PL221743B1

PL221743B1 - Microfluidic system equipped with passive venting module

Info

Publication number: PL221743B1
Application number: PL399358A
Authority: PL
Inventors: Karina Ziółkowska; Iga Hofman; Artur Dybko; Zbigniew Brzózka; Michał Chudy
Original assignee: Politechnika Warszawska
Priority date: 2012-05-29
Filing date: 2012-05-29
Publication date: 2016-05-31
Also published as: PL399358A1

Description

Przedmiotem wynalazku jest układ mikroprzepływowy wyposażony w pasywny moduł odpowietrzający do zastosowań analitycznych.The subject of the invention is a microflow system equipped with a passive deaeration module for analytical applications.

Układy mikroprzepływowe (Lab-on-a-chip) są przydatnymi narzędziami w takich dziedzinach jak bioanalityka, kryminalistyka, diagnostyka medyczna, toksykologia, farmakologia czy inżynieria komórkowa. Spośród licznych zalet układów mikroprzepływowych, warunkujących ogromne zainteresowanie ich wykorzystaniem, wymienić można obniżenie kosztów związanych ze zużyciem odczynników i utylizacją odpadów, precyzyjną kontrolę przepływu płynów, wykorzystanie zjawisk niewystępujących w makroukładach oraz możliwość tworzenia wysokosprawnych systemów analitycznych (tzw. High Throughput Screening, HTS).Microfluidic systems (Lab-on-a-chip) are useful tools in areas such as bioanalysis, forensics, medical diagnostics, toxicology, pharmacology and cellular engineering. Among the numerous advantages of microfluidic systems, which determine the great interest in their use, one can mention the reduction of costs related to the consumption of reagents and waste disposal, precise control of fluid flow, the use of phenomena that do not occur in macrocircuits and the possibility of creating highly efficient analytical systems (the so-called High Throughput Screening, HTS).

Układy mikroprzepływowe wytwarzane są z takich materiałów jak krzem, szkło, ceramika czy materiały polimerowe. Materiałem, który charakteryzuje się szczególnie pożądanymi własnościami dla zastosowań biomedycznych jest poli(dimetylosiloksan) (PDMS). PDMS jest elastyczny, nietoksyczny, bierny chemicznie, przezroczysty w szerokim zakresie widma światła UV-Vis oraz stosunkowo tani i wygodny w obróbce. Ponadto PDMS jest przepuszczalny dla gazów, co jest wyjątkowo korzystne w zastosowaniach w inżynierii komórkowej: możliwe jest tworzenie szczelnych, sterylnych układów bez konieczności implementacji systemów wentylujących - wymiana gazów oddechowych zachodzi bezpośrednio przez ściany układu.Microflow systems are made of materials such as silicon, glass, ceramics and polymer materials. A material that has particularly desirable properties for biomedical applications is poly (dimethylsiloxane) (PDMS). PDMS is flexible, non-toxic, chemically inactive, transparent in a wide range of the UV-Vis light spectrum, and relatively cheap and easy to process. In addition, PDMS is gas permeable, which is extremely advantageous in cellular engineering applications: it is possible to create sealed, sterile systems without the need to implement ventilation systems - the exchange of breathing gases takes place directly through the walls of the system.

Jednym z podstawowych zagrożeń dla powodzenia i poprawności doświadczeń przeprowadzanych z użyciem układów mikroprzepływowych są pęcherze powietrza, które mogą zostać wprowadzone do układu podczas pracy. Nawet drobne pęcherze gazu mogą znacznie zaburzyć pracę miniaturowych urządzeń. Ponadto w przypadku inżynierii komórkowej, korzystna jest długotrwała hodowla komórek w warunkach zbliżonych do in vivo. Pęcherze powietrza są wyjątkowo częstym i niepożądanym problemem w tego typu hodowlach.One of the main threats to the success and correctness of experiments with microfluidic systems are air bubbles that can be introduced into the system during operation. Even tiny gas bubbles can significantly disrupt the operation of miniature devices. Moreover, in the case of cellular engineering, it is preferable to cultivate the cells for a long time under conditions similar to in vivo. Air bubbles are an extremely common and undesirable problem in this type of farming.

Połączenia przewodów doprowadzających płyny do układów mikroprzepływowych stanowią poważne wyzwanie technologiczne, a obecnie stosowane rozwiązania nie pozwalają na pełne wyeliminowanie problemu pęcherzy powietrza. Alternatywnym rozwiązaniem mogą być moduły odpowietrzające kompatybilne z układami mikroprzepływowymi. Jak dotąd, tylko kilka rozwiązań tego typu zostało zaprezentowanych w literaturze. Znaczącą grupę stanowią tzw. odpowietrzacze aktywne, czyli wymagające do działania dodatkowych, energochłonnych układów mechanicznych (np. pomp próżniowych). Zastosowanie takich rozwiązań mija się z celem w przypadku prostych, przenośnych układów mikroprzepływowych. Z drugiej strony, proponowane dotychczas odpowietrzacze pasywne miały skomplikowaną budowę wymagającą stosowania wyrafinowanych metod wytwarzania. Na przykład wytwarzanie półokrągłych modułów odpowietrzających wiąże się z koniecznością dodania w cyklu technologicznym sześciu dodatkowych etapów wytwarzania. Inne znane odpowietrzacze pasywne wymagają położenia kanału doprowadzającego oraz odprowadzającego na różnych poziomach, co uniemożliwia połączenie szeregowe takich struktur w celu otrzymania większej pojemności. Podobnie pojemność determinuje wielkość modułów planarnych - zastosowanie efektywnej struktury znacznie zwiększa wymiary urządzenia. Ponadto większe wymagania technologiczne bardzo często pociągają za sobą brak możliwości integracji odpowietrzacza z mikrostrukturą. W takim wypadku zwiększone jest ryzyko nieszczelności pomiędzy modułami.Connections of lines supplying fluids to microfluidic systems are a serious technological challenge, and currently used solutions do not allow to fully eliminate the problem of air bubbles. An alternative solution may be exhaust modules compatible with microfluidic systems. So far, only a few solutions of this type have been presented in the literature. A significant group are the so-called active air vents, i.e. those requiring additional, energy-consuming mechanical systems (e.g. vacuum pumps) to operate. The use of such solutions is pointless in the case of simple, portable microfluidic systems. On the other hand, the passive vents proposed so far had a complex structure requiring the use of sophisticated manufacturing methods. For example, manufacturing semicircular vent modules requires six additional manufacturing steps to be added to the manufacturing cycle. Other known passive vents require the positioning of the inlet and outlet channels at different levels, which makes it impossible to connect such structures in series to obtain a larger capacity. Similarly, the capacity determines the size of the planar modules - the use of an effective structure significantly increases the dimensions of the device. In addition, higher technological requirements very often result in the inability to integrate the vent with the microstructure. In this case, the risk of leakage between modules is increased.

Przedmiotem wynalazku jest układ mikroprzepływowy wyposażony w pasywny moduł odpowietrzający. Układ według wynalazku składa się z modułu mikrostruktury funkcjonalnej wykonanego z płytki z mikrokanałami oraz płytki uszczelniającej mikrokanały, które na swych końcach zaopatrzone są w mikrokanał wlotowy i wylotowy. Między mikrokanałem wlotowym i/lub wylotowym a modułem mikrostruktury funkcjonalnej znajduje się co najmniej jeden pasywny moduł odpowietrzający składający się z pionowego kanału zbierającego ograniczonego od góry membraną półprzepuszczalną z poli(dimetylosiloksanu). Bezpośrednio pod wylotem kanału zbierającego, w mikrokanale wykonane jest przewężenie. Przewężenie może mieć postać przewężenia prostego, gdzie jeden szeroki kanał przechodzi w jeden węższy kanał lub szeroki kanał rozwidlony jest na kilka kanałów o mniejszych szerokościach. Pasywne moduły odpowietrzające połączone są w sposób szeregowy.The subject of the invention is a microflow system equipped with a passive deaeration module. The system according to the invention consists of a functional microstructure module made of a microchannel plate and a microchannel sealing plate, which at their ends are provided with inlet and outlet microchannels. Between the inlet and / or outlet microchannel and the functional microstructure module there is at least one passive deaeration module consisting of a vertical collecting channel delimited at the top by a semi-permeable poly (dimethylsiloxane) membrane. Directly below the outlet of the collecting channel, a narrowing is made in the microchannel. The constriction can be in the form of a straight constriction, where one wide canal becomes one narrower canal or a wide bifurcated canal is divided into several canals with smaller widths. Passive exhaust modules are connected in series.

Pasywny moduł odpowietrzający zintegrowany jest z mikrosystemami wytwarzanymi dowolnymi technikami w poli(dimetylosiloksanie) lub technikami hybrydowymi łączącymi poli(dimetylosiloksan) z innymi materiałami. Wytwarzanie odpowietrzacza nie wymaga stosowania dodatkowych technik, ponad te, które standardowo są wykorzystywane przy wytwarzaniu układów mikroprzepływowych.The passive deaeration module is integrated with microsystems produced by any techniques in poly (dimethylsiloxane) or hybrid techniques combining poly (dimethylsiloxane) with other materials. The manufacture of the deaerator requires no additional techniques beyond those normally used in the manufacture of microfluidic systems.

PL 221 743 B1PL 221 743 B1

Dzięki temu zastosowanie pasywnego odpowietrzacza nie wpływa na koszt jednostkowy końcowego urządzenia. Ponadto istnieje możliwość zwiększenia pojemności układu poprzez szeregowe połączenie modułów.Thanks to this, the use of a passive deaerator does not affect the unit cost of the final device. In addition, it is possible to increase the capacity of the system by connecting modules in series.

Ciecz wprowadzana jest do układu przez wężyk umieszczony w otworze wlotowym, w kierunku modułu mikrostruktury funkcjonalnej. Jeżeli do układu dostanie się pęcherz powietrza, płynie do przegrody w postaci przewężenia mikrokanału. Przewężenie powoduje lokalny wzrost oporu hydrodynamicznego mikrokanału, przez co pęcherz powietrza jest zatrzymywany na przegrodzie, a następnie, ze względu na różnicę gęstości, unoszony w górę kanału zbierającego. Nadciśnienie spowodowane przepływem cieczy w układzie powoduje przenikanie powietrza przez membranę półprzepuszczalną z PDMS. W wypadku zastosowań przy zwiększonym ryzyku pojawiania się pęcherzy powietrza, można zastosować kilka modułów odpowietrzających połączonych szeregowo.The liquid enters the system through a hose placed in the inlet opening towards the functional microstructure module. If an air bubble enters the system, it flows to the partition in the form of a narrowing of the microchannel. The constriction causes a local increase in the hydrodynamic resistance of the microchannel, as a result of which the air bubble is retained on the partition and then, due to the density difference, lifted up the collecting channel. The overpressure caused by the fluid flow in the system causes air to permeate through the PDMS semi-permeable membrane. For applications with an increased risk of air bubbles, several de-aeration modules connected in series can be used.

Wymiary pionowego kanału zbierającego zależą od dwóch czynników: grubości górnej warstwy układu (wysokość kanału) oraz średnicy narzędzia użytego do wywiercenia otworu (szerokość kanału). Wymiary te można zmieniać w celu uzyskania większej lub mniejszej pojemności modułu odpowietrzającego. Dokładne wymiary kanałów dobiera się w zależności od zakresu stosowanych przepływów, rodzaju wykorzystywanej cieczy czy rodzaju wykonywanych doświadczeń.The dimensions of the vertical collecting channel depend on two factors: the thickness of the top layer of the system (channel height) and the diameter of the tool used to drill the hole (channel width). These dimensions can be changed in order to obtain a larger or smaller capacity of the deaeration module. The exact dimensions of the channels are selected depending on the range of flows used, the type of liquid used or the type of experiments performed.

Układy mikroprzepływowe z PDMS składają się najczęściej z dwóch warstw. Wzór mikrokanału z przewężeniem oraz funkcjonalnej mikrostruktury w warstwie dolnej wytwarzany może być metodą odlewu, grawerowania laserowego lub każdą inną kompatybilną z PDMS. Warstwa dolna może być również wykonana ze szkła, ceramiki lub innych materiałów możliwych do połączenia z PDMS, technikami właściwymi dla tych materiałów. Górna warstwa układu wykonana jest z PDMS i może zawierać elementy funkcjonalnej mikrostruktury lub być płaską płytką uszczelniającą. W warstwie górnej wywiercone są na wylot otwory wlotowe i wylotowe. W analogiczny sposób wytwarzany jest pionowy kanał zbierający modułu odpowietrzającego. Następnie obie warstwy układu łączone są ze sobą poprzez tzw. bondowanie po uprzedniej aktywacji powierzchni, np. plazmą tlenową. Końcowym etapem wytwarzania układu ze zintegrowanym modułem odpowietrzającym jest zamknięcie pionowego kanału zbierającego cienką (<1 mm grubości) membraną z PDMS poprzez bondowanie membrany do górnej warstwy układu.Microfluidic systems with PDMS usually consist of two layers. The pattern of the narrowing microchannel and functional microstructure in the lower layer can be produced by casting, laser engraving or any other PDMS compatible method. The bottom layer may also be made of glass, ceramics, or other materials compatible with PDMS, using techniques specific to these materials. The top layer of the system is made of PDMS and may contain functional microstructure elements or be a flat sealing plate. Inlet and outlet openings are drilled through the top layer. A vertical collecting channel of the deaeration module is produced in a similar way. Then both layers of the system are connected with each other through the so-called bonding after surface activation, e.g. with oxygen plasma. The final step in the fabrication of the system with an integrated deaeration module is to close the vertical collection channel with a thin (<1 mm thick) PDMS membrane by bonding the membrane to the top layer of the system.

Przedmiot wynalazku przedstawiono na rysunku, na którym Fig. 1 przedstawia przykładowy układ mikroprzepływowy z pasywnym modułem odpowietrzającym, Fig. 2 przedstawia przekrój podłużny fragmentu układu mikroprzepływowego z uwidocznieniem szczegółów pasywnego modułu odpowietrzającego, Fig. 3 przedstawia budowę przewężenia mikrokanału w postaci przewężenia prostego, Fig. 4 przedstawia budowę mikrokanału z przewężeniem w postaci szerokiego kanału rozwidlonego na kilka kanałów o mniejszych szerokościach.The subject of the invention is shown in the drawing, in which Fig. 1 shows an exemplary microfluidic system with a passive venting module, Fig. 2 shows a longitudinal section of a part of the microflow system with details of the passive venting module, Fig. 3 shows the structure of a constriction of the microchannel in the form of a straight constriction, Fig. 4 shows the structure of a microchannel with a constriction in the form of a wide bifurcated channel into several channels of smaller widths.

P r z y k ł a d. Mikrosystem do hodowli komórkowych wykonano z dwóch warstw PDMS. W dolnej warstwie PDMS 6, metodą fotolitografii i odlewu wykonano mikrostrukturę funkcjonalną 7 w postaci komór hodowlanych oraz mikrokanał 8 z przewężeniami 5 będącymi integralną częścią modułów odpowietrzających. Warstwę górną 4 stanowiła płaska płytka PDMS. W warstwie górnej 4 wiertłem o średnicy 1 mm wywiercono mikrokanał wlotowy 3 i mikrokanał wylotowy 9 oraz cztery pionowe kanały zbierające 2 modułów odpowietrzających po dwa przed i za modułem mikrostruktury funkcjonalnej 7. Następnie warstwy połączono poprzez bondowanie po uprzedniej aktywacji plazmą tlenową. Tą samą metodą połączono membrany półprzepuszczalne z PDMS 1 uszczelniające moduły odpowietrzające.Example A cell culture microsystem was made of two PDMS layers. In the lower layer of PDMS 6, a functional microstructure 7 in the form of culture chambers and a microchannel 8 with constrictions 5 being an integral part of the venting modules were made by means of photolithography and casting. Top layer 4 was a planar PDMS plate. In the upper layer 4 with a 1 mm diameter drill, an inlet microchannel 3 and an outlet microchannel 9 were drilled, and four vertical collecting channels 2 deaeration modules two before and after the functional microstructure module 7. Then the layers were bonded after prior activation with oxygen plasma. The same method was used to connect the semi-permeable membranes to the PDMS 1 sealing the vent modules.

Mikrosystem wysterylizowano kolejno światłem UV i 70% roztworem alkoholu etylowego. Następnie wypełniono układ medium hodowlanym dbając, by usunięte zostały wszystkie pęcherze powietrza. Do tak przygotowanego mikrosystemu wprowadzona została zawiesina komórek ludzkich za pomocą pompy strzykawkowej, z przepływem 10 pl/min. Jeżeli przy przyłączaniu strzykawki z zawiesiną komórkową pojawił się pęcherz powietrza, był on wyłapywany przez moduł odpowietrzający znajdujący się tuż za mikrokanałem wlotowym 3, a następnie usuwany poprzez membranę z PDMS 1. Wypełniony komórkami układ został uszczelniony i umieszczony w inkubatorze (37°C, 5% CO₂). W trakcie inkubacji mogło dojść do rozszczelnienia mikrokanału wlotowego 3 lub wylotowego 9. W wyniku tego pęcherze powietrza dostawały się do układu i wyłapywane były przez moduły odpowietrzające. Pęcherze w pierwszej kolejności wyłapywane były przez moduł odpowietrzający najbliższy nieszczelności, a po jego przepełnieniu - przez kolejny moduł odpowietrzający w połączeniu szeregowym. W efekcie zastosowania modułów odpowietrzających możliwe było zapewnienie stabilnych warunków wzrostu komórek ludzkich w mikroukładzie przepływowym.The microsystem was sterilized successively with UV light and 70% ethyl alcohol solution. The system was then filled with culture medium taking care to remove all air bubbles. The suspension of human cells was introduced into the microsystem prepared in this way by means of a syringe pump, with the flow rate of 10 µl / min. If an air bubble appeared when attaching the syringe with cell suspension, it was picked up by the vent module located just behind inlet microchannel 3 and then expelled through the PDMS 1 membrane. The cell-filled system was sealed and placed in an incubator (37 ° C, 5 % CO ₂ ). During incubation, the inlet or outlet microchannel 9 could become unsealed. As a result, air bubbles entered the system and were caught by the vent modules. The bubbles were first caught by the deaeration module closest to the leak, and after overfilling - by another deaeration module in series connection. As a result of the use of venting modules, it was possible to ensure stable conditions for the growth of human cells in the microflow system.

Claims

1. A microflow system equipped with a passive deaeration module consisting of a functional microstructure module made of a microchannel plate and a microchannel sealing plate, which at their ends are provided with an inlet and outlet microchannel, characterized in that between the inlet microchannel (3) and / or outlet (9) and the functional microstructure module (7) there is at least one passive deaeration module consisting of a vertical collecting channel (2) limited at the top by a semi-permeable poly (dimethylsiloxane) membrane (1) and directly below the outlet of the collecting channel (2) , a constriction (5) is provided in the microchannel (8), and if the system includes more than one passive exhaust module, these modules are connected in series.

2. The system according to claim 4. The system of claim 1, characterized in that the constriction (5) is a straight constriction where one wide channel becomes one narrower channel.

3. The system according to p. 3. The method of claim 1, characterized in that the constriction (5) is in the form of a wide bifurcated channel into several channels of smaller widths.