מהירות גבוהה Droplet מבוססי משלוח מערכת פסיבי שאיבה מכשירים microfluidic

שאיבה פסיבית דורשת הצבה של טיפה גדולה בפתח היציאה וטיפה קטנה בפתח הכניסה. דבר זה ייצור את הפרש הלחצים הדרוש להנעת הזרימה. טיפות לסירוגין של נוזלים שונים יגרמו לזרימת חבילות של נוזל בתעלה, אשר ייאספו בסופו של דבר בפתח היציאה.

ניתן להשיג קצבי זרימה גבוהים על ידי אספקת טיפות בנפח נמוך בתדר גבוה מספיק כדי להשיג מעטפת נוזל יציבה בכניסה. שלום, אני פדרו רטו מהמעבדה של ג'סטין ויליאמס במחלקה להנדסה ביו-רפואית באוניברסיטת ויסקונסין מדיסן. ואני בריאן מוגן, גם אני מהמעבדה של ויליאמס.

ואני אהרון בוריאר מהמעבדה של פרופסור S, גם היא מהמחלקה להנדסה ביו-רפואית ב-a W Medicine. היום נדגים לכם פרוצדורה לביצוע שאיבה פסיבית (passive pumping) בהתקנים מיקרופלואידיים. במעבדה שלנו, אנו משתמשים בפרוצדורה זו כדי לחקור זרימה בתוך מיקרו-תעלות ולחקור חילוף נוזלים בתוך התעלה עבור יישומים ביולוגיים.

אם כן, נתחיל. ראשית, באמצעות טכניקת ליטוגרפיה רכה, צרו התקן מיקרופלואידי באמצעות polymethyl suboxone. לאחר מכן, גזרו את ההתקן ולאחר מכן הפכו אותו.

הצמידו את התקן ה-PDMS ללבידה של זכוכית על ידי לחיצתו על הלבידה וסחיטת בועות אוויר שנותרו. חיבור הפיך מאפשר להשתמש במכשיר מספר פעמים. כעת מלאו את ההתקן בנוזל.

אנו משתמשים במים עם צבע מאכל. אם הנוזל אינו זורם לתעלה באופן עצמי, יש להניח טיפה של נוזל בפתח הכניסה ולהשתמש בפיפטה בקצה הנגדי כדי לשאוב את הנוזל דרך התעלה. לאחר מילוי המכשיר בנוזל, יש להניח טיפה קטנה בפתח הכניסה וטיפה גדולה יותר בפתח היציאה.

וודאו שהנוזל זורם על ידי מעקב אחר הטיפה הקטנה בכניסה שקורסת בעוד שהטיפה ביציאה גדלה. לפני שנמשיך, נסביר את היחסיים הבסיסיים של שאיבה פסיבית. הדינמיקה של טיפות נשאיות תלויה במספר גורמים: ממדי התעלה, כולל הגובה והאורך, ובגודל הטיפה הממוקמת בכניסה.

כדי לספק הבנה טובה יותר לגבי האופן שבו גורמים אלו משפיעים על הזרימה, נביא מספר דוגמאות. נתחיל עם שני תעלות דומות. יש להן את אותו רוחב וגובה, אך אחת מהן ארוכה יותר מהשנייה.

כעת נניח טיפות בגודל זהה בכניסה של כל תעלה. שימו לב כי הטיפה בכניסה לתעלות הקצרות יותר קורסת מהר יותר מאשר הטיפה בתעלות הארוכות יותר. זאת מכיוון שתעלה ארוכה יותר בעלת התנגדות הידראולית גדולה יותר, והזרימה בתוכה איטית יותר.

כעת, נחקור שני תעלות נוספות בעלות אותו אורך וגובה, אך ברוחבים שונים. נמקם טיפות זהות בכניסה של כל תעלה ונצפה בקריסתן. שימו לב כי בתעלה הדקה יותר לוקח יותר זמן עד שהטיפה בכניסה קורסת.

זאת מכיוון שלעתב הצר יותר יש התנגדות זורמית גבוהה יותר מאשר לעתב הרחב יותר. לבסוף, ניקח שני עתבים זהים ונניח טיפות בגדלים שונים בכניסה של כל אחד מהם. שימו לב כי לטיפה הגדולה יותר בכניסה לוקח זמן רב יותר לקרוס מאשר לטיפה הקטנה יותר בכניסה.

זאת מכיוון שלטיפה קטנה יותר יש נפח קטן יותר ולחץ פנימי גבוה יותר מאשר לטיפה גדולה יותר. בידיעה שטיפות קטנות עדיפות על פני טיפות גדולות, ולאחר שצפינו במהירות שבה טיפות קטנות אלו יכולות לקרוס, אנו שואלים את עצמנו כעת כיצד להעביר טיפות במדויקות נפחית לכניסתו של תעלה באופן שיאפשר לנו לבצע ניסויים ביולוגיים.

באמצעות ערכת ההתחלה למיקרו-דיספנסינג של חברת Lee Company, הרכיבו שסתום אחד או יותר, שכל אחד מהם מורכב משסתום נפח (vol valve), נחיר עם גודל פתח של 0.0100 inches ומתאם לצינור רך. כאן השסתום מחובר לתיבת הבקרה באמצעות מחברי שסתום הצינור, כפי שביצענו בשלב הקודם. ולאחר מכן יש לנו מקור מתח פולסי (spike voltage source), שהוא הכבל שמופיע כאן.

לאחר מכן יש לנו את מקור מתח הבקרה, ולאחריו את מקור מתח ההחזקה. ולבסוף, בחיבור להארקה כדי להחזיק את השסתומים במקומם בזמן הכיוון אל הכניסה. השתמשו במחזיקים מיניאטוריים של bioscience tools.

אלו מספקים דרך לכוון ולהחזיק את השסתום במדויק בעמדה מסוימת. במהלך הניסוי, השתמשו במזרקים של שלושה רבעי אונסיה כדי ליצור מערכת מיכלים שתוצב במרחק של מספר רגליים מעל התקן ה-PDMS. המיכלים מספקים עמוד לחץ להנעת הדיזות.

חברו מחט למזרק. כעת חברו את המחט לצינורית בעלת קוטר פנימי של 1.14 millimeter, ולאחר מכן חברו אותה לצינורית בעלת קוטר פנימי של 1.58 millimeter. השתמשו ב-PDMS כחומר איטום.

כעת חברו את הצינור בעל הקוטר הפנימי 1.58 millimeter למתאם הצינור הרך של השסתום. כעת, כאשר קיים קו מקשר בין מחט המזרק לשסתום, מלאו את מאגרי המזרק בנוזל כדי לנקות את השסתומים ולאפשר למים למלא את הצינור. הניחו מגנט לצד השסתום ועקבו אחר תחילת זרימת הנוזל מהמאגר, דרך השסתום ומחוץ לנחיר בעל קוטר 0.01 inch.

אנו שולטים במערכת זו באמצעות מחשב המשתמש ב-lab view ובתיבת הבקרה spike and hold של חברת Lee Company. כדי לכלול את המערכת, כוונו שסתום אחד לכדית פטרי או לסירה לשקילה של מי גבינה. כעת פתחו את השסתום למשך פרק הזמן שתבחרו ושקלו את סך נפח המים היוצאים מהנחיר.

חלק נפח זה בזמן הפתיחה הכולל של המערכת. כיול זה מאפשר למשתמש למצוא את נפח המים הנורה מהנחיר עבור כל פרק זמן נתון. לאחר כיול המערכת, כוון את הנחיר לכניסה של תעלה ובסס על הכיול הקודם ירי של נפח מהנחיר, כך שטיפה תירה אל כניסת התעלה מבלי להיות גדולה מדי כדי לגרום ללכלוך או קטנה מדי כדי שלא תבחין בה.

זכרו להסיר בועות בין הניסויים. כעת, לאחר שהעקרונות הבסיסיים של שאיבה פסיבית הובנו וכיול המערכת הוסבר, בואו נראה למה המשתמש אמור לצפות כאשר התהליך מתבצע כראוי. הסרטון הבא מציג זרימה דרך תעלה מיקרופלואידית, העוברת מנפחים גבוהים בתדרים נמוכים לנפחים נמוכים בתדרים גבוהים.

שלב זה אמור להקנות למשתמש הבנה של יכולות השאיבה לאחור (past pumping) בשילוב עם מערכת אוטומטית להגשת נוזלים. ממדי ההתקן המשמש בסרטונים הבאים הם 2.22 millimeter רוחב, 10 millimeter אורך ו-260 micrometer גובה. קטרי הכניסה והיציאה הם 1.78 millimeter ו-5.11 millimeter, בהתאמה.

שני שסתומים או יותר נחוצים כדי ליצור זרימות לסירוגין כפי שמוצג לעיל. בהמשך מופיע סרטון המדגים את קצב הזרימה המקסימלי האפשרי מהמכשיר הנוכחי שבשימוש. במקרה זה, נעשה שימוש בשסתום בודד להזרמת הנוזל.

כדי לשמור על איזון המערכת, חשוב לכוון את השסתום ישירות מהחלק העליון של פתח הכניסה. שימו לב למעטפת שנוצרת מהטיפה בפתח הכניסה. דבר זה מייצג את הלחץ הקבוע שנשמר על ידי הזרמת מים לפתח הכניסה במהירות המקסימלית שבה המכשיר יכול להזרים אותם באופן פסיבי.

כמו כן, שימו לב כי בנקודה מסוימת טיפת הכניסה גולשת. הדבר נגרם ככל הנראה כתוצאה מהפרעה לטיפת היציאה. באמצעות הסרת הגלישה בכניסה, המערכת חוזרת לשיווי משקל והזרימה נמשכת.

בדרך כלל, הראינו להדגים כיצד להקים, לכייל ולהפעיל מערכת שאיבה פסיבית באמצעות מיקרו-נחירים (micro nozzles) הזמינים מסחרית. בעת ביצוע ניסויים אלה, חשוב לזכור תמיד להשתמש במקור לחץ יציב כדי למנוע חדירת בועות לערוץ, ולהכיר את הפשרות בין גאומטריית הערוץ לגודל הטיפה כדי להשיג את הזרימות והחילופים הרצויים. לדוגמה, יש למנוע מהטיפה בפתח היציאה להפוך לגדולה מדי, שכן הדבר עלול לגרום ללכלוך או להגעה לפתח הכניסה, ויש לשמור על התקני ה-PDMS נקיים ויבשים.

זהו זה. תודה שצפיתם ובהצלחה בניסויים שלכם.