РАЗРАБОТКА DIY-УСТАНОВКИ ДЛЯ КАПЕЛЬНОЙ МИКРОФЛЮИДИКИ

Автор: М. А. Полдушов

Журнал: Научное приборостроение @nauchnoe-priborostroenie

Статья в выпуске: 3, 2023 года.

Бесплатный доступ

Создание микрофлюидных установок для большинства исследовательских лабораторий представляет сложную задачу в первую очередь по причине высокой стоимости входящих в их состав компонентов. В связи с этим проводятся многочисленные исследования по поиску новых и модернизации уже имеющихся способов изготовления подобных устройств, направленные на упрощение и удешевление технологии их производства. В работе обсуждается возможность разработки DIY- (Do-It-Yourself, дословный перевод – сделай сам) установки для капельной микрофлюидики, которая включает систему подачи жидкостей, состоящую из нескольких шприцевых насосов, и микрофлюидные чипы с различной геометрией. Для изготовления как шприцевых насосов, так и микрофлюидных чипов использовались широкодоступные готовые компоненты. Некоторые механические части насосов изготавливались самостоятельно с использованием метода 3D-печати. Управление микрофлюидной установкой осуществлялось при помощи платформы Arduino UNO. На ряде примеров формирования эмульсий с различными типами морфологии было показано, что разработанная установка не уступает системам, которые были ранее представлены другими авторами.

Еще

Микрофлюидная установка, капельная микрофлюидика, микроконтроллерные платформы, Arduino

Короткий адрес: https://sciup.org/142238276

IDR: 142238276

Список литературы РАЗРАБОТКА DIY-УСТАНОВКИ ДЛЯ КАПЕЛЬНОЙ МИКРОФЛЮИДИКИ

Berlanda S.F., Breitfeld M., Dietsche C.L., Dittrich P.S. Recent advances in microfluidic technology for bioanalysis and diagnostics // Anal. Chem. 2021. Vol. 93, no. 1. P. 311−331. DOI: 10.1021/acs.analchem.0c04366
2. Microfluidics: fundamentals, devices and applications /Eds.: Song Y., Cheng D., Zhao L. Weinheim: WileyVCH, 2018. 544 p.
3. Whitesides G.M. The origins and the future of microfluidics // Nature. 2006. Vol. 442, no. 7101. P. 368–373. DOI: 10.1038/nature05058
4. Iakovlev A.P., Erofeev A.S., Gorelkin P.V. Novel pumping methods for microfluidic devices: acomprehensive review // Biosensors. 2022. Vol. 12, no. 11. Id. 956. DOI: 10.3390/bios12110956
5. Mavrogiannis N., Ibo M., Fu X., Crivellari F., Gagnon Z. Microfluidics made easy: a robust low-cost constant pressure flow controller for engineers and cell biologists // Biomicrofluidics. 2016. Vol. 10. Id. 034107. DOI: 10.1063/1.4950753
6. Shang L., Cheng Y., Zhao Y. Emerging Droplet Microfluidics // Chem. Rev. 2017. Vol. 117. P. 7964−8040. DOI: 10.1021/acs.chemrev.6b00848
7. Кухтевич И.В., Посмитная Я.С.,Белоусов К.И., Букатин А.С., Евстрапов А.А. Принципы, технологии и устройства “капельной” микрофлюидики. Ч. 1. // Научное приборостроение. 2015. Т. 25, № 3. С. 65–85. URL: http://iairas.ru/mag/2015/full3/Art7.pdf
8. Matula K., Rivello F., Huck W.T.S. Single-cell analysis using droplet microfluidics // Adv. Biosys. 2020. Vol. 4, iss. 1. Id. 1900188. DOI: 10.1002/adbi.201900188
9. Clausell-Tormos J., Lieber D., Baret J.-C., et al. Dropletbased microfluidic platforms for the encapsulation and screening of mammalian cells and multicellular organisms // Chem. Biol. 2008. Vol. 15, iss. 5. P. 427–437. DOI: 10.1016/j.chembiol.2008.04.004
10. Wang J., Li Y., Wang X., et al. Droplet microfluidics for the production of microparticles and nanoparticles // Micromachines. 2017. Vol. 8, no. 1. Id. 22. DOI: 10.3390/mi8010022
11. Kim J. H., Jeon T.Y., Choi T.M., Shim T.S., Kim S., Yang S. Droplet microfluidics for producing functional microparticles // Langmuir. 2014. Vol. 30, no. 6. P. 1473–1488. DOI: 10.1021/la403220p
12. Han X.,Zhang Y., Tian J., Wu T., Li Z., Xing F., Fu S. Polymer‐based microfluidic devices: a comprehensive review // Polym. Eng. Sci. 2022. Vol. 62, iss. 1. P. 3–24. DOI: 10.1002/pen.25831
13. Faustino V., Catarino S.O., Lima R., Minas G. Biomedical microfluidic devices by using low-cost fabrication techniques: A review // J. Biomech. 2016. Vol. 49, no. 11. P. 2280–2292. DOI: 10.1016/j.jbiomech.2015.11.031
14. Wijnen B., Hunt E.J., Anzalone G.C., Pearce J.M. Opensource syringe pump library // PLoS One. 2014. Vol. 9, iss. 9. Id. E107216. DOI: 10.1371/journal.pone.0107216
15. Damoah I.S., Botchie D. Do-It-Yourself (DIY) laboratories and science, technology, and innovation (STI): trends, implications and future research // Technol. Anal. Strateg. Manag. 2021. Vol. 33, iss. 10. P. 1267–1280. DOI: 10.1080/09537325.2021.1942826
16. Ravindran S. How DIY technologies are democratizing science // Nature. 2020. Vol. 587, no. 7834. P. 509–511. DOI: 10.1038/d41586-020-03193-5
17. Booeshaghi A.S., Beltrame E.V., Bannon D., Gehring J., Pachter L. Principles of open source bioinstrumentation applied to the poseidon syringe pump system // Sci. Rep. 2019. Vol. 9. Id. 12385. DOI: 10.1038/s41598-019-48815-9
18. Lake J.R., Heyde K.C., Ruder W.C. Low-cost feedbackcontrolled syringe pressure pumps for microfluidics applications // PLoS One. 2017. Vol. 12, iss. 4. Id. E175089. DOI: 10.1371/journal.pone.0175089
19. Garcia V.E., Liu J., DeRisi J.L. Low-cost touchscreen driven programmable dual syringe pump for life science applications // HardwareX. 2018. Vol. 4. Id. E00027. DOI: 10.1016/j.ohx.2018.e00027
20. Sadegh-cheri M. Using the recycled parts of a computer DVD drive for fabrication of a low-cost Arduino-based syringe pump // J. Chem. Educ. 2022.Vol. 99, iss. 2. P. 521–525. DOI: 10.1021/acs.jchemed.1c00260
21. Samokhin A.S. Syringe pump created using 3D printing technology and Arduino platform // J. Anal. Chem. 2020. Vol. 75, no. 3. P. 416–421. DOI: 10.1134/S1061934820030156
22. Behrens M.R., Fuller H.C., Swist E.R., Wu J., Islam Md.M., Long Z., Ruder W.C., Steward R. Opensource, 3D-printed peristaltic pumps for small volume point-of-care liquid handling // Sci. Rep. 2020. Vol. 10. Id. 1543. DOI: 10.1038/s41598-020-58246-6
23. Ching T., Vasudevan J., Tan H. Y., Lim C.T., Fernandez J., Toh Y., Hashimoto M. Highly-customizable 3Dprinted peristaltic pump kit // HardwareX. 2021. Vol. 10. Id. E00202. DOI: 10.1016/j.ohx.2021.e00202
24. Gao R.Z., Hebert M., Huissoon J., Ren C.L. µPump: an open-source pressure pump for precision fluid handling in microfluidics // HardwareX. 2020. Vol. 7. Id. E00096. DOI: 10.1016/j.ohx.2020.e00096
25. Challa P.K., Kartanas T., Charmet J., Knowles T.P.J. Microfluidic devices fabricated using fast wafer-scale LEDlithography patterning // Biomicrofluidics. 2017. Vol. 11, iss. 1. Id. 014113. DOI: 10.1063/1.4976690
26. Rizqika R., Whulanza Y., Charmet J., Kiswanto G., Soemardi T. P. Characterization of homemade UV-LED photolithography to realize high aspect ratio channels // AIP Conf. Proc. 2020. Vol. 2227, iss. 1. Id. 020010. DOI: 10.1063/5.0000873
27. Rajan D.K., Lekkala J. A maskless exposure device for rapid photolithographic prototyping of sensor and microstructure layouts // Procedia Eng. 2010. Vol. 5. P. 331–334. DOI: 10.1016/j.proeng.2010.09.115
28. Ghosh R., Gopalakrishnan S., Savitha R., Renganathan T., Pushpavanam S. Fabrication of laser printed microfluidic paper-based analytical devices (LP-µPADs) for point-ofcare applications // Sci. Rep. 2019. Vol. 9. Id. 7896. DOI: 10.1038/s41598-019-44455-1
29. Nishat S., Jafry A.T., Martinez A.W., Awan F.R. Paperbased microfluidics: simplified fabrication and assay methods // Sens. Actuators B: Chem. 2021. Vol. 336. Id. 129681. DOI: 10.1016/j.snb.2021.129681
30. Singhal H.R., Prabhu A., Nandagopal G.M.S., Dheivasigamani T., Mani N.K. One-dollar microfluidic paperbased analytical devices: Do-It-Yourself approaches // Microchem. J. 2021. Vol. 165. Id. 106126. DOI: 10.1016/j.microc.2021.106126
31. Bhattacharjee N., Urrios A., Kanga S., Folch A. The upcoming 3D-printing revolution in microfluidics // Lab. Chip. 2016. Vol. 16, iss. 10. P. 1720–1742. DOI: 10.1039/c6lc00163g
32. Li T., Zhao L., Liu W., Xua J., Wang J. Simple and reusable off-the-shelf microfluidic devices for the versatile generation of droplets // Lab. Chip. 2016. Vol. 16, iss. 24. P. 4718–4724. DOI: 10.1039/c6lc00967k
33. Sun L., Li T., Zhang B., Zhang M., Xu J., Wang J. An offthe-shelf microfluidic device for the controllable fabrication of multiple-holed hollow particles and their cell culture applications // Mater. Chem. Front. 2021. Vol. 5, iss. 7. P. 3149–3158. DOI: 10.1039/d0qm01014f
34. FreeCAD, Your own 3D parametric modeler. URL: https://www.freecadweb.org (дата обращения: 15.05.2023).
35. Software: Arduino. URL: https://www.arduino.cc/en/software (дата обращения: 15.05.2023).
36. AccelStepper library for Arduino. [Электронный ресурс] URL: https://www.airspayce.com/mikem/arduino/AccelStepper/index.html (дата обращения: 15.05.2023).
37. Dincer I., Zamfirescu C. Drying phenomena: theory and applications. Chichester: Wiley, 2016. 512 p.
38. Schindelin J., Arganda-Carreras I., Frise E., Kaynig V., Longair M., Pietzsch T., Cardona A. Fiji: an open-source platform for biological-image analysis // Nat. Methods. 2012. Vol. 9, no. 7. P. 676–682. DOI: 10.1038/nmeth.2019
39. Utada A.S., Fernandez-Nieves A., Stone H.A., Weitz D.A. Dripping to jetting transitions in coflowingliquid streams // Phys. Rev. Lett. 2007. Vol. 99, iss. 9. Id. 094502. DOI: 10.1103/PhysRevLett.99.094502
40. Chen Y., Wu L., Zhang C. Emulsion droplet formation in coflowing liquid streams // Phys. Rev. E. 2013. Vol. 87, iss. 1. Id. 013002. DOI: 10.1103/PhysRevE.87.013002
41. Wang Y., Huang Y., Li H., Zhang L. A convenient plugand-play coaxial microfluidic device and quantitative prediction of monodisperse droplets generation // J. Micromech. Microeng. 2020. Vol. 30, no. 6. Id. 065009. DOI: 10.1088/1361-6439/ab87ee

Еще

Статья научная