hacia el dispositivo microfluídico. Ejecute el código personalizado de LabVIEW, que automatiza el atrapamiento de partículas mediante la implementación de un algoritmo de control de retroalimentación lineal.

El código captura imágenes de una cámara CCD y transmite un potencial eléctrico a un regulador de presión que modula activamente la posición de una válvula neumática en el chip. Utilizando el escenario de traslación XY del microscopio, coloque la región de atrapamiento en el centro del campo de visión de la cámara. Enfoque la región de atrapamiento mediante la lente del objetivo y ajuste la configuración de la cámara para optimizar las condiciones de imagen.

Seleccione una región rectangular de interés dentro del campo de visión de la cámara de manera que el centro de la ROI sea la posición del centro de la trampa. Ahora inicialice la presión de desplazamiento aplicada a la válvula integrada. Una constricción de 100 a 200 micrones de ancho ubicada en el canal de salida opuesto.

Proporciona una presión de compensación para el funcionamiento de la válvula integrada en el chip. Inicie el controlador de retroalimentación y ajuste la ganancia proporcional para optimizar la respuesta del trampa. Dependiendo del caudal y de la posición de la válvula en el chip, existe un valor óptimo de ganancia proporcional, que aumenta la estabilidad del trampa y elimina las oscilaciones no deseadas de las partículas.

El código de vista de laboratorio atrapará automáticamente una de las partículas que entra en la región de atrapamiento. En este video, el movimiento de la partícula en la dirección del flujo entrante se debe a que la corriente de entrada de la muestra se deja abierta para maximizar la estrechez del atrapamiento en la dirección del flujo entrante. El usuario puede cerrar la corriente de muestra durante el atrapamiento, lo que equilibra uniformemente el flujo hacia la unión del canal en cruz, monitorear la partícula atrapada y mantener el enfoque de la partícula dentro del plano de la imagen utilizando el enfoque manual o un sistema de microscopio con enfoque automatizado.

El dispositivo microfluídico integrado consta de un enfoque de muestra, una unión en cruz y una válvula neumática. El atrapamiento ocurre en la unión en cruz y la posición de la partícula se controla mediante el ajuste activo del campo de flujo en la unión del microcanal a través de la válvula neumática. Aquí se muestra una imagen de un único microesfera confinada en la trampa hidrodinámica. Además del centro de la trampa, se observan varias microesferas no atrapadas en la región de atrapamiento en la unión en cruz.

Se traza la trayectoria de una microesfera fluorescente de poliestireno de 2,2 micrones atrapada. Inicialmente, la partícula se mantiene atrapada durante tres minutos. Luego se libera del trampa y escapa a lo largo de uno de los canales de salida.

Un histograma del desplazamiento de una perla atrapada desde el centro de la trampa a lo largo de la dirección de los canales de salida indica que la partícula está confinada a menos de una micra del centro de la trampa. Hoy presentamos la trampa EM como un método para atrapar en solución libre partículas a escala micro y nanométrica mediante un punto de flujo estacionario generado dentro de un dispositivo microfluídico. El atrapamiento hidrodinámico permite el confinamiento de una partícula objetivo individual en suspensiones concentradas de partículas, lo cual es difícil de lograr con métodos alternativos de atrapamiento basados en campos de fuerza.

Tras un mayor desarrollo, esta nueva técnica permitirá la exploración científica en los campos de la biofísica, la mecánica celular, la dinámica de fluidos, la enzimología y la biología de sistemas. Gracias por ver este video y esperamos que esta técnica sea útil para sus experimentos.