Joe La Fiandra
Universität von Maryland College Park (UMCP)
Hauptfach: Bioengineering
Nebenfach: Global Engineering Leadership
Mikrofluidische Konzentrationsgradientengeneratoren
Viele biochemische Prozesse in biologischen Organismen werden durch Konzentrationsgradienten gesteuert. Von der Zellmigration bis zur Medikamentenvermehrung sind Konzentrationsgradienten für den Transport einer Vielzahl von Substanzen durch den Körper unerlässlich. Bis vor kurzem waren die Plattformen zur Erzeugung von Konzentrationsgradienten (CGG) einfach zu groß, um die molekulare Diffusion von Reagenzien zu kontrollieren, was zu einer vorzeitigen Vermischung von Flüssigkeiten führte (Quelle). Aufgrund ihrer untragbaren Größe verhinderten frühere CGGs eine identische Replikation der gefundenen Volumina und Durchflussraten in vivo, Dadurch werden experimentelle Daten, die sich auf mikroskopische biochemische Gradienten beziehen, verfälscht. Daher ist die Modellierung von Gradienten auf mikroskopischer Ebene äußerst wertvoll für das Verständnis dieser komplexen Wechselwirkungen und der Mechanismen, die sie ermöglichen.
Mit innovativen Rapid-Prototyping-Technologien hat Potomac Photonics ein Verfahren zur Herstellung mikrofluidischer Konzentrationsgradientengeneratoren (µ-CGGs) entwickelt. Dieses Gerät, das auf einem mit Glas verbundenen Polydimethylsiloxan-Substrat (PDMS) aufgebaut ist, bietet eine kostengünstige, leicht durchführbare Methode zur Untersuchung von gradientengesteuerten Mechanismen. Diese Plattform nutzt die laminare Strömung, ein fluiddynamisches Phänomen, und fluiddynamische Geometrien, die für die Kontrolle der Reagenzienbewegung erforderlich sind. In der µ-CGG ermöglichen Serpentinen eine kontrollierte Diffusion der Reagenzien, so dass sich in der gesamten Vorrichtung Mischungen mit unterschiedlichen Konzentrationen bilden. Der µ-CGG ist mit einem baumförmigen Netzwerk ausgestattet. µ-CGG ist mit einem baumförmigen Netzwerk ausgestattet, so dass das Experiment 39 Mal mit unterschiedlichen Konzentrationen auf demselben Chip wiederholt wird, um den im Bild zu sehenden Gradienten zu erzeugen. Die Durchflussraten und Volumina liegen in einer Mikro-Größenordnung, µ-CGGs eine nahezu identische Umgebung wie die eines biochemischen Konzentrationsgradienten, wie er in biologischen Organismen vorkommt.
Während dieser µ-CGG-Design nur 39 Knoten in seinem Flussnetzwerk verwendet, ermöglichen die Vielseitigkeit, das Designpotenzial und die niedrigen Kosten der mikrofluidischen Geräteherstellung eine Fülle von Anpassungen, um ein µ-CGG. Die schiere Größe eines mikrofluidischen Geräts reicht aus, um eine mehrschichtige µ-CGGs mehrere Gradienten enthalten, die ineinander fließen, oder verschiedene Flussniveaus, was zu Dutzenden von Kombinationen verschiedener Reagenzien führt. Die Einfachheit der Herstellung von µ-CGGs ist besonders wertvoll. Sie werden in erster Linie aus Elastomeren und Thermoplasten hergestellt, µ-CGGs können in Substraten mit spezifischen Materialeigenschaften hergestellt werden, die komplexe chemische Reaktionen zu relativ geringen Kosten ermöglichen. Unter Ausnutzung all dieser Eigenschaften können Ingenieure µ-CGGs nach ihren individuellen Spezifikationen auf einem einzigen Chip konstruieren, was den Zeit-, Material- und Personalaufwand für den Versuchsaufbau verringert und die Menge der genauen Daten auf einem einzigen Gerät erhöht.
