Alta velocità Droplet basato Delivery System per pompaggio passiva in dispositivi microfluidici
2 settembre 2009
Un nuovo sistema di microfluidica è stato sviluppato utilizzando il fenomeno del pompaggio passiva e di un controllo utente del sistema di consegna del fluido. Questo sistema di microfluidica ha il potenziale per essere utilizzato in una vasta gamma di applicazioni biologiche dato il suo basso costo, facilità d'uso, precisione volumetrica, alta velocità, ripetibilità e automazione.
Il pompaggio passivo richiede una goccia grande posizionata nell'uscita e una goccia piccola posta all'ingresso. Questo genererà la differenza di pressione necessaria per generare il flusso. L'alternanza di gocce di fluidi diversi provocherà il movimento di pacchetti all'interno del canale, che alla fine verranno raccolti all'uscita.
È possibile ottenere portate elevate erogando gocce di basso volume a una frequenza sufficientemente elevata da garantire uno strato fluido stabile all'ingresso. Ciao, sono Pedro Reto del laboratorio di Justin Williams del Dipartimento di Ingegneria Biomedica della Facoltà di Medicina dell'Università del Wisconsin. E io sono Brian Mogan, anch'io del laboratorio Williams.
E io sono Aaron Burier del laboratorio del Professor S, anch'esso nel dipartimento di ingegneria biomedica presso W Medicine. Oggi vi mostreremo un procedimento per eseguire il pompaggio passivo in dispositivi microfluidici. Nel nostro laboratorio, utilizziamo questo procedimento per studiare il flusso all'interno di microcanali e per analizzare lo scambio fluidico all'interno del canale per applicazioni biologiche.
Iniziamo. Per prima cosa, utilizzando la tecnica di litografia morbida, crea un dispositivo microfluidico impiegando polimetilmetacrilato. Successivamente, ritaglia il dispositivo e quindi invertilo.
Attaccare il dispositivo in PDMS a un vetrino premendolo sul vetrino ed espellendo eventuali bolle d'aria. Un'adesione reversibile permette di riutilizzare il dispositivo più volte. Ora riempire il dispositivo con liquido.
Utilizziamo acqua con colorante alimentare. Se il liquido non entra da solo nel canale, mettete una goccia di liquido all'ingresso e usate una pipetta all'estremità opposta per aspirare il liquido attraverso il canale. Dopo aver riempito il dispositivo con il liquido, posizionate una goccia piccola sull'ingresso e una goccia più grande sull'uscita.
Assicurarsi che il fluido si stia muovendo osservando il piccolo goccia all'ingresso che si restringe mentre la goccia all'uscita aumenta di dimensioni. Prima di procedere oltre, spieghiamo le relazioni fondamentali del pompaggio passivo. La dinamica delle gocce pompate dipende da diversi fattori, tra cui le dimensioni del canale in altezza e lunghezza, e dalla dimensione della goccia posizionata all'ingresso.
Per offrire una migliore comprensione di come questi fattori influenzino il flusso, forniremo alcuni esempi. Cominciamo con due canali simili. Hanno la stessa larghezza e altezza, ma uno è più lungo dell'altro.
Ora posizioniamo gocce della stessa dimensione all'ingresso di ogni canale. Osservate come la goccia all'ingresso dei canali più corti collassi più rapidamente rispetto a quella dei canali più lunghi. Questo accade perché un canale più lungo presenta una maggiore resistenza fluidica e il flusso al suo interno è più lento.
Successivamente, esploriamo altri due canali con la stessa lunghezza e altezza, ma larghezze diverse. Posizioniamo gocce identiche all'ingresso di ciascun canale e osserviamone il collasso. Notate come il canale più stretto impieghi più tempo a far collassare la goccia in ingresso?
Ciò accade perché il canale più sottile presenta una maggiore resistenza fluidica rispetto al canale più largo. Infine, consideriamo due canali identici e posizioniamo gocce di dimensioni diverse all'ingresso di ciascuno. Osserviamo come la goccia iniziale più grande impieghi più tempo a collassare rispetto alla goccia iniziale più piccola.
Ciò avviene perché una goccia più piccola ha un volume minore e una pressione interna maggiore rispetto a una più grande. Sapendo che le gocce più piccole sono migliori di quelle più grandi e avendo osservato quanto rapidamente queste gocce minuscole possano collassare, ci chiediamo ora come consegnare gocce con precisione volumetrica all'ingresso di un canale in modo da poter effettuare esperimenti biologici.
Utilizzando il kit iniziale per la microerogazione della Lee Company, assemblare una o più valvole, ciascuna composta dalla valvola vol, da un ugello con un'apertura di 0,0100 pollici e da un adattatore per tubo morbido. Qui abbiamo quindi la valvola collegata al quadro di controllo tramite i connettori per valvole a tubo, come realizzato nel passaggio precedente. Abbiamo poi una fonte di tensione impulsiva, ovvero questa radice qui.
Quindi abbiamo la nostra sorgente di tensione di controllo, seguita dalla sorgente di tensione di mantenimento. Infine, collegata a massa per mantenere le valvole in posizione durante il puntamento sull'ingresso. Utilizzare strumenti per le bioscienze, supporti miniaturizzati.
Questi permettono di puntare e mantenere con precisione la valvola in una determinata posizione. Durante l'esperimento, utilizzando siringhe da tre quarti di oncia, realizzare un sistema di serbatoio da posizionare a qualche piede sopra il dispositivo in PDMS. Il serbatoio fornisce una pressione idraulica per azionare le ugelli.
Attaccare un ago per siringa alla siringa. Ora collegare l'ago per siringa a un tubo con diametro interno di 1,14 millimetri, quindi collegare quest'ultimo a un tubo con diametro interno di 1,58 millimetri. Utilizzare il PDMS come sigillante.
Ora collegare il tubo con diametro interno di 1,58 millimetri all'adattatore per tubo flessibile della valvola. Ora che esiste un collegamento tra l'ago della siringa e la valvola, riempire i serbatoi della siringa con liquido per spurgo delle valvole e consentire al tubo di riempirsi d'acqua. Posizionare un magnete lateralmente alla valvola e osservare il liquido iniziare a fluire dal serbatoio attraverso la valvola e fuoriuscire dal beccuccio da 0,01 pollici.
Controlliamo questo sistema mediante un computer utilizzando LabVIEW e il box di controllo "spike and hold" della Lee Company. Per calibrare il sistema, orientare una valvola verso una piastra di Petri o un contenitore per pesare. Aprire ora la valvola per il tempo desiderato e pesare il volume totale di acqua fuoriuscito dall'ugello.
Dividere questo volume per il tempo totale di apertura del sistema. Questa calibrazione consente all'utente di determinare il volume di acqua che fuoriesce dall'ugello per un qualsiasi intervallo di tempo. Dopo aver calibrato il sistema, puntare l'ugello verso l'ingresso di un canale in base alla calibrazione precedente, regolando il volume in modo che una goccia venga espulsa all'ingresso del canale senza essere troppo grande da causare disordine o troppo piccola da passare inosservata.
Ricordarsi di rimuovere le bolle tra un esperimento e l'altro. Ora che sono stati compresi i principi di base del pompaggio passivo e sono state spiegate le procedure di calibrazione del sistema, esaminiamo cosa dovrebbe osservare un utente quando tutto funziona correttamente. Il seguente video mostra un flusso attraverso un canale microfluidico che passa da volumi maggiori a frequenze più basse a volumi minori a frequenze più elevate.
Questo dovrebbe fornire all'utente una comprensione delle capacità della pompa precedente insieme a un sistema automatizzato di somministrazione fluidica. Le dimensioni del dispositivo utilizzate nei seguenti video sono larghezza di 2,22 millimetri, lunghezza di 10 millimetri e altezza di 260 micrometri. I diametri dell'ingresso e dell'uscita sono rispettivamente di 1,78 millimetri e 5,11 millimetri.
Sono necessarie due o più valvole per creare flussi alternati come mostrato sopra. Di seguito è riportato un video che illustra la portata massima possibile del dispositivo attualmente in uso. In questo caso, viene utilizzata una singola valvola per erogare il fluido.
Per mantenere l'equilibrio del sistema, è importante puntare la valvola direttamente dalla parte superiore dell'ingresso. Osservare il menisco che la goccia forma all'ingresso. Questo rappresenta la pressione costante mantenuta fornendo acqua all'ingresso con la stessa velocità con cui il dispositivo la pompa passivamente.
Inoltre, osservare come la goccia in ingresso trabocchi in un determinato momento. Ciò è molto probabilmente causato da una perturbazione della goccia in uscita. Rimuovendo il trabocco all'ingresso, il sistema ripristina l'equilibrio e il flusso prosegue.
Normalmente, abbiamo appena mostrato come configurare, calibrare ed utilizzare un sistema di pompaggio passivo mediante microugelli disponibili in commercio. Quando si eseguono questi esperimenti, è sempre importante ricordare di utilizzare una sorgente di pressione stabile per evitare che si formino bolle nel canale, di conoscere i compromessi tra geometria del canale e dimensione delle gocce al fine di ottenere i flussi e gli scambi desiderati, di non far diventare troppo grande la goccia in uscita (ad esempio, potrebbe creare disordine o raggiungere l'ingresso) e di mantenere i dispositivi in PDMS puliti e asciutti.
Ecco fatto. Grazie per aver guardato e buona fortuna per i vostri esperimenti.
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Panoramica
È stato sviluppato un nuovo sistema microfluidico che utilizza un pompaggio passivo e un sistema di somministrazione del fluido controllato dall'utente. Questo sistema è progettato per diverse applicazioni biologiche grazie al suo basso costo, facilità d'uso e alta precisione.
Componenti Chiave dello Studio
Area della Scienza
- Microfluidica
- Ingegneria biomedica
- Dinamica dei fluidi
Sfondo
- La pompa passiva implica la creazione di una differenza di pressione mediante gocce.
- Gocce di fluido alternate possono generare pacchetti di flusso in microcanali.
- È possibile raggiungere elevati tassi di flusso con gocce di basso volume.
- Questa tecnologia può migliorare l'esperimentazione e l'analisi biologica.
Scopo dello studio
- Sviluppare un sistema microfluidico economico.
- Migliorare la precisione nella somministrazione dei fluidi nelle applicazioni biologiche.
- Automatizzare i processi per una maggiore ripetibilità e velocità.
Metodi Utilizzati
- Progettazione di un sistema microfluidico che utilizza il pompaggio passivo.
- Implementazione di un meccanismo di somministrazione dei fluidi controllato dall'utente.
- Verifica delle portate con dimensioni di goccioline variabili.
- Valutazione delle prestazioni del sistema in contesti biologici.
Risultati principali
- Il sistema ha dimostrato un'elevata precisione volumetrica.
- Le portate sono state notevolmente migliorate con il nuovo design.
- L'automazione ha portato a una ripetibilità migliorata negli esperimenti.
- Il sistema è adattabile a diverse applicazioni biologiche.
Conclusioni
- Il sistema microfluidico sviluppato offre uno strumento promettente per i ricercatori.
- Il suo basso costo e la facilità d'uso lo rendono accessibile a vari laboratori.
- Applicazioni future potrebbero estendersi a diverse aree della ricerca biologica.
Domande frequenti
Rilevanza Industriale del Progetto
Questo sistema microfluidico basato su goccioline consente un'erogazione precisa e ad alta frequenza di fluidi per applicazioni biologiche, combinando il pompaggio passivo con la generazione automatizzata di goccioline. Permette dosaggi riproducibili di reagenti e scambi dinamici di fluidi nei microcanali, affrontando criticità fondamentali nei flussi di lavoro di sviluppo dei saggi e di validazione degli obiettivi. La tecnologia aumenta l'affidabilità predittiva nelle fasi iniziali della scoperta fornendo dinamiche di fluido controllabili per studi sulle interazioni farmaco-cellula e per schermature meccanicistiche.
Applicazioni Strategiche nella Ricerca e Sviluppo in Biopharma
Scoperta Precoce e Validazione del Bersaglio
- Valore scientifico: Consente l'interrogazione di ipotesi terapeutiche mediante scambio controllato di fluidi e mescolamento mediato da gocce in ingressi microfluidici.
- Valore operativo: Garantisce la consegna di gocce con precisione volumetrica tramite valvole controllate da tensione, favorendo dosaggi riproducibili di composti in saggi microfluidici.
- Valore predittivo: Permette lo scambio dinamico di fluidi nei canali in tempi rapidi fino a otto millisecondi, consentendo perturbazioni e rilevamenti rapidi negli studi di interazione con il bersaglio.
Sviluppo di screening e saggi
- Valore scientifico: Permette la preparazione di gusci fluidi stabili in corrispondenza degli ingressi dei canali mediante il rilascio di gocce ad alta frequenza, consentendo condizioni di base costanti per lo screening.
- Valore operativo: Raggiunge portate fino a 4 mL/min in canali di dimensioni 2,2 mm × 260 µm, abilitando lo scambio di fluidi e il rifornimento di reagenti ad alta produttività in formati microfluidici.
- Scalabilità: Utilizza microugelli e sistemi di controllo disponibili commercialmente, consentendo il riutilizzo della piattaforma in diversi design di dispositivi microfluidici.
Ricerca Translazionale e Preclinica
- Continuità Translazionale: Permette studi farmaco-cellula controllando le caratteristiche del flusso e la miscelazione guidata dalla quantità di moto negli ingressi microfluidici, aspetti rilevanti per la modellizzazione farmacocinetica e farmacodinamica.
- De-risking Meccanicistico: Consente lo studio dell'interazione tra la quantità di moto delle goccioline e la tensione superficiale, fornendo informazioni sul comportamento fluidico che influenza la somministrazione dei reagenti e la risposta cellulare.
- Conferma Predittiva: Offre un sistema rilevante per le malattie per studiare processi biologici mediati dai fluidi in condizioni idrodinamiche controllate.
Integrazione di Pipeline e Flusso di Lavoro
Il sistema si integra nei flussi di lavoro della fase iniziale di scoperta consentendo una manipolazione precisa dei fluidi per la validazione dell'obiettivo e la preparazione dei saggi, collegando il rilascio basato su goccioline con una pompa passiva per un funzionamento microfluidico continuo.
- Biologia della scoperta: Supporta la verifica delle ipotesi mediante il rilascio controllato di gocce e lo scambio di fluidi, consentendo ai ricercatori di analizzare la dinamica degli bersagli in condizioni di flusso definite.
- Screening: Permette la pronta esecuzione di saggi grazie alla formazione di uno strato stabile di fluido negli ingressi mediante il rilascio ad alta frequenza di gocce, migliorando la riproducibilità negli screening di composti.
- Analisi: Fornisce misurazioni quantitative dello scambio di fluidi (ad esempio, tempo di scambio di 8 ms) che aiutano i gruppi di lavoro a confrontare condizioni diverse e valutare le risposte cinetiche in formati microfluidici.
- Ricerca traslazionale: Si collega alla continuità preclinica abilitando studi farmaco-cellula in condizioni di flusso controllato, rilevanti per la modellizzazione della dinamica fluida simile a quella in vivo.
- Riutilizzo aziendale: Sfrutta un dispositivo microfluidico riutilizzabile con attacco reversibile tra PDMS e vetro, supportando l’uso ripetuto in esperimenti multipli e tra diversi gruppi di lavoro.
Impatto Operativo ed Aziendale
- Valore scientifico: Riduce l'ambiguità meccanicistica nelle risposte biologiche indotte dai fluidi consentendo un controllo preciso sulla quantità di moto delle gocce e sull'equilibrazione della tensione superficiale.
- Valore operativo: Garantisce standardizzazione e riproducibilità attraverso un rilascio calibrato delle gocce controllato da tensione e un attacco del dispositivo reversibile.
- Valore strategico: Migliora le decisioni di avanzamento o interruzione fornendo cinetiche affidabili dello scambio di fluidi e capacità di miscelazione per la valutazione biologica precoce.
- Impatto sul portafoglio: Supporta la priorizzazione basata sul rischio grazie a output quantificabili della dinamica dei fluidi che informano la progettazione dei saggi e il livello di confidenza nella validazione delle target.
Considerazioni sull'implementazione
- Richiede competenze nella fabbricazione di dispositivi microfluidici, nei principi di pompaggio passivo e nei sistemi di somministrazione dei fluidi controllati da tensione.
- Necessita di strumentazione comprendente valvole microdosatrici, scatole di controllo (spike/hold), serbatoi sotto pressione e microscopia per l'osservazione del flusso.
- Richiede una standardizzazione tra i diversi gruppi di lavoro per la taratura del volume delle goccioline, il posizionamento delle bocchette e la configurazione dei serbatoi, al fine di garantire prestazioni costanti.
- Comporta considerazioni di adattamento relative a diverse geometrie dei canali, viscosità dei fluidi e angolazioni delle goccioline, per evitare traboccamenti in ingresso o gusci di flusso instabili.
- Comprende limitazioni pratiche, come il rischio di formazione di bolle in caso di pressione instabile nel serbatoio, e la necessità di controllare le dimensioni delle gocce in uscita per prevenire flussi di ritorno o perturbazioni in ingresso.
