Microfluidic 팔레트 – 그라디언트 생성기

Microfluidics 모델링 작업을 계속하면서, 그라디언트 생성 장치의 시뮬레이션과 검증은 Flow Science의 최신 연구분야입니다. 확산 기반 그라디언트는 많은 복잡한 생물학적 과정에서 없어서는 안될 부분입니다. 한 예로 세포가 화학적 구배를 따라 이동하는 화학 주성 (chemotaxis )으로 인한 상처의 치료 방법입니다. 지난 몇 년 동안 확산 구배를 설정하고 연구하기 위한 다양한 접근법이 등장했지만 모두 문제 해결에 어려움을 겪고 있습니다.

Atencia 등은 이전 접근법의 알려진 문제점을 극복하기 위해 혁신적인 미세 유체 구배 생성기 (마이크로 유체 팔레트)를 제안했습니다.

이전 접근법 및 관련 문제

확산 그라디언트를 설정하는 세 가지 주요 접근법으로 층류, 멤브레인 및 하이드로 겔 및 자유 확산 방법이 있으며 각각의 특징이 았습니다. 그러나, 언급한 것처럼 문제를 해결하는데 동반되는 어려움이 있습니다.
microfluidic 장치에서 그라디언트를 연구하고 확립하기 위한 표준 접근법은 층류의 사용을 포함합니다. 이 접근법은 매우 간단하지만 대류로 인해 전단 응력이 발생합니다. 전단 응력은 세포 반응을 변화시킬 수 있습니다. 예를 들어, 바이어스 된 세포 이동 및 비대칭 대량 수송이 발생할 수있습니다.

보다 최근의 개발은 강성 멤브레인 및 하이드로 겔을 사용하는 것을 포함하여 확산 구배를 설정하여 대류 흐름을 피하는 것입니다. 그러나 막과 겔은 확산 속도를 감소시켜 그라데이션의 일시적인 현상에 영향을줍니다.

마지막으로, 2 개의 유체 플러그를 접촉시켜 자유로운 확산을 가능하게 하는 접근법이 개발되었습니다. 그러나 이 접근 방식은 1-D 흐름에만 국한됩니다. 또한, 일단 그래디언트가 설정되면, 확산류 구배를 수정하기 위해 대류 흐름을 사용해야 하며, 이는 층류 유동에서 전단 응력 발생의 초기 문제로 되돌아갑니다.

여기에서는 Atencia 등이 제안한 확산성 구배 생성에 대한 새로운 접근법의 원리에 대해 논의하고 FLOW-3D 시뮬레이션 결과를 제시합니다.

Microfluidic 팔레트
미세 유체 팔레트 뒤에있는 원리는 멤브레인이나 젤을 사용하지 않고 확산으로부터 대류 흐름을 분리하여 다음과 같은 이점을 제공합니다.
  • 전단 응력없이 재료 (셀 또는 용해성 물질)의 전달
  • 서로 다른 공간 위치를 갖는 중첩 그라데이션 생성
  • 그라데이션에 대한 동적 제어

Atencia 등이 제안한 미세 유체 팔레트의 디자인은 위에 나와 있습니다. 1-D의 경우, 대류 장치 1의 질량 균형은 입구 1과 출구 1의 유속을 일치 시키면 확산을 통해 전달을 허용하면서 주 마이크로 채널을 통한 흐름을 방지합니다. 대류 장치 1은 완벽한 소스 역할을 합니다. 2 차원의 경우는 2 차원 이상의 대류 단위가있는 1 차원의 경우를 단순히 확장한 것입니다.

FLOW-3D 시뮬레이션

아래의 1 차원 마이크로 유체 팔레트 애니메이션에서 주 중앙 마이크로 채널로부터의 대류 세포의 깨끗한 분리는 플롯 된 유선을 통해 볼 수 있습니다. 유선형은 모두 대류 단위에만 제한되며 단일 채널도 마이크로 채널로 누출되지 않아 대류와 확산의 탁월한 분리를 나타냅니다. 소스 농도의 진화는 플롯에서 볼 수 있습니다. 플롯은 애니메이션이 끝날 때까지 일정하게 보입니다.

1 차원 마이크로 유체 팔레트의 FLOW-3D 시뮬레이션 결과

2D 마이크로 유체 팔레트는 생성 된 그라데이션에 대한 시공간 제어를 보여줍니다. 소스와 싱크는 각속도로 회전합니다. 또한 매 초마다 활성 액세스 포트가 비활성화되고 다음 포트가 켜집니다. 챔버 내부의 확산 상태를 확인하기 위해 3 개의 라인 프로브가 시뮬레이션에 배치됩니다 (아래 시뮬레이션의 오른쪽 하단 창에서 각각 빨간색, 파란색 및 검은 색으로 표시됨).

2D 3D 마이크로 유체 팔레트의 FLOW-3D 시뮬레이션 결과.

실험 결과와의 비교

FLOW-3D 결과는 챔버 내부의 농도의 진화 측면에서 실험 결과와 잘 일치합니다. 아래의 이미지는 실험 결과와 시뮬레이션 결과에 대한 스냅 샷을 제 시간에 보여줍니다. 실험 결과가 정규화되었음을 주목하십시오. 또한, 실험은 광원의 농도를 나타 내기 위해 형광 강도를 사용합니다. 시뮬레이션에서 FlowSight 의 라인 프로브는 3 개의 액세스 포트 사이의 농도를 연구하는데 사용됩니다.

실험적 (상단) 및 FLOW-3D 결과 비교 (하단). X 축은 거리 (실험 사례의 경우 표준화)입니다. y 축은 소스 농도 (실험적인 경우의 형광 강도)입니다.
FLOW-3D 의 실험 결과에 대한 유효성 검증은 장래에 다른 유형의 그라디언트 생성기를 시뮬레이트하는 방법을 제시합니다. 비선형 그래디언트 생성기와 같은 더 많은 그래디언트 생성기가 있으며, 향후에 설명 할 것입니다.
이 내용에 관한 의견이나 질문이 있으시면 adwaith@flow3d.com 에 문의하십시오.

참고 문헌
Atencia J, Morrow J, Locascio LE, 마이크로 유체 팔레트 : 시공간 제어가 가능한 확산 형 그래디언트 생성기 , Royal Society of Chemistry 2009