Skydevægge – et nyt paradigme for mikrofluidiske enheder

Et forskerhold udviklede for nylig "skydevægge" som en ny teknik til væskekontrol i mikrofluidiske enheder, tillader halvstive eller stive vægge at glide inde i en mikrofluidisk chip. I en ny rapport nu på Natur:Mikrosystemer og nanoteknik , Bastien Venzac og et team af forskere ved Institute Curie og Sorbonne University i Paris, Frankrig, konstrueret flere fluidiske funktioner ved hjælp af glidende væggeometri. Enheden indeholdt tænd/sluk-kontaktventiler til at blokere eller omkonfigurere kanaler afhængigt af væggeometrien. Opsætningen indeholdt en hydrogel-baseret membran til at koncentrere, rense og transportere biomolekyler fra en kanal til en anden. Teknikken er kompatibel med bløde litografimetoder for nem implementering baseret på typiske fremstillingsarbejdsgange på polydimethylsiloxan (PDMS) chips. Den nye metode åbner en vej til en række mikrofluidapplikationer, danner enkel, hånddrevne enheder til point-of-care applikationer i biologiske laboratorier.

Virkelig rekonfigurerbare systemer er en mikrofluidikingeniørs drøm, hvor remodeling beskriver smarte systemer bygget i modulære enheder og samlet til hurtig omorganisering mellem eksperimenter. For de fleste mikrofluidiske systemer, imidlertid, kanalnetværket forbliver fast under mikrofremstilling og kan ikke tilpasses omstruktureres under eksperimentet. Ingeniører er også kun i stand til at udføre ændringer i pumpning, ventilering eller brug af eksterne kræfter af elektricitet og magnetiske felter. For at imødekomme de eksisterende grænser eller udfordringer for mikrofluidproduktion, Venzac et al. foreslået et nyt koncept for mikrofluidisk aktivering kendt som "skydevægge". Metoden er kompatibel med fremstilling af blød litografi, men kræver ikke eksternt udstyr. Den kan betjenes manuelt og kan indgå i en enkelt enhedskomponent.

Venzac et al. udviklet glidevægge ved hjælp af adskillige fremstillingsmetoder til at konstruere dem inde i åbne kanaler af polydimethylsiloxan (PDMS) chips. Aktiveringsprocessen gav dem mulighed for reversibelt at åbne eller lukke en kanal, der pumpede væsker, reorientere derefter strømme for at omkonfigurere et mikrofluidisk netværk efter behag. Holdet beskrev metodens princip og demonstrerede enkle funktioner, herunder dannelse af en hydrogelplade til at rumme firedimensionelle (4-D), kontrolleret cellekultur, efterfulgt af membranbaseret elektrokinetisk DNA-prækoncentration i mikrofluidrum. De implementerede teknologien til lave omkostninger for hurtig prototyping og manuelt styrede glidevæggene for enkelhedens skyld, holdet kunne også fuldautomatisere væggene ved hjælp af computerstyrede motorer eller aktuatorer. Den nye værktøjskasse er velegnet til applikationer med mikrofluidkanaldimensioner over 100 µm og kræver kun få aktiveringselementer.

For det generelle designprincip, forskerne indsatte en stiv/halvstiv struktur i en styrekanal i PDMS-mikrofluidchippen og brugte en række forskellige materialer til at udvikle glidevægge, herunder (1) film af rustfrit stål, (2) fotohærdbar resist fotopolymeriseret i PDMS-forme, og (3) fotohærdende harpiks støbt under anvendelse af stereolitografisk 3-D-print. De valgte de tekniske teknikker til at passe til eksperimentet i overensstemmelse med deres iboende egenskaber og forhindrede, at væggen knækkede eller knækkede under aktivering ved at kontrollere materialets stivhed og foretrækker rustfrit stål til de fleste tynde glidende vægge. Til større glidende vægge brugte de konventionel stereolitografi og brugte mikrofræsning på rustfrit stål for at inkludere små detaljer på en glidende væg.

Som et indledende proof-of-concept, Venzac et al. forberedt to typer ventiler:en on/off ventil og en metallisk omskifterventil med en indgang og to udgange. Skydeventilerne er hovedsageligt interessante på grund af deres praktiske anvendelighed i organ-på-chip-enheder og cellekulturkonstruktioner. Forskerne viste også brugen af ​​glidende vægge som on-chip sprøjter til manuelt at pumpe væsker og observerede ikke væskelækage under tryk eller aspiration af luft i eksperimenterne. Skydevæggene var opfindsomme til store kammerkonstruktioner - holdet tilføjede to smalle riller på kammertaget og gulvet for at styre en lodret glidevæg af rustfrit stål og regulere kommunikationen mellem rummene.

Holdet gennemførte i sidste ende biofunktionaliseringstests ved hjælp af den nye enhed og observerede 4-D cellekultur og cellemigration. I dette eksperiment, de fyldte en fluorescerende kollagenopløsning i højre halvdel af kammeret, fyldte den anden halvdel med buffer og blandede de to for at skabe en hydrogelplade. Sådanne hydrogeler er et væsentligt krav for at udvikle 3-D organ-på-chip rum. For at teste deres biologiske funktion, Venzac et al. studerede cellemigration med dendritiske celler (immunceller) indlæst i kollagenopløsningen inde i et kammer. Holdet fyldte det andet rum med en kemokinopløsning og fjernede glidevæggen i rustfrit stål for at skabe en lige grænseflade, der tillod kemoattraktanten at diffundere ud på kollagenpladen, så de dendritiske celler kan migrere på gel/opløsningsgrænsefladen, danner en 4-D cellekultur.

De har også elektrokinetisk prækoncentrerede DNA-makromolekyler, kontrollerede deres transport og frigivelse i det nye setup. For at opnå dette, holdet brugte en bevægelig og rekonfigurerbar hydrogelmembran i mikrofluidsystemerne og konstruerede en glidende væg med et integreret vindue ved hjælp af højopløsnings 3-D-print. De påførte et konstant elektrisk felt i kanalerne for at tillade elektroforetisk migration af DNA-mærket med et fluorescerende mærke i bufferopløsning. Størrelsen af ​​hydrogelporerne forhindrede DNA-migrering, får dem til at prækoncentrere sig ved membranen. Forskerne inducerede fri flow af prækoncentreret DNA i opsætningen, at transportere prøver fra en kanal til en anden, som en ny og enkel vej til prøveforberedelse og analyse.

På denne måde Bastien Venzac og kolleger udviklede en ny værktøjskasse til at innovere brugen af ​​konventionel mikrofluidik. Skydevæggene havde yderligere funktioner såsom mikrokanaler eller vinduer med fyldte geler og løsninger til potentielle anvendelser ud over konventionelle in-chip ventiler. Især de opnåede 4-D cellekultur og DNA-prækoncentration ved hjælp af opsætningen med enkelt glidende væg. Forskerne forestiller sig teknikken i brede applikationer til billige og lavteknologiske biomedicinske miljøer.

© 2020 Science X Network