ラボ向けに簡略化された 3D 流体力学的流れの焦点合わせ

Scientific Reports volume 13、記事番号: 14671 (2023) この記事を引用

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ラボオンチッププラットフォーム内の流体と粒子の位置を正確に制御することは、検出、捕捉、分離、単一粒子レベルでのセンシングの移動など、多くの下流分析プロセスにとって重要な前提条件です。 マイクロ流体製造技術の発展により、粒子/細胞の集束は 2 次元から 3 次元に移行しました。 3D 流体力学的集束は、入ってくる粒子の雲を分類して整列させ、検査領域を 1 つずつ通過させることで、単一細胞分析システムに新たな可能性とブレークスルーを可能にします。 文献で示されている優れた結果にもかかわらず、生物医学研究および臨床応用のワークセンターとして広く受け入れられるための、高スループット、コンパクトさ、高い統合性、および使いやすさの操作の要件を同時に満たすことができるデバイスがまだ不足しています。 ここで我々は、これらすべての利点を潜在的に組み合わせた、溶融シリカ基板に埋め込まれたユニークな 3D フロー集束マイクロ流体デバイスを提案しました。 レーザー支援マイクロマシン技術を活用して製造された、より大きなバッファーチャネル内に吊り下げられたサンプルチャネルを設計することにより、サイズに依存しない集束能力が示されます。 15 μm および 6 μm PS 粒子の混合物から 1 μm PS ミクロスフェア溶液への空間的および時間的に安定した中心流が高精度で得られました。 最後に、達成可能な集束解像度をテストするために、生物学的応用の概念の実証として、水溶液中の大腸菌の検出についてチップをテストしました。

マイクロ流体プラットフォーム上の流体の正確な操作は、実装できる応用範囲が広いため、近年、ラボオンチップ (LOC) 研究分野の注目を集めています。 処理サンプルの量を大幅に削減し、機器のサイズをポータブルなスケールに縮小したことに加えて、マイクロ流体デバイス内で流体の位置、つまりその中を流れる粒子の位置を正確に制御できる機能により、センシングが変わりました。単一粒子レベル。 これにより、感度と抽出可能な情報量が大幅に向上します。 フローサイトメトリーや単一粒子検出 1 などの生物医学分野や、気候変動モニタリング、微生物による水汚染 2 などの環境分野、化粧品 3、食品と飲料の純度などの産業分野など、複数の分野がすでにこれらの利点の恩恵を受けています。コントロール2. マイクロ流体プラットフォーム内を流れる粒子は、特に高濃度でチャネルの断面にランダムに分布し、その後の分析ステップの効率に大幅な影響を与えます4。 したがって、3D フロー フォーカシングの背後にある主な原理は、入ってくる粒子の雲を順序付け、それらが検査領域を 1 つずつ横切るように整列させることです。 したがって、この観点から、理想的な集束装置は、サイズに依存しない非常に小さな粒子や分子さえも管理できるようにしながら、1 つ以上の下流分析ステップ (検出、捕捉、分離など) の存在を考慮する必要があります。集中力はゲームチェンジャーです。 このため、満たすべき重要な要件は、プラットフォームの可搬性に影響を及ぼさないコンパクトさ、分析プロセス全体の速度を低下させない高スループット、デバイスを可能な限り自動化および柔軟にするための使いやすさです。 。 すでに多くの異なる戦略がこの課題に対処しようと試みています。 主に、粒子に外部から (別名アクティブ) または内部から (別名パッシブ) の力を誘発する方法という 2 つの異なるアプローチを特定できます。 最初のケースでは、最も使用される力場は音響 5、6、磁気 7、電気 8、9 です。これらは効果的な方法ではありますが、別の外部刺激が必要なため、両方の製造プロセスが複雑になり、圧電トランスデューサーや磁石などの要素の統合が必要になります。 、電極、および操作では、流れに加えて力の生成の制御が必要です。 次に、磁場を粒子の軌道に作用させるには、流量を制限する必要があり、その結果、スループットは 0.85 μL/min から数百 μL/min になり、限られたケースでは約 500 μL/min になります4、6。一方、受動的な方法は、そのフロー構成のおかげで集中作用を発揮します。 この場合、別の区別が可能です。いくつかのアプローチでは、チャネルの形状10、またはチャネル内の溝や柱などの構造の統合によって生成される慣性力によるシースレス効果を使用しますが、他のアプローチでは複数の入口を使用します。 、1 から 4 まで、サンプルの流れを制限します13、14、15、16。 慣性マイクロ流体工学は、高スループット (最大数 mL/分) 17 の達成が可能であり、シース流が必要ないため、操作の複雑さが軽減されるため、魅力的な方法です。 しかし、慣性集束では、特に狭い空間では集束分解能を向上させることが困難です。 実際、これらの装置は、流れる粒子に作用する 2 つの力（せん断による揚力と壁による揚力）の間の競合を利用していることがよく知られています。 したがって、流れの集束を達成するには、一度に 1 つの粒子直径だけを使用する必要があります。 さらに、粒子サイズが小さくなるにつれて効果的な集束に必要な最小マイクロチャネル長が劇的に増加し、チップのコンパクトさに影響を与え、さらなる分析ステップの統合が複雑になるため、（サブ）マイクロメートルスケールに近い粒子を集束させることは困難に直面します。 直線チャネルでは、形状と集束長は粒子直径に応じて異なります10、18、19、20、21が、スパイラルチャネル22、23または収縮拡張アレイ24の場合は、異なるサイズ、異なる平衡の混合物を使用することによって異なります。ポイントはチャネルセクション全体の異なる位置に設定されます。 これにより、単一の問い合わせ領域には不適切な複数の集中フローが発生します。 次に、粒子間の相互作用によって集束が妨げられるのを避けるために、粒子の体積分率が 1% 未満の場合に慣性効果が見られます。 これは、サンプルを希釈する必要があり、有効スループットが低下し、追加の前処理ステップが必要になることを意味します。 粒子サイズに関係なく、サンプルの流れをマイクロ流体チャネルの中心に閉じ込める概念的に最も簡単な方法は、同じチャネル内に他の 4 つの流れを注入することです。 多くの研究がそのような戦略を実装し、良好な集束結果を達成しています14、16、26、27。しかし、依然として5つ（または6つ）の注入口を同時に管理する必要があるため、臨床用途でのデバイスの使用は容易ではありません。 このため、いくつかのグループが注入ポートの数を減らすための興味深い解決策を提案しました。 最もよく使用される戦略の 1 つは、メイン チャネルに接続する前に元の分岐を分割し、入口の数を 2 か所で減らすことです 13、28、29。このようなデバイスの操作の複雑さが軽減されることに加えて、流れは正確に分割される必要があります。すべてのブランチを使用して、正確な粒子の位置を決定します。 したがって、製造プロセス中または実験機能中に、例えば気泡により、流体操作または形状に非対称性が生じるリスクが増加します。 Tripathi et al.30 は、バッファー流と湾曲したチャネルによるディーン渦効果の組み合わせを利用して、入口が 2 つだけで分割のない単純化された形状を実現しました。 集束効率が良いことに加えて、スループットは 100 µL/min に制限されます。 代わりに、他のいくつかの研究では、2 つのシース入口を使用し、サンプル チャネルのアスペクト比を下げることで、バッファー流が接合部で主流を包み込むようにすることでトレードオフに達しています 31、32。それにもかかわらず、これらのデバイスもまた、限られたスループット範囲を示しています。主にポリジメチルシロキサン (PDMS) の材料であるポリジメチルシロキサン (PDMS) の変形能力によるものです。 代わりに、Patel ら 33 も同様の戦略を使用していますが、ポリメチルメタクリレート (PMMA) マイクロミリングのおかげでデバイスの流量は制限されません。 ただし、集束した粒子はメイン チャネルの底部を流れるため、デバイスは目詰まりのリスクにさらされます。 他の創造的な解決策は、2 つのマイクロピペット 34、いくつかのマイクロキャピラリー 35、またはマイクロノズル 36 を統合することによって、入口を緩衝することによってメインチャネルを囲む試みによって表されます。 エレガントな実装に加えて、デバイスは非常に壊れやすく、性能は製造プロセスの精度に厳密に関係しています。