De opkomst van de microfluïdica heeft geleid tot de integratie van micro- en nanofluïdische apparaten in tal van toepassingen, zoals biomedische en chemische analyse.
Micro- en nanofluïdische apparaten met zeer kleine kanalen (grootte in µm) bieden interessante voordelen wat betreft een lager monsterverbruik en een hogere gevoeligheid dankzij het gebruik van kleine volumes (micro-/nanoliters), waardoor een vrij grote oppervlakte-volumeverhouding mogelijk is. De ontwikkeling van nanotechnologieën en micro-/nano-elektromechanische systemen (MEMS, NEMS) maakt het bovendien mogelijk om micro-elektronische componenten zeer eenvoudig te vervaardigen en te integreren.
In dit overzicht zullen we aan de hand van diverse voorbeelden uit de literatuur verschillende methoden bekijken om pompen en kleppen op een microfluïdische chip te integreren.
Vervaardiging van een handbediend microklepsysteem van PDMS
Kleppen die in de microfluïdica worden gebruikt, zijn over het algemeen gebaseerd op de volgende soorten regelmechanismen: mechanische aandrijving, pneumatiek, elektrokinetiek, faseverandering of het uitoefenen van een externe kracht.
Er zijn twee soorten kleppen, afhankelijk van hun werking: actieve en passieve kleppen. Hun indeling hangt vervolgens af van de aanwezigheid van mechanische of niet-mechanische bewegende onderdelen.
In dit voorbeeld hebben de onderzoekers ervoor gekozen om hun eigen klep te vervaardigen. Het werkingsprincipe van de klep is gebaseerd op de mechanische structuur (vervaardigd uit Plexiglas®-materialen) en flexibele materialen (PDMS), zoals weergegeven in figuur 1.
De klep bestaat uit een actief deel dat bestaat uit een microkanaal en een dunne film van PDMS (figuren 1(a) en 1(b)). De PDMS-film is vervaardigd met een dikte van 100 µm en aan de bovenkant van het kanaal bevestigd door middel van functionalisering in een plasmareiniger. Het microkanaal is vervaardigd uit PDMS met de volgende afmetingen: 1 × 0,05 × 10 mm, door middel van een zachte lithografietechniek.
De mechanische constructie voor het openen en sluiten van de doorstroming bestaat uit twee onderdelen: een schroef (met een diameter van ongeveer 3 mm en een schroefdraad van 0,5 mm) wordt door een schroefgat in een plexiglasplaat geleid, die op haar beurt aan een tweede plaat is bevestigd; een PDMS-onderdeel (met een diameter van ongeveer 2,5 mm) dat kleiner is dan het schroefgat en vrij in dit gat kan bewegen. Het PDMS-onderdeel zorgt ervoor dat de schroefkop de PDMS-film tijdens het werkproces niet beschadigt.
Wat de klep betreft, zijn er twee hoofdconstructies die bestaan uit PDMS- en Plexiglas®-onderdelen, zoals weergegeven in figuur 1(d). Het PDMS-onderdeel bestaat uit het deel met de kanalen (voor kanaalkleppen) en een tussenplaat van PDMS met verschillende gaten met dezelfde diameter als de schroeven. Beide mechanische constructies zijn vervaardigd uit Plexiglas®; het eerste onderdeel is voorzien van schroefgaten, het tweede onderdeel is een onderste steun die, in combinatie met het eerste onderdeel (als een klem), het mogelijk maakt alle elementen van de constructies van het klepsysteem te bevestigen.
Voor meer informatie over dit ontwerp nodigen wij u uit het artikel te lezen Le T N et al. 2020, Adv. Polym. Technol.
We moeten toegeven dat deze methode slim, praktisch en voordelig is, maar ze is niet in alle gevallen toepasbaar, vooral niet als er een schroef in het spel is. Sommige toepassingen vereisen namelijk een zeer hoge mate van integratie en prestaties. We zullen daarom aan de hand van een ander voorbeeld bekijken wat er mogelijk is bij het maken van prototypes.
Geïntegreerd hart/kanker-systeem op een chip om de bijwerkingen van antikankermedicijnenin vitro na te bootsen
Lange tijd werd ‘lab-on-a-chip’ vooral gebruikt voor biochemische analyses en detectie, maar de laatste tijd wordt het ook ingezet voor diagnostiek.
Naarmate de technologieën zich verder ontwikkelen, wordt het dus mogelijk om vooruitgang te boeken op weg naar een draagbaar diagnosesysteem. Naast microfluïdische systemen zijn er ook pompen, elektroden, kleppen en elektrische velden nodig. Dit alles kan worden gerealiseerd met behulp van geïntegreerde micro-elektronica.
In dit voorbeeld ontwikkelde het team een microfluïdisch apparaat – een Integrated Heart/Cancer on a Chip (iHCC) – waarbij gebruik werd gemaakt van gezonde menselijke hartcellen (hCM’s) en leverkankercellen (HepG2) om de bijwerkingen van het antikankergeneesmiddel doxorubicine (DXR) na te bootsen, met als doel afzonderlijke celculturen van verschillende weefsels te realiseren op één enkel apparaat met drie sets kunstmatige bloedcirculatielussen, waarbij microfabricagetechnologie voor microkleppen en een pomp zorgt voor een nauwkeurige vloeistofstroom.
Voor de vervaardiging van de iHCC koos het team voor PDMS, met name vanwege de biocompatibiliteit, de goede gasdoorlaatbaarheid en de goede lichtdoorlatendheid van dit materiaal.
De zogenaamde infusielaag bevat twee celkweekkamers (2,1 mm breed en 220 mm hoog) die voldoende zijn om de benodigde groeifactoren en het antikankergeneesmiddel toe te dienen en de schuifspanning te verminderen.
Er zijn microkanalen aangelegd om de twee celkweekkamers (150 mm breed, 45 mm hoog) via inlaat- en uitlaatopeningen met elkaar te verbinden.
De zogenaamde regelingslaag, die eveneens bestaat uit een dun en flexibel PDMS-membraan (200 x 200 µm² en 20 µm dik), bevat kleppen waarmee twee soorten cellen onafhankelijk van elkaar kunnen worden gekweekt zonder kruisbesmetting, evenals micropompen voor een nauwkeurige regeling van het debiet van het kweekmedium.
Dit apparaat bestond dus uit drie sets van twee celkweekkamers met een gesloten circulatielus, waardoor drie verschillende maar gelijktijdige celbehandelingen binnen hetzelfde apparaat mogelijk waren (Figuur 2).
Voor meer informatie over dit ontwerp verwijzen wij u graag naar dit artikel vanKamei K et al. (2017) in RSC Adv.
Darwin Microfluidics beschikt over een breed assortiment aan microkleppen en micropompen voor het vervaardigen van dit soort microfluïdische prototypes. Onze experts hebben in de onderstaande tabel de producten geselecteerd die het meest geschikt zijn voor uw toepassing.
| Soort product | Afmetingen | Links naar de website van Darwin Microfluidic |
| 2/2- of 3/2-weg Whisper -klep type 6724 van Bürkert | 8,9 mm breed | https://darwin-microfluidics.com/collections/microfluidic-valves/products/2-2-or-3-2-way-whisper-valve-type-6724 |
| 2/2-weg microfluïdische klep van het type 6712 van de Whisper , van Bürkert | 18,2 x 7,2 x 7 mm | https://darwin-microfluidics.com/collections/microfluidic-valves/products/microfluidic-minimum-volume-solenoid-valve-burkert-type-6712 |
| 2/2-weg microfluïdische miniatuurklep van Memetis | 20 × 5 × 7 mm | https://darwin-microfluidics.com/collections/microfluidic-valves/products/2-2-way-microfluidic-miniature-valve |
| Micropompen uit de BP7-serie van Bartels | 30 x 15 x 3,8 mm | https://darwin-microfluidics.com/products/bartels-bp7-micropump |
Met dit overzicht beschikt u over alle benodigde informatie om aan de slag te gaan met de productie van microfluïdische prototypes. De experts van Darwin Microfluidics staan klaar om u te adviseren!
