Een onderzoeksteam heeft onlangs "schuifwanden" ontwikkeld als een nieuwe techniek voor vloeistofcontrole in microfluïdische apparaten, waardoor halfstijve of stijve wanden in een microfluïdische chip kunnen schuiven. In een nieuw verslag nu op Natuur:microsystemen en nano-engineering , Bastien Venzac en een team van wetenschappers aan het Instituut Curie en Sorbonne University in Parijs, Frankrijk, verschillende vloeistoffuncties ontworpen met behulp van schuifwandgeometrie. Het apparaat bevatte aan/uit-schakelkleppen om kanalen te blokkeren of opnieuw te configureren, afhankelijk van de wandgeometrie. De opstelling bevatte een op hydrogel gebaseerd membraan om te concentreren, zuiveren en transporteren van biomoleculen van het ene kanaal naar het andere. De techniek is compatibel met zachte lithografiemethoden voor eenvoudige implementatie op basis van typische fabricageworkflows op polydimethylsiloxaan (PDMS)-chips. De nieuwe methode opent een weg naar een verscheidenheid aan microfluïdische toepassingen, eenvoudig vormen, met de hand aangedreven apparaten voor point-of-care-toepassingen in biologische laboratoria.

Echt herconfigureerbare systemen zijn de droom van een microfluïdische ingenieur, waar remodelleren slimme systemen beschrijft die in modulaire eenheden zijn gebouwd en geassembleerd voor snelle reorganisatie tussen experimenten. Voor de meeste microfluïdische systemen, echter, het kanaalnetwerk blijft vast tijdens microfabricage en kan tijdens het experiment niet op maat worden geherstructureerd. Ingenieurs kunnen ook alleen veranderingen in pompen, klep of gebruik externe krachten van elektriciteit en magnetische velden. Om te voldoen aan de bestaande limieten of uitdagingen van microfluïdische productie, Venzac et al. stelde een nieuw concept voor voor microfluïdische bediening, bekend als "schuifwanden". De methode is compatibel met fabricage van zachte lithografie, maar vereist geen externe apparatuur. Het kan handmatig worden bediend en kan worden opgenomen in een enkel apparaatcomponent.

Venzac et al. ontwikkelde schuifwanden met behulp van verschillende productiemethoden om ze te engineeren in open kanalen van polydimethylsiloxaan (PDMS) -chips. Dankzij het activeringsproces konden ze een kanaal dat vloeistoffen verpompt omkeerbaar openen of sluiten. heroriënteer vervolgens stromen om naar believen een microfluïdisch netwerk te herconfigureren. Het team beschreef het principe van de methode en demonstreerde eenvoudige functies, waaronder de vorming van een hydrogelplaat voor vierdimensionale (4-D), gecontroleerde celcultuur, gevolgd door op membraan gebaseerde elektrokinetische DNA-preconcentratie in microfluïdische compartimenten. Ze implementeerden de technologie tegen lage kosten voor snelle prototyping en bedienden de schuifwanden handmatig voor eenvoud, het team zou de wanden ook volledig kunnen automatiseren met behulp van computergestuurde motoren of actuatoren. De nieuwe toolbox is goed aangepast voor toepassingen met microfluïdische kanaalafmetingen van meer dan 100 µm en vereist slechts enkele bedieningselementen.

Voor het algemene ontwerpprincipe, de onderzoekers plaatsten een stijve/semi-rigide structuur in een geleidingskanaal in de PDMS microfluïdische chip en gebruikten een verscheidenheid aan materialen om schuifwanden te ontwikkelen, waaronder (1) roestvrijstalen films, (2) foto-uithardbare resist gefotopolymeriseerd in PDMS-vormen, en (3) foto-uithardbare hars gegoten met behulp van stereolithografisch 3D-printen. Ze selecteerden de technische technieken die bij het experiment pasten op basis van hun intrinsieke eigenschappen en voorkwamen het knikken of breken van de muur tijdens de bediening door de materiaalstijfheid te regelen, waarbij roestvrij staal de voorkeur gaf voor de meeste dunne schuifwanden. Voor grotere schuifwanden gebruikten ze conventionele stereolithografie en gebruikten ze microfrezen op roestvrij staal om kleine details op een schuifwand op te nemen.

Als eerste proof-of-concept, Venzac et al. twee soorten kleppen voorbereid:een aan/uit-klep en een metalen schakelklep met één inlaat en twee uitlaten. De schuifkleppen zijn vooral interessant vanwege hun bruikbaarheid in organ-on-chip-apparaten en celcultuurconstructies. De onderzoekers toonden ook het gebruik van schuifwanden als on-chip-spuiten om vloeistoffen handmatig te pompen en observeerden geen vloeistoflekkage tijdens het duwen of aanzuigen van lucht in de experimenten. De schuifwanden waren vindingrijk voor de constructie van grote kamers - het team voegde twee smalle groeven toe aan het kamerdak en de vloer om een ​​verticale roestvrijstalen schuifwand te geleiden en de communicatie tussen de compartimenten te regelen.

Het team voerde uiteindelijk biofunctionalisatietests uit met behulp van het nieuwe apparaat en observeerde 4-D-celcultuur en celmigratie. In dit experiment, ze laadden een fluorescerende collageenoplossing in de rechterhelft van de kamer, vulde de tweede helft met buffer en mengde de twee om een ​​hydrogelplaat te maken. Dergelijke hydrogels zijn een belangrijke vereiste om 3D-orgaan-op-chip-compartimenten te ontwikkelen. Om hun biologische functie te testen, Venzac et al. bestudeerde celmigratie met dendritische cellen (immuuncellen) geladen in de collageenoplossing in een kamer. Het team vulde het tweede compartiment met een chemokine-oplossing en verwijderde de roestvrijstalen schuifwand om een ​​rechte interface te creëren waardoor de chemoattractant op de collageenplaat kan diffunderen zodat de dendritische cellen naar de gel/oplossing-interface kunnen migreren. het vormen van een 4-D celcultuur.

Ze hebben ook elektrokinetisch voorgeconcentreerde DNA-macromoleculen, gecontroleerd hun transport en release in de nieuwe opstelling. Om dit te bereiken, het team gebruikte een beweegbaar en herconfigureerbaar hydrogelmembraan in de microfluïdische systemen en ontwierp een schuifwand met een geïntegreerd venster met behulp van 3D-printen met hoge resolutie. Ze pasten een constant elektrisch veld toe in de kanalen om elektroforetische migratie van DNA-gelabeld met een fluorescerende tag in bufferoplossing mogelijk te maken. De grootte van de hydrogelporiën verhinderde DNA-migratie, waardoor ze zich vooraf concentreren op het membraan. De wetenschappers veroorzaakten een vrije stroom van voorgeconcentreerd DNA in de opstelling, om monsters van het ene kanaal naar het andere te transporteren, als een nieuwe en eenvoudige route voor monstervoorbereiding en analyse.

Op deze manier, Bastien Venzac en collega's ontwikkelden een nieuwe toolbox om het gebruik van conventionele microfluïdica te innoveren. De schuifwanden hadden extra functies zoals microkanalen of vensters met geladen gels en oplossingen voor mogelijke toepassingen die verder gaan dan die van conventionele in-chip-kleppen. Opmerkelijk, ze bereikten 4-D-celkweek en DNA-preconcentratie met behulp van de opstelling met een enkele schuifwand. De wetenschappers zien de techniek in brede toepassingen voor goedkope en low-tech biomedische omgevingen.

© 2020 Wetenschap X Netwerk