Szybki system dostarczania oparty na kropelkach do pompowania pasywnego w urządzeniach mikroprzepływowych

Pompowanie pasywne wymaga umieszczenia dużej kropli przy wylocie i małej przy wlocie. Wywoła to różnicę ciśnień niezbędną do wymuszenia przepływu. Naprzemienne krople różnych cieczy spowodują przemieszczanie się pakietów w kanale, które ostatecznie zostaną zebrane przy wylocie.

Wysokie przepływy można osiągnąć poprzez dostarczanie kropli o małej objętości z częstotliwością wystarczająco wysoką, aby uzyskać stabilną powłokę płynu na wlocie. Cześć, jestem Pedro Reto z laboratorium Justina Williamsa w Katedrze Inżynierii Biomedycznej na University of Wisconsin Medicine. A ja jestem Brian Mogan, również z laboratorium Williamsa.

Jestem Aaron Burier z laboratorium profesora S, również z wydziału inżynierii biomedycznej w W Medicine. Dzisiaj zaprezentujemy procedurę pompowania pasywnego w urządzeniach mikrofluidycznych. W naszym laboratorium stosujemy tę procedurę do badania przepływu w mikrokanałach oraz wymiany fluidycznej wewnątrz kanału w zastosowaniach biologicznych.

Zacznijmy zatem. Najpierw, wykorzystując technikę miękkiej litografii, stwórz urządzenie mikrofluidyczne z polidimetylosiloksanu. Następnie wytnij urządzenie, a potem odwróć je.

Przymocuj urządzenie PDMS do szkiełka przedmiotowego, dociskając je i usuwając pęcherzyki powietrza. Odwracalny sposób mocowania umożliwia wielokrotne wykorzystanie urządzenia. Następnie napełnij urządzenie cieczą.

Używamy wody z barwnikiem spożywczym. Jeśli ciecz nie wpłynie do kanału samoistnie, należy nanieść kroplę cieczy na wlot i użyć pipety na przeciwległym końcu, aby zassać ciecz przez kanał. Po napełnieniu urządzenia cieczą, należy umieścić małą kroplę na wlocie i większą kroplę na wylocie.

Upewnij się, że ciecz przepływa, obserwując zapadanie się małej kropli przy wlocie, podczas gdy kropla przy wylocie powiększa się. Zanim przejdziemy dalej, wyjaśnijmy podstawowe zależności dotyczące pompowania pasywnego. Dynamika pompowanych kropli zależy od kilku czynników: wymiarów kanału, w tym jego wysokości i długości, oraz wielkości kropli umieszczonej przy wlocie.

Aby lepiej zobrazować wpływ tych czynników na przepływ, przedstawimy kilka przykładów. Zacznijmy od dwóch podobnych kanałów. Mają one taką samą szerokość i wysokość, lecz jeden z nich jest dłuższy od drugiego.

Teraz umieszczamy krople tej samej wielkości przy wlocie każdego kanału. Zwróćmy uwagę, że kropla przy wlocie do krótszego kanału zapada się szybciej niż kropla przy wlocie do kanału dłuższego. Dzieje się tak, ponieważ dłuższy kanał wykazuje większy opór hydrauliczny, a przepływ w jego wnętrzu jest wolniejszy.

Następnie przyjrzyjmy się dwóm kolejnym kanałom o tej samej długości i wysokości, ale różnej szerokości. Umieśćmy identyczne krople na wlocie każdego kanału i zaobserwujmy ich zapadanie się. Zauważ, że w węższym kanale zapadanie się kropli wlotowej trwa dłużej?

Dzieje się tak, ponieważ węższy kanał wykazuje większy opór hydrauliczny niż kanał szerszy. Na koniec weźmy dwa identyczne kanały i umieśćmy krople o różnych rozmiarach na wlocie każdego z nich. Zauważmy, że większa kropla wlotowa zapada się dłużej niż mniejsza kropla wlotowa.

Dzieje się tak, ponieważ mniejsza kropla ma mniejszą objętość i większe ciśnienie wewnętrzne niż kropla większa. Wiedząc, że mniejsze krople są korzystniejsze od większych, oraz obserwując, jak szybko mogą one ulec zapadnięciu, stawiamy teraz pytanie, w jaki sposób dostarczyć objętościowo precyzyjne krople do wlotu kanału, aby umożliwić przeprowadzenie eksperymentów biologicznych.

Używając zestawu startowego do mikrodozowania firmy Lee Company, należy złożyć jeden lub więcej zaworów, z których każdy składa się z zaworu wol, dyszy o rozmiarze otworu 0,0100 cala oraz adaptera do miękkiego wężyka. W tym miejscu mamy zawór połączony z modułem sterującym za pomocą złączy zaworowych, co wykonaliśmy w poprzednim kroku. Następnie mamy źródło napięcia impulsowego, którym jest ten przewód tutaj.

Następnie mamy źródło napięcia kontrolnego, a po nim źródło napięcia podtrzymującego. I na koniec, w połączeniu z masą, aby utrzymać zawory na miejscu podczas celowania w wlot. Należy użyć miniaturowych uchwytów firmy bioscience tools.

Umożliwiają one precyzyjne celowanie i utrzymywanie zaworu w określonej pozycji. Podczas przeprowadzania eksperymentu, używając strzykawek o pojemności three quarter ounce, należy stworzyć system zbiorników, które zostaną umieszczone kilka stóp nad urządzeniem PDMS. Zbiornik zapewnia ciśnienie hydrostatyczne niezbędne do zasilania dysz.

Przymocuj igłę do strzykawki. Następnie połącz igłę strzykawki z rurką o średnicy wewnętrznej 1,14 mm, a ją z kolei z rurką o średnicy wewnętrznej 1,58 mm. Jako uszczelniacz zastosuj PDMS.

Teraz podłącz rurkę o średnicy wewnętrznej 1,58 mm do adaptera miękkiego wężyka zaworu. Po ustanowieniu połączenia między igłą strzykawki a zaworem, napełnij zbiorniki strzykawki cieczą, aby przepłukać zawory i umożliwić napełnienie rurek wodą. Umieść magnes z boku zaworu i obserwuj, jak ciecz zaczyna przepływać ze zbiornika przez zawór i wypływać przez dyszę o średnicy 0,01 cala.

System ten sterujemy za pomocą komputera z wykorzystaniem oprogramowania LabVIEW oraz sterownika impulsu i podtrzymania (spike and hold control box) firmy Lee Company. Aby skalibrować system, należy skierować jeden zawór do szalki Petriego lub łódki wagowej. Następnie otwiera się zawór na wybrany czas i waży całkowitą objętość wody wypływającej z dyszy.

Podziel tę objętość przez całkowity czas otwarcia systemu. Kalibracja ta pozwala użytkownikowi wyznaczyć objętość wody wyrzucanej z dyszy w dowolnym przedziale czasu. Po skalibrowaniu systemu skieruj dyszę do wlotu kanału i, w oparciu o przeprowadzoną kalibrację, wyrzuć taką objętość, aby kropla trafiła do wlotu kanału, będąc jednocześnie wystarczająco mała, by nie powodować zanieczyszczeń, i wystarczająco duża, by była zauważalna.

Pamiętaj o usuwaniu pęcherzyków powietrza pomiędzy eksperymentami. Teraz, gdy podstawowe zasady pompowania pasywnego zostały omówione, a kalibracja systemu wyjaśniona, przyjrzyjmy się temu, co użytkownik powinien zaobserwować przy prawidłowym przebiegu procesu. Następujący film przedstawia przepływ przez kanał mikrofluidyczny, przechodząc od większych objętości przy niższych częstotliwościach do małych objętości przy wysokich częstotliwościach.

Powinno to przybliżyć użytkownikowi możliwości pompowania wstecznego wraz z zautomatyzowanym systemem dozowania płynów. Wymiary urządzenia wykorzystanego w poniższych materiałach wideo to 2.22 millimeter szerokości, 10 millimeter długości i 260 micrometer wysokości. Średnice wlotu i wylotu wynoszą odpowiednio 1.78 millimeter i 5.11 millimeter.

Do wytworzenia przepływów naprzemiennych, przedstawionych powyżej, niezbędne są dwa lub więcej zawory. W dalszej części znajduje się film prezentujący maksymalny przepływ możliwy do uzyskania z obecnie używanego urządzenia. W tym przypadku do podawania cieczy wykorzystano pojedynczy zawór.

Aby zachować równowagę systemu, ważne jest, aby skierować zawór bezpośrednio nad wlot. Należy zwrócić uwagę na kształt kropli tworzącej się w miejscu wlotu. Reprezentuje ona stałe ciśnienie utrzymywane poprzez dostarczanie wody do wlotu z prędkością równą maksymalnej wydajności pasywnego pompowania urządzenia.

Zauważmy również, że w pewnym momencie kropla wlotowa przelewa się. Jest to najprawdopodobniej spowodowane zaburzeniem kropli wylotowej. Poprzez usunięcie nadmiaru cieczy we wlocie układ powraca do stanu równowagi i przepływ zostaje wznowiony.

Właśnie zaprezentowaliśmy sposób konfiguracji, kalibracji i obsługi pasywnego systemu pompowego z wykorzystaniem komercyjnie dostępnych mikrodysz. Podczas przeprowadzania tych eksperymentów zawsze należy pamiętać o zapewnieniu stabilnego źródła ciśnienia, aby uniknąć przedostawania się pęcherzyków powietrza do kanału, a także o uwzględnieniu kompromisów między geometrią kanału a rozmiarem kropli w celu uzyskania pożądanych przepływów i wymian. Należy dbać o to, aby kropla wylotowa nie stała się zbyt duża, co mogłoby doprowadzić do rozlania cieczy lub jej dotarcia do wlotu, oraz utrzymywać urządzenia z PDMS w czystości i suchości.

To już wszystko. Dziękujemy za oglądanie i życzymy powodzenia w przeprowadzaniu eksperymentów.