マイクロ流体デバイスでパッシブポンピング用高速液滴ベースのデリバリーシステム

パッシブポンピングでは、出口側に大きな液滴を、入口側に小さな液滴を配置する必要があります。これにより、流れを駆動させるために必要な圧力差が生じます。異なる液体の液滴を交互に配置することで、チャネル内にパケットが流動し、最終的に出口で回収されます。

低容量の液滴を、入口で安定した流体シェルを形成するのに十分な高周波数で供給することで、高流量を実現できます。こんにちは。私はウィスコンシン大学医学部生物医学工学科のJustin Williams研究室のPedro Retoです。そして私は、同じくWilliams研究室のBrian Moganです。

私は、W Medicine大学バイオメディカル工学科のProfessor S研究室に所属しているAaron Burierです。本日は、マイクロ流体デバイスにおけるパッシブポンピングの手順をご紹介します。当研究室では、この手法を用いてマイクロチャネル内の流れを解析し、生物学的応用のためのチャネル内における流体交換について研究しています。

では、始めていきましょう。まず、ソフトリソグラフィー法を用いて、ポリメチルシリロキサン（PDMS）でマイクロ流体デバイスを作製します。次に、デバイスを切り出し、可逆的に接合させます。

PDMSデバイスをガラススライドの上に押し付け、気泡を追い出しながら密着させます。可逆的な接着により、デバイスを繰り返し再利用することが可能です。次に、デバイス内に液体を満たします。

食用色素を加えた水を使用します。液体が自然にチャネル内に流入しない場合は、入口に液体を1滴滴下し、反対側の端でピペットを使用して液体をチャネル内に吸引させます。デバイスに液体を満たした後、入口に少量の滴を、出口にそれより大きな滴を配置します。

入口側の小さな液滴が消失し、出口側の液滴が大きくなることを確認して、流体が移動していることを確かめてください。先に進む前に、パッシブポンピングの基本的な関係について説明します。ポンプ輸送される液滴のダイナミクスは、高さと長さを含むチャネルの寸法や、入口に配置される液滴のサイズなど、いくつかの要因に依存します。

これらの要因が流れにどのように影響するかをより明確にするために、いくつかの例を挙げます。まず、2つの類似したチャネルについて考えましょう。これらは幅と高さが同じですが、一方が他方よりも長くなっています。

次に、各チャネルの入口に同じ大きさの液滴を配置します。短いチャネルの入口にある液滴の方が、長いチャネルの液滴よりも速く崩壊する様子を観察してください。これは、チャネルが長いほど流体抵抗が大きくなり、内部の流れが遅くなるためです。

次に、長さと高さは同じで、幅が異なる2つのチャネルについて見ていきましょう。各チャネルの入口に同一の液滴を配置し、それらが崩壊する様子を観察します。幅の狭いチャネルの方が、入口の液滴が崩壊するまでに時間がかかることがわかりますか？

これは、細いチャネルの方が広いチャネルよりも流体抵抗が大きいためです。最後に、2つの同一なチャネルを用意し、それぞれの入口に異なるサイズの液滴を配置しましょう。入口の液滴が大きい方が、小さい液滴よりも崩壊するまでに時間がかかることに注目してください。

これは、小さい液滴の方が大きい液滴よりも体積が小さく、内部圧力が高いためです。小さい液滴の方が大きいものより優れていることが分かったうえで、また、これらの小さい液滴がいかに速く崩壊するかを観察したところで、次は、生物学的実験が行えるように、体積的に精密な液滴をチャネルの入口にどのように導入するかを検討します。

Lee Company社のマイクロディスペンシング・スターターキットを使用し、volバルブ、オリフィス径0.0100インチのノズル、およびソフトチューブアダプターで構成されるバルブを1つまたは複数組み立てます。ここでは、前ステップで完了した通り、チューブバルブコネクタを介してバルブがコントロールボックスに接続されています。そして、こちらにあるルートがスパイク電圧源となります。

次に、コントロール電圧源があり、続いて保持電圧源があります。そして最後に、接地に接続し、入口に向けている間にバルブを固定します。Bioscience Tools社のミニチュアホルダーを使用してください。

これらを用いることで、バルブを特定の位置に正確に合わせ、保持させることが可能です。実験では、3/4オンスのシリンジを使用して、PDMSデバイスの数フィート上に配置するリザーバーシステムを作成します。このリザーバーが、ノズルを駆動させるための圧力ヘッドを提供します。

シリンジにシリンジ針を取り付けます。次に、シリンジ針を内径 1.14 millimeter のチューブに取り付け、さらにそれを内径 1.58 millimeter のチューブに取り付けます。密封剤として PDMS を使用してください。

次に、内径1.58 mmのチューブをバルブのソフトチューブアダプターに接続します。シリンジ針とバルブの間にラインが形成されたので、シリンジのリザーバーに液体を満たし、バルブ内の purging を行い、チューブ内を水で満たします。バルブの横に磁石を配置し、液体がリザーバーからバルブを通り、0.01 inchのノズルから流れ出すことを確認します。

本システムは、LabVIEWおよびLee Company社のスパイク＆ホールド制御ボックスを用い、コンピュータで制御します。システムの校正を行うには、1つのバルブをペトリ皿または計量用のウェイボートに向けます。次に、任意の時間バルブを開き、ノズルから排出された水の総量を計量します。

この体積をシステムの合計開放時間で除します。この校正により、任意の時間内にノズルから放出される水の量を算出できます。システムの校正が完了したら、前回の校正時の放出量に基づき、ノズルをチャネルの入口に向けます。このとき、チャネルの入口に液滴が放出され、かつ周囲を汚すほど大きくなく、また見落とされるほど小さくない体積になるように調整してください。

実験の間に気泡を除去することを忘れないでください。パッシブポンピングの基本原理とシステムの校正について説明しましたので、正常に動作している場合にユーザーが確認すべき内容について見ていきましょう。以下のビデオは、低周波数での大容量から高周波数での小容量へと移行する、マイクロ流体チャネル内の流れを示しています。

これにより、ユーザーは自動流体供給システムを用いた過去のポンピング機能について理解することができます。以降のビデオで使用されるデバイスの寸法は、幅 2.22 millimeter、長さ 10 millimeter、高さ 260 micrometer です。入口および出口の直径は、それぞれ 1.78 millimeter および 5.11 millimeter です。

上記に示すように、交互流を作成するには2つ以上のバルブが必要です。次は、現在使用しているデバイスで可能な最大流量を示すビデオです。このケースでは、単一のバルブを使用して流体を供給しています。

システムのバランスを維持するためには、バルブを入口の真上から直接向けることが重要です。入口で液滴が形成するシェルに注目してください。これは、デバイスが受動的にポンプ輸送できる最大限の速度で入口に水を供給することで、一定の圧力が維持されていることを示しています。

また、入口側の液滴がある時点で溢れることに注目してください。これは、おそらく出口側の液滴を乱したことが原因です。入口側で溢れた分を取り除くことで、システムは平衡状態に戻り、流れが再開します。

ここでは、市販のマイクロノズルを用いたパッシブポンプシステムのセットアップ、校正、および操作方法について説明しました。これらの実験を行う際は、チャネル内に気泡が混入するのを防ぐために安定した圧力源を確保すること、また、目的の流量や交換効率を実現するために、チャネルの形状と液滴サイズのトレードオフを把握しておくことが常に重要です。例えば、出口側の液滴が大きくなりすぎないように注意してください。大きくなると、周囲を汚染したり入口側に到達したりする可能性があります。また、PDMSデバイスを清潔で乾燥した状態に保ってください。

以上です。ご視聴ありがとうございました。皆様の実験の成功を願っております。