ZASTOSOWANIE MIKROSYSTEMÓW W MEDYCYNIE LABORATORIUM Ćwiczenie nr 3 Kropelkowy system mikrofluidyczny Cel ćwiczenia: Celem ćwiczenia jest zapoznanie się z budową i warunkami poprawnego działania kropelkowego systemu mikrofluidycznego. Należy określić zakres stosunku ciśnienia wody do ciśnienia oleju, który jest konieczny do uzyskania generacji kropel. Następnie należy zmierzyć częstotliwość generacji kropel dla zadanych parametrów. System mikrofluidyczny został opracowany w Zakładzie Mikroinżynierii i Fotowoltaiki na Wydziale Elektroniki Mikrosystemów i Fotoniki w ramach pracy dyplomowej magisterskiej. Wprowadzenie: Kropelkowe systemy mikrofluidyczne znajdują zastosowanie w takich dziedzinach nauki i przemysłu jak farmacja, medycyna, chemia i biochemia. Kropelkowe systemy mikrofluidyczne to miniaturowe urządzenia przeznaczone do przeprowadzania reakcji chemicznych, biochemicznych w celu wytwarzania związków chemicznych i/lub analizy różnych substancji chemicznych lub materiału biologicznego. Systemy te są wykonywane ze szkła, krzemu lub polimerów i składają się z mikrokanałów prowadzących i mieszających ciecze, zbiorniczków, mikrozaworów, detektorów. Prowadzenie procesów chemicznych w mikroskali ma wiele zalet, m.in. znaczne zmniejszenie ilości odczynników chemicznych, zwiększenie stabilności i powtarzalności przeprowadzania reakcji chemicznych, poprawa kontroli parametrów procesu (np. temperatury), znaczne skrócenie czasu wykonywania analiz chemicznych. W ostatnich latach odnotowuje się coraz większe zainteresowanie przemysłu chemicznego, kosmetycznego i farmaceutycznego kropelkowymi systemami mikrofluidycznymi przeznaczonymi do generacji powtarzalnych kropel o objętości pojedynczych nanolitrów, a nawet pikolitrów. Obecnie badania nad techniką kropelkową skoncentrowane są głównie na wytwarzaniu emulsji dwufazowych, które składają się z fazy ciągłej oraz zawieszonej w niej fazy dyspersyjnej, zwykle wody w
oleju (W/O) lub oleju w wodzie (O/W). W opracowanym mikrochipie faza dyspersyjna (woda) jest emulgowana w postaci powtarzalnych kropelek, których wielkość oraz szybkość generacji są regulowane tzw. metodą ciśnieniową. Opis stanowiska: Schemat układu pomiarowego przedstawiono na rysunku 1. W skład układu pomiarowego wchodzą: 1) regulator precyzyjny z manometrem do regulacji przepływu WODY, 2) regulator precyzyjny z manometrem do regulacji przepływu OLEJU, 3) regulator precyzyjny z manometrem do regulacji przepływu detergentu, 4) dławik do ograniczenia ciśnienia z instalacji, 5) dławik do ograniczenia ciśnienia z instalacji, 6) dławik do ograniczenia ciśnienia z instalacji, 7) zbiornik z WODĄ zabarwioną na niebiesko, 8) zbiornik z OLEJEM zabarwionym na czerwono, 9) zbiornik z detergentem, 10) zbiornik na odpadki, 11) cztery zawory mikrofluidyczne, 12) trójnik mikrofluidyczny, 13) czwórnik mikrofluidyczny, 14) chip mikrofluidyczny, 15) mikroskop Bresser, 16) komputer. Rys. 1. Schemat układu pomiarowego
Chip kropelkowy: Chip z układem kanałów mikrofluidycznych, dwóch wlotach i jednym wylocie, wykonano ze szkła borokrzemowego (Borofloat 33, Schott, Niemcy), o wymiarach 25 mm 50 mm 2,2 mm. Wykorzystując oprogramowanie CAD, zaprojektowano konfigurację mikrokanałów o przekroju 300 µm 50 µm, skrzyżowanie typu T do wytwarzania kropel, zakręt 180 o promieniu 2,4 mm oraz koliste poszerzenie kanału o szerokości 750 µm, umożliwiające łączenie wytworzonych nanokropel (Rys. 2). Wzór kanałów wytrawiono w szkle w roztworze 40%HF: 35%HCl, wykorzystując odporną chemicznie folię maskującą. Otwory dolotowe o średnicy 1 mm wywiercono w drugim podłożu szklanym. Podłoża poddano kąpieli czyszczącej (detergent, aceton, izopropanol, Pirania (3:1), płukanie wodą dejonizowaną), zgrano wzajemnie i trwale połączono w procesie wysokotemperaturowego bondingu fuzyjnego. Rys. 2. Schemat układu kanałów mikrofluidycznych w chipie Przebieg ćwiczenia: 1) Przygotowanie układu pomiarowego do działania: a) włącz komputer, b) utwórz folder z twoim numerem indeksu, c) włącz program do nagrywania obrazu z mikroskopu - program CamApp (naciśnij przycisk picture na mikroskopie), d) ustaw ostrość na mikroskopie tak, żeby dobrze widzieć skrzyżowanie typu T w kanale mikrofluidycznym, e) naciśnij przycisk mode na mikroskopie w celu zmiany koloru oświetlenia, f) w celu zmiany jasności użyj dwóch przycisków mikroskopu, g) naciśnij przycisk picture na mikroskopie w celu wykonania zdjęcia chipa. 2) Instrukcja do programu CamApp:
a) wybierz ścieżkę do zapisania pliku video (File Set capture file Folder), b) dobierz ustawienia video (Option Video Capture Filter), c) ustaw czas nagrania na 30 sekund: Capture Record time limit, d) ścieżka do rozpoczęcia nagrania: Capture Start Capture, e) ścieżka do zakończenia nagrania: Capture Stop Capture. 3) Uruchomienie układu: a) upewnij się, że regulatory są w pozycji zamkniętej, b) upewnij się, że zawory mikrofluidyczne 1 i 2 są otwarte, a zawory 3 i 4 są zamknięte, b) otwórz zawór główny doprowadzający sprężone powietrze do stanowiska, c) ustaw regulatory ciśnienia WODY i OLEJU na 40 kpa każdy, d) poczekaj aż zobaczysz olej (czerwona ciecz) i wodę (niebieska ciecz) przed wlotami do chipa, e) jak tylko woda i olej pojawią się w chipie dostosuj ciśnienie za pomocą regulatorów tak, aby woda i olej wpływały do wspólnego kanału i by powstał przepływ laminarny, f) dostosuj ustawienia mikroskopu w celu uzyskania najlepszej jakości obrazu, 4) Pomiary zakresu stosunku ciśnienia wody do ciśnienia oleju: a) dobierz tak wartości ciśnienia dla wody i oleju, aby uzyskać krople wody zawieszone w strumieniu oleju (nie przekraczaj 60 kpa na każdym regulatorze), b) jeśli otrzymasz krople na skrzyżowaniu, rozpocznij proces nagrywania filmu (czas nagrania 30 sekund), c) przy stałej wartości ciśnienia oleju zmieniaj wartość ciśnienia wody, tak by krople zmieniły nieznacznie swój rozmiar, d) po każdej zmianie wartości ciśnienia nagraj 30 sekundowy film, e) wypełnij Tabelę 1, która znajduje się w części Uwagi, f) przy stałej wartości ciśnienia wody zmieniaj wartość ciśnienia oleju, tak by szybkość przepływu kropel nieznacznie się zmieniła, g) po każdej zmianie wartości ciśnienia nagraj 30 sekundowy film, h) wypełnij Tabelę 2, która znajduje się w części Uwagi.
Analiza wyników pomiarów: Częstotliwość wytwarzania kropel może być określona przez analizę wyników nagrań wykonanych dla wybranej części kanału. Ciśnienie oleju = Tabela 1. Zakres stosunku ciśnienia wody do ciśnienia oleju oraz częstotliwość generacji kropel f dla ciśnienia oleju = const Lp. ciśnienie wody [kpa] stosunek ciśnienia wody do oleju częstotliwość [kropel na minutę] 1 2 p + 4 3 p + 2 4 wartość początkowa (p) 5 p 2 6 p 4 Ciśnienie wody = Tabela 2. Zakres stosunku ciśnienia wody do ciśnienia oleju oraz częstotliwość generacji kropel f dla ciśnienia wody = const Lp. ciśnienie wody [kpa] stosunek ciśnienia wody do oleju częstotliwość [kropel na minutę] 1 2 p + 4 3 p + 2 4 wartość początkowa (p) 5 p 2 6 p 4 Przykładowe pytania: Jakie rodzaje cieczy można łączyć ze sobą w celu uzyskania nanokropel w układach mikrofluidycznych? Jakie znasz konfiguracje kanałów umożliwiające tworzenie się nanokropel? Jakie znasz metody zarządzania kroplami w kanałach mikrofluidycznych? Dlaczego kropelkowe systemy mikrofluidyczne stają się alternatywą dla konwencjonalnych urządzeń laboratoryjnych? Przed wykonaniem ćwiczenia proszę zapoznać się z materiałami pomocniczymi przygotowanymi do ćwiczenia. Opracowała: I. Augustyniak, marzec 2013