Mikro Partikül Konsantrasyonu için Pnömatik Tahrikli Mikroakışkan Platform
1 Şubat 2022
Mevcut protokol, verimli mikropartikül konsantrasyonu için kullanılabilecek pnömatik bir mikroakışkan platformu tanımlamaktadır.
Bu protokol, parçacık tıkanması ve karmaşık yapılar gibi eksikliklerin üstesinden gelen çok parçacıklı konsantrasyonlar için pnömatik olarak yönlendirilen mikroakışkan platform üzerinde üretim ve işletme yöntemimizi açıklamaktadır. Bu yöntemler, sınırsız sayıda parçacığın işlenmesini, çok sayıda küçük parçacığa konsantre olmayı ve istenmeyen hücre hasarını önlemeyi mümkün kılar ve entropi verimliliğini arttırır. Biyolojik analizin önemi nedeniyle, mikroakışkan ve biyomedikal mikroelektro mekanik sistemler teknolojileri, mikro malzemelerin saflaştırılması ve toplanması için cihazlar geliştirmek ve incelemek için kullanılmaktadır.
Başlamak için, valfi pnömatik olarak kontrol etmek üzere PDMS katmanını çoğaltmak üzere önceden hazırlanmış bir pnömatik valf kanalı SU8 kalıbı kullanın. Hazırlanan bir pnömatik valf kanal kalıbına 10 mililitre sıvı PDMS ve bir mililitre kürleme maddesi dökün ve 30 dakika boyunca 90 santigrat derecede ısı aktive olur. PDMS yapıları kürlendikten sonra, SU8 kalıbını ayırın.
1,5 milimetrelik bir delinme kullanarak pnömatik valf kanalına üç adet 1,5 milimetrelik pnömatik bağlantı noktası delin. Temiz bir SU8 kalıbına 10 mililitre sıvı PDMS ve bir mililitre kürleme maddesi dökün. Bir spin kaplayıcı kullanarak dakikada 1500 devirde 15 saniye boyunca döndürün, ardından 30 dakika boyunca 90 santigrat derecede ısıl aktive edin.
PDMS yapıları kürlendikten sonra SU8 kalıbını ayırın. PDMS yapısını atmosferik plazma ile 20 saniye boyunca tedavi edin. Bir mikroskop kullanarak, plazma ile muamele edilmiş PDMS yapılarını kanal yapısına göre hizalayın.
Hizalanmış PDMS yapılarını 30 dakika boyunca 90 santigrat derecede ısıtarak bağlayın. 1,5 milimetrelik bir delinme kullanarak, sıvı kanalı girişinde ve ince diyafram tabakasına bağlı pnömatik kanal kısmındaki çıkışlarda 1,5 milimetre çapında bir delik açın. Mikroakışkan bir kanal oluşturmak için iki SU8 kalıbı kullanarak PDMS katmanının her iki tarafını da çoğaltın.
Ön tarafta kavisli ve dikdörtgen bir mikroakışkan kanal kalıbı ve arkada bir mikroakışkan ara bağlantı kanalı kalıbı kullanın. Kavisli ve dikdörtgen mikroakışkan kanal kalıbına 10 mililitre sıvı PDMS ve bir mililitre kürleme maddesi dökün ve 15 saniye boyunca dakikada 1200 devirde döndürün, ardından 30 dakika boyunca 90 santigrat derecede ısı aktivasyonu ile kavisli sıvı odası ve sıvı kanalları için kalıplar oluşturun. Mikroakışkan kanalın oluştuğu PDMS tabakasını ayırın.
Ardından, cam gofrete yapıştırılarak kapalı havalandırma duvarını kaplayan ısıl aktif bir kalıp oluşturmak için 20 saniye boyunca atmosferik plazma ile muamele edin. SU8 kalıbının ara bağlantı kanalına üç mililitre sıvı PDMS dökün. Ara bağlantı kanalı kalıbı ile imal edilen yapıyı, mikroakışkan ara bağlantı kanalı kalıbı üzerindeki sıvı PDMS'de düzenleyin.
Daha sonra üst üste bindirilmiş yapıyı 30 dakika boyunca 130 santigrat derecede kurutun. Kürledikten sonra, ön SU8 kalıbını mikroakışkan kanal ağ katmanından çıkarın ve arka PDMS kalıbını dikkatlice çıkarın. 10 mililitre sıvı PDMS ve bir mililitre kürleme maddesini temiz bir SU8 kalıbına dökün ve ısıl olarak 30 dakika boyunca 90 santigrat derecede aktive edin.
PDMS yapıları kürlendikten sonra SU8 kalıbını ayırın. PDMS mikroakışkan ara bağlantı kanalı kalıplarını atmosferik plazma ile 20 saniye boyunca tedavi edin. Bir mikroskop kullanarak, plazma ile muamele edilmiş PDMS yapılarını kanal yapısına göre hizalayın.
Hizalanmış PDMS yapılarını 30 dakika boyunca 90 santigrat derecede ısıtarak bağlayın. Bu işlem sırasında hazırlanan PDMS yapılarını kanal yapısına göre hizalayın ve atmosferik plazma ile 20 saniye boyunca işlemden geçirerek bağlayın. 10 mililitrelik bir şırınga kullanarak, mikroakışkan kanalı kabarcıksız, demineralize suyla doldurun.
Çalışma sıvısının basıncını ve mikroboncuk akışını kontrol eden üç pnömatik valfi kontrol etmek için, çalışma sıvısı için dört veya daha fazla çıkış kanalına sahip hassas bir basınç kontrol cihazını mikroakışkan platformuna yerleştirin. Damıtılmış suda çeşitli boyutlarda karboksil polistiren test parçacıkları hazırlayın. Çalışma sıvısının akış hızını kontrol etmek için, bir cam şişenin yarısını suyla doldurun ve cam şişe kapağını kontrolör çıkış kanalına ve mikro valfe bağlayın.
Ters çevrilmiş bir mikroskop kullanarak, tüm platform işlemlerini gözlemleyin ve çıkışta zaman içindeki çalışma akış hızını bir sıvı debimetresi ile ölçün. Partikül veya sıvı karışımını, partikül valfi ile girişteki basınç altında enjekte edin. Valfi harekete geçirmek için CIV valfine 15 kilopaskalda ve partikül valfine 18 kilopaskalda basınç uygulayın.
Partiküller konsantre olduğunda, sadece sıvı valfine basınç uygulayın. Akışkanların akış hızı dört aşamalı bir platform operasyonuna bölündü. İlk aşama yükleme durumuydu.
Çalışma sıvısı ve parçacıklar, mikroakışkan kanal ağının yapısal simetri sergilediği için neredeyse aynıydı. İkinci aşama engelleme durumuydu. Akış yolu daraldı ve çıkış portunda ölçülen akış hızı hidrolik dirençle azaltıldı.
Üçüncü aşama konsantrasyon haliydi. Ölçülen QP sıfıra yakındı ve QF, engelleme durumunun yaklaşık 1.42 katıydı. Son aşama serbest bırakma durumuydu.
Ortaya çıkan akış ve konsantrasyon hızları, pnömatik valf ile programlanan sıralı çalıştırmanın akış değişiklikleri nedeniyle iyi çalıştığını kanıtladı. CIV valfi ve partikül valfi kapatıldığında partiküller toplanma alanında yoğunlaştı ve birikti ve tüm toplanan, konsantre parçacıklar sadece sıvı valfi kapatıldığında dört saniye içinde serbest bırakıldı. Bu prosedürün önemli bir parçası, PDMS tabakasının hava tabakasının biraz daha fazla basıncı ile implante edildiği arka yapıyı kürlemektir.
Ve deforme olmuş film tabakası aniden aktive olur. Bu platform, çok konsantre ve düz ve askıya alınmış biyopartiküllerin otomatik ön işlemi için kullanılabilir, çünkü işlem fiziksel parçacıkların özelliklerinden etkilenmez.
Tam transkripti görüntüleyin ve binlerce bilimsel videoya erişin
Genel Bakış
Bu protokol, mikropartiküllerin verimli bir şekilde konsantrasyonu için tasarlanmış pnömatik bir mikroakışkan platformu tanımlamaktadır. Hücre hasarını minimize ederken çok sayıda küçük partikülün işlenmesine olanak tanıyarak, partikül tıkanması ve karmaşık yapılar gibi zorlukları gidermektedir.
Çalışmanın Temel Bileşenleri
Bilim Alanı
- Mikroakışkanlar
- Biyomedikal Mühendisliği
- Partikül Konsantrasyon Teknikleri
Arka Plan
- Pnömatik mikroakışkan sistemler, partikül manipülasyonunu geliştirir.
- Geleneksel yöntemler genellikle tıkanma sorunlarıyla karşılaşır.
- Mikroelektromekanik sistemler (MEMS), cihaz geliştirme süreçlerinde merkezi bir rol oynar.
- Etkin partikül konsantrasyonu, biyolojik analizler için kritik öneme sahiptir.
Çalışmanın Amacı
- Pnömatik bir mikroakışkan platform üretmek.
- Mikropartikül konsantrasyon verimliliğini artırmak.
- İşleme sırasında istenmeyen hücre hasarını önlemek.
Kullanılan Yöntemler
- SU8 kalıplar kullanılarak PDMS yapıların üretimi.
- Partikül manipülasyonu için valflerin pnömatik kontrolü.
- Yapısal stabilite için PDMS'nin bir kürleme maddesi ile ısıtılması.
- Platformun konsantrasyon verimliliği açısından test edilmesi.
Ana Sonuçlar
- Birden fazla küçük partikül başarıyla konsantre edilmiştir.
- Geleneksel yöntemlerde yaygın olan tıkanma sorunları aşılmıştır.
- Konsantrasyon işlemi sırasında hücre canlılığı korunmuştur.
- Partikül işlemedeki entropi verimliliği artırılmıştır.
Sonuçlar
- Pnömatik mikroakışkan platform, mikropartikül konsantrasyonu için etkilidir.
- Bu yöntem çeşitli biyolojik analizlere uygulanabilir.
- Gelecekteki uygulamalar, biyomedikal cihazların verimliliğini artırabilir.
Sıkça Sorulan Sorular
Yönetici Sektör İlgililiği
Pnömatik olarak tahrik edilen bu mikroakışkan platform, mikro partiküllerin tıkanma veya hücresel hasar oluşmaksızın verimli bir şekilde konsantre edilmesini sağlayarak, erken aşama biyofarma Ar-Ge süreçlerindeki temel zorlukları çözer. Kompleks biyolojik matrislerden analitlerin izole edilmesi ve zenginleştirilmesi için tekrarlanabilir bir yöntem sunarak, hedef doğrulama ve analiz geliştirme iş akışlarını destekler. Bu teknoloji, tutarlı örnek hazırlama işlemini sağlayıp alt akış tarama ve mekanistik çalışmaları yanıltabilecek değişkenliği azaltarak, öncü bileşik tanımlamadaki öngörüsel güvenilirliği artırır.
Biyofarma Ar-Ge'sinde Stratejik Uygulamalar
Erken Keşif ve Hedef Doğrulama
- Bilimsel Değer: Heterojen örneklerden biyobelirteçlerin veya terapötik hedeflerin hassas konsantrasyonu yoluyla terapötik hipotezlerin sorgulanmasına olanak tanır.
- Operasyonel Değer: Örnek kaybını azaltır ve hedef doğrulamada kritik öneme sahip düşük bolluktaki analitlerin saptama hassasiyetini artırır.
- Öngörücü Değer: Fonksiyonel analizler ve yolak analizi için tutarlı partikül zenginleştirme sağlayarak mekanistik risklerin azaltılmasını destekler.
Tarama ve Analiz Geliştirme
- Bilimsel Değer: Girişim yapan maddeleri uzaklaştırarak ve ilgilenilen analitleri konsantre ederek, doğrulanmış biyolojik sistemleri sonraki tarama aşamaları için hazırlar.
- Operasyonel Değer: Kontrollü ve valf destekli örnek işleme yoluyla analiz standartlaştırmasını ve tekrarlanabilirliğini artırır.
- Ölçeklenebilirlik: Sınırsız sayıda partikülün işlenmesine olanak tanıyarak yüksek kapasiteli tarama kampanyalarını destekler.
Translasyonel ve Preklinik Araştırmalar
- Translasyonel Süreklilik: Konsantrasyon sırasında istenmeyen hücre hasarını önleyerek, keşif aşamasından preklinik doğrulamaya kadar örnek bütünlüğünü korur.
- Riskten Arındırılmış İlerleme: Tutarlı örnek hazırlama yoluyla güvenilir biyobelirteç uyumunu ve hastalıkla ilgili sistem modellemesini destekler.
- Mekanistik Risk Azaltma: Örnekleme sırasında oluşan pre-analitik değişkenliği minimize ederek preklinik verilere olan güveni artırır.
Boru Hattı ve İş Akışı Entegrasyonu
Platform, erken hedef doğrulama aşamasından başlyarak öncü bileşik tanımlama ve preklinik geliştirme sürecine kadar keşif sürekliliğine entegre olarak, her aşamada güvenilir numune hazırlama imkanı sağlar.
- Keşif Biyolojisi: Analiz için sinyal moleküllerini, vezikülleri veya hücresel kalıntıları konsantre ederek hipotez testlerini ve yolak aydınlatmalarını destekler.
- Tarama: Matris etkileri azaltılmış, analiz için hazır örnekler sunarak hit saptamasını ve yapı-aktivite ilişkisi güvenini artırır.
- Analitikler: Farklı deneysel koşullar ve zaman noktaları arasında karşılaştırma yapmaya olanak tanıyan kantitatif konsantrasyon çıktıları sağlar.
- Translasyonel Araştırma: Analit yapısını ve fonksiyonunu koruyarak, keşif aşamasındaki örnek işlemenin preklinik süreklilikle bağlantısını kurar.
- Kurumsal Yeniden Kullanım: Birden fazla proje ve terapötik alanda yeniden kullanılabilir bir örnek hazırlama modülü olarak işlev görür.
Operasyonel ve Kurumsal Etki
- Bilimsel Değer: İşleme sırasında analit kaybından kaynaklanan yanlış negatifleri azaltarak hedef doğrulamadaki öngörü güvenini artırır.
- Operasyonel Değer: Pnömatik kontrol ve tanımlanmış operasyonel aşamalar aracılığıyla laboratuvarlar arasında tekrarlanabilirliği ve standardizasyonu sağlar.
- Stratejik Değer: Tarama ve mekanistik çalışmalar için daha yüksek kaliteli girdi verileri sunarak "devam/durdur" kararlarını iyileştirir.
- Portföy Etkisi: Erken aşama biyolojik verilerin güvenilirliğini artırarak risk ayarlı önceliklendirmeye olanak tanır.
Uygulama Hususları
- Mikroakışkan cihaz üretimi, PDMS kullanımı ve pnömatik kontrol sistemleri konusunda uzmanlık gerektirir.
- Tekrarlanabilir çalışma için hassas basınç kontrolörlerine, şırınga pompalarına ve akış hızı izleme ekipmanlarına bağımlıdır.
- Tutarlı sonuçlar için valf aktivasyon zamanlamasının ve basınç eşiklerinin ekipler arası standartlaştırılması gerekir.
- Hedef partikül boyutuna ve konsantrasyon hedeflerine göre kanal boyutlarının ve valf zamanlamasının uyarlanması gereklidir.
- Pratik sınırlamalar arasında, temiz oda uyumlu üretim gereksinimi ve sızıntıları önlemek için plazma ile bağlanmış katmanların dikkatli bir şekilde hizalanması yer alır.
