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小小滑动壁设计,帮助微流控装置实现制造工艺大突破

用于DNA预富集的微芯片和滑动壁设计

上图:新技术概要。左图:用于DNA预富集的微芯片和滑动壁设计。右图:用于分隔实验的微芯片和滑动壁图片,添加了蓝色和黄色染料以实现可视化。

据麦姆斯咨询报道,法国研究团队最近开发了“滑动壁”(sliding walls),作为微流控装置中流体控制的新技术,允许半刚性或刚性壁在微流控芯片内滑动。在《自然:微系统与纳米工程》(Nature: Microsystems & Nanoengineering)杂志上发表的一篇新报道中,巴黎文理研究大学(PSL Research University)Bastien Venzac和来自法国巴黎居里研究所(Institute Curie)、索邦大学(Sorbonne University)的科学家小组利用滑动壁几何结构设计了多种流体功能。该装置包含开/关转换阀,用于根据壁的几何结构来阻塞或重新配置通道。该装置包含一种水凝胶膜,用于将生物分子浓缩、纯化并从一个通道运输到另一个通道。该技术与软光刻方法兼容,聚二甲基硅氧烷(PDMS)芯片的典型制造流程即可轻松实现。新方法为各种微流控应用开辟了道路,形成了简单的手动装置,可用于生物实验室即时检测(point-of-care)应用。

真正可以重新配置的系统一直是微流控工程师的梦想,理想的重构指的是构建在模块化单元中的智能系统,并在实验之间进行快速重组。然而,对大多数微流控系统而言,通道网络在微加工时就已固定,无法在实验时自定义重组。工程师也只能在泵送、阀门控制或利用电场和磁场外力进行更改。为了解决微流控生产过程中的现存局限和挑战,Venzac等人提出了一种微流控驱动的新概念,称之为“滑动壁”。该方法与软光刻工艺兼容,但是不需要外部设备。它可以手动操作,并且可以集成在单个元器件中。

Venzac等人使用了多种制造方法开发滑动壁,以将其设计在PDMS芯片的开放通道内。驱动过程允许研究人员可逆地打开或关闭泵送流体的通道,然后重新定向流动以随意配置通道网络。该团队描述了该方法的原理,并演示了简单的功能,包括提供四维(4D)空间的水凝胶板形成,控制细胞培养,然后在微流控腔室内进行基于膜的电动DNA预富集。他们以低成本实现了该技术的快速成型,为简化操作,团队成员既可以通过手动方式控制滑动壁,也可以使用计算机控制的马达或执行器实现全自动滑动壁。新的工具箱非常适合微流控通道内尺寸超过100 ?m的应用,并且只需要几个驱动元件。

滑动壁原理

滑动壁原理。PDMS结构中包含一个导向通道和一个流体通道,并与平面PDMS表面键合在一起。在该示例中,带有雕刻通道的滑动壁会在芯片制作完成后被插入到导向通道。流体通道或被堵住(图a)或被打开(图b)。插图提供了滑动壁/流体通道交叉点的详细信息。

根据常规设计原则,研究人员将刚性/半刚性结构插入PDMS微流控芯片的导向通道中,并使用多种材料开发滑动壁,包括(1)不锈钢膜;(2)在PDMS模具中进行光聚合的光固化抗蚀剂;(3)立体光固化成型工艺3D打印(SLA 3D printing)的可光固化树脂。研究人员会根据材料自身的特性来选择适合实验的工程技术,并通过控制材料刚度防止驱动过程中滑动壁的弯曲或断裂,对大多数薄的滑动壁而言,不锈钢为其首选。针对较大的滑动壁,他们使用传统的SLA工艺,并在不锈钢上使用微铣削,以在滑动壁上加入小功能。

在最初的概念验证阶段,Venzac等人准备了两种类型的微阀,开/关阀和带一个入口、两个出口的金属开关阀。滑动阀因其在器官芯片装置和细胞培养结构中的实用性而引起了人们极大的兴趣。研究人员还展示了使用滑动壁作为芯片上的注射器来手动泵送流体,在实验中没有观察到在推动或吸入空气时液体会发生泄漏。滑动壁对较大腔室结构而言非常有用,研究团队在腔室顶部和底部增加了两个窄槽以引导垂直的不锈钢滑动壁,并调节各腔室之间的连通。

阀门控制实验

上图:阀门控制实验:a)用芯片和基于光固化抗剂蚀的滑动壁设计进行的开关阀实验;b)开关阀实验用芯片和金属滑动壁的设计;c)导向通道、滑动壁高度和宽度不同比率下(每个条件展开三次实验),基于抗剂蚀(黄色系列)和基于金属滑动壁(灰色系列)所能承受的最大压力;d)载有荧光素的水流经过开路(13??l/s)时开关阀的荧光图像。

 

下图:泵送实验:a)芯片设计;b)通过1??l腔室泵送载有荧光素的水的连续照片。活塞的位置用红色虚线表示;c)液体移位与绝对活塞移位(活塞原点设置在第一个腔室开始填充时),用于推(蓝色)拉(红色)时,在四个不同装置上的平均值。

该团队最终使用新装置进行了生物功能化测试,并观察了4D细胞培养和细胞迁移。在实验中,他们将荧光胶原蛋白溶液装在腔室的右半部分,把缓冲液装入左半部分,然后把两者混合成水凝胶板。这种水凝胶是开发3D器官芯片腔室的主要材料。为了测试其生物学功能,Venzac等人研究了将树突状细胞(免疫细胞)装载到腔室内的胶原蛋白溶液中后的细胞迁移情况。该团队用趋化因子溶液填充了第二个腔室,并移除了不锈钢滑动壁,创建出一个笔直的界面,使趋化剂扩散到胶原蛋白板上,树突状细胞迁移到凝胶/溶液界面上以形成4D细胞培养。

分隔实验

分隔实验:a)芯片和金属滑动壁的设计;b)密封测试俯视图。左图:腔室的明场图像。右图:8小时后腔室的荧光图像;c)在腔室内部的滑动壁上放置一个200??m的孔后,Tris-EDTA缓冲室中的荧光素梯度。滑动壁和孔的极限用虚线表示。颜色线对应强度大于最大值12%的图像表面(壁后位移:白色:1秒、红色:4秒、黄色:9秒、绿色:14秒、青色:50秒、蓝色:110秒、紫红色:170秒);d)移除滑动壁后,右半腔室底部的荧光凝胶状胶原蛋白板的深度编码共聚焦图像的俯视图;e)移除滑动壁之前(0-30分钟)和移除滑动壁之后(30-240分钟),胶原蛋白板中的树突状细胞的轨迹分两个阶段分解。第一阶段细胞没有被优先迁移(30-120分钟),在120-240分钟被吸引到趋化因子室。水平轴以微米为单位,垂直轴指向远离趋化因子室的方向。

 

团队成员还通过电动预富集DNA大分子,在新装置中控制它们的运输和释放。为此,该团队在微流控系统中使用了一种可移动且可重构的水凝胶膜,并利用高分辨率3D打印技术设计了带有集成窗口的滑动壁。他们在通道中施加恒定的电场,以允许缓冲液中电泳迁移带有荧光标签的DNA。水凝胶孔的尺寸能阻止DNA的迁移,导致它们在膜上预富集。科学家们在装置中引导预富集DNA的自由流动,从而将样品从一个通道转移到另一个通道,这是一种简单的全新样品制备和分析方法。

DNA预富集和纯化实验

DNA预富集和纯化实验。a)芯片和滑动壁的设计;将PEGDA膜(粉红色)光聚合在滑动壁的窗口中。彩色箭头用相应的彩色边框指示下列图片的位置;b)将100?pg 的Lambda-DNA电泳到3D打印滑动壁的PEGDA膜上进行预富集;c)图b)的黄色长方形内平均灰度值随时间的变化;d)DNA在PEGDA膜上预富集过程的荧光图像;e)移至第二通道后和图f)电泳释放后。(比例尺:250??m)黄色箭头表示DNA的迁移或位移方向。

Bastien Venzac及其同事用这种方式开发了一款新的工具箱,以革新传统微流控装置的使用。滑动壁还具备其它功能,如微通道或载有凝胶的窗口,以及超越传统芯片微阀的潜在应用解决方案。值得注意的是,他们利用单个滑动壁装置即可实现4D细胞培养和DNA预富集。科学家们的愿景是该技术能够广泛应用于低成本、低技术含量的生物医学环境。

 

论文链接:https://doi.org/10.1038/s41378-019-0125-7


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