Систематическая характеристика чистого помещения

Nov 09, 2023

Микросистемы и наноинженерия, том 8, Номер статьи: 54 (2022) Цитировать эту статью

2185 Доступов

1 Цитаты

1 Альтметрика

Подробности о метриках

Встроенные клапаны обеспечивают автоматическое управление микрофлюидными системами, поскольку их можно применять для смешивания, перекачивания и разделения на отсеки. Такая автоматизация была бы очень ценна для приложений в системах «орган-на-чипе» (OoC). Однако системы OoC обычно имеют размеры каналов в диапазоне сотен микрометров, что на порядок больше, чем у типичных микрофлюидных клапанов. Наиболее часто используемый процесс изготовления встроенных, нормально открытых клапанов из полидиметилсилоксана (ПДМС) требует использования фоторезиста оплавления, который ограничивает достижимую высоту канала. Кроме того, малый рабочий объем этих клапанов затрудняет достижение скорости потока микролитров в минуту, которая обычно требуется в системах OoC. Здесь мы представляем механический «макроклапан», изготовленный методом многослойной мягкой литографии с использованием микрофрезерованных прямых форм. Мы демонстрируем, что эти клапаны могут перекрывать закругленные каналы высотой до 700 мкм и шириной 1000 мкм. Кроме того, мы использовали эти макроклапаны для создания перистальтического насоса со скоростью откачки до 48 мкл/мин и смесительного и дозирующего устройства, которое может обеспечить полное смешивание объема 6,4 мкл всего за 17 с. Первоначальный эксперимент с культурой клеток продемонстрировал, что устройство со встроенными макроклапанами является биосовместимым и позволяет культивировать эндотелиальные клетки в течение нескольких дней при непрерывной перфузии и автоматическом обновлении среды.

Органы на чипах (OoC) обычно определяются как микрофлюидные устройства для культивирования клеток, содержащие два независимо адресуемых параллельных канала, разделенных пористой мембраной. Различные типы клеток можно культивировать по обе стороны мембраны, что приводит к сложному органоспецифичному интерфейсу ткань-ткань1,2. Устройства OoC считаются мощной альтернативой традиционным моделям in vitro и животным3. Однако проведение экспериментов с клеточными культурами на чипе — нетривиальная задача. ОоК могут быть трудоемкими и сложными в использовании, поскольку требуют опыта как в микрофлюидике, так и в клеточном культивировании4,5.

Для перевода OoC из устройств, подтверждающих концепцию, в коммерческие системы, например, для скрининга лекарств и персонализированной медицины, крайне важно, чтобы системы OoC имели более высокую пропускную способность. Мультиплексированные OoC являются многообещающим подходом для увеличения производительности OoC-экспериментов5,6. За последние несколько лет было представлено несколько микрофлюидных систем с более высоким уровнем распараллеливания или производительности, но каждая из них имеет свои недостатки. Например, Mimetas OrganoPlate® представляет собой систему с 40–96 независимыми лунками для культивирования или OoCs7. Однако для заполнения каждого отдельного чипа требуется множество этапов пипетирования, площадь клеточной культуры мала, а установка требует использования гидрогеля (в качестве полупроницаемого барьера и/или клеточного субстрата). Захарова и др. показал пример конструкции с одним общим входом и восемью параллельными выходами, которую можно использовать для достижения более высокого уровня пропускной способности, но при этом все равно требуется много ручного управления8.

Системы со встроенными микрофлюидными клапанами часто используются для уменьшения необходимости ручной обработки жидкостей, например, как показано Vollertsen et al.9,10. В этих системах часто используются встроенные нормально открытые клапаны11, поскольку эти клапаны просты в изготовлении и занимают небольшую площадь по сравнению с шириной канала по сравнению с нормально закрытыми клапанами12,13. В 2000 году Унгер и др. представили часто используемый в настоящее время нормально открытый клапан PDMS, также известный как клапаны типа Quake12. Эти микроклапаны являются важным инструментом для автоматического управления в микрофлюидике, поскольку их можно применять для смешивания, перекачивания и мультиплексирования в широком диапазоне приложений9,10,14,15. Хотя эти системы микрофлюидной крупномасштабной интеграции (mLSI) обеспечивают более высокую пропускную способность, они несовместимы с большими размерами каналов, которые необходимы для размещения соответствующих клеточных культур в OoC.