Previsione del comportamento di circuiti microfluidici costituiti da elementi discreti

Scientific Reports volume 5, numero articolo: 15609 (2015) Citare questo articolo

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I dispositivi microfluidici possono essere utilizzati per eseguire una varietà di protocolli di chimica sintetica e analitica a flusso continuo con un elevato grado di precisione. La crescente disponibilità della produzione additiva ha consentito la progettazione di dispositivi microfluidici con nuove funzionalità e complessità. Tuttavia, questi dispositivi sono soggetti a variazioni di produzione maggiori rispetto a quelli realizzati con microlavorazione o litografia morbida. In questo rapporto, dimostriamo un flusso di lavoro di progettazione per la produzione che affronta la variazione delle prestazioni a livello di elemento microfluidico e di circuito, nel contesto della produzione di massa e della produzione additiva. Il nostro approccio si basa su elementi microfluidici discreti caratterizzati dalla loro resistenza idraulica terminale e dalla tolleranza associata. L'analisi di rete viene utilizzata per costruire semplici regole di progettazione analitica per circuiti microfluidici modello. L'analisi Monte Carlo viene utilizzata sia a livello di singolo elemento che di circuito per stabilire le metriche prestazionali previste per diverse configurazioni di circuito specifiche. Un protocollo basato sull'osmometria viene utilizzato per sondare sperimentalmente il comportamento di miscelazione nei circuiti al fine di convalidare questi approcci. Il flusso di lavoro complessivo viene applicato a due circuiti applicativi con utilizzo immediato sul banco: circuiti di miscelazione in serie e in parallelo programmabili in modo modulare, virtualmente prevedibili, altamente precisi e utilizzabili manualmente.

La produzione additiva sta rapidamente diventando una valida alternativa alla microlavorazione e alla litografia soft per la fabbricazione di dispositivi micro e millifluidici1,2,3,4,5. Metodi come la stereolitografia (SLA) o processi basati sull'estrusione (ad esempio modellazione a deposizione fusa o FDM) consentono di fabbricare interi dispositivi con geometrie di canale non planari rapidamente e con meno risorse rispetto ai metodi tradizionali6. Tuttavia, la produzione additiva è generalmente meno precisa della microlavorazione, portando alla possibilità di errori di prestazione nei sistemi microfluidici progettati per controllare con precisione il trasporto e la miscelazione dei fluidi. L'impatto della variabilità produttiva sulle funzioni del circuito microfluidico non è stato esplorato quantitativamente in letteratura; gli errori nella concentrazione dei flussi in reti microfluidiche complesse sono generalmente imprevedibili e devono essere affrontati caso per caso, ad hoc. La produzione additiva rende possibile questo tipo di analisi quantitativa introducendo una tecnologia di fabbricazione standardizzata e codificando i progetti di sistemi microfluidici come file digitali interpretati dalla macchina.

In precedenza, abbiamo introdotto una piattaforma di elementi microfluidici discreti autoallineati prodotti utilizzando SLA che sono collegabili in modo reversibile e descritti dalle loro caratteristiche di flusso terminale in modo molto simile agli elementi discreti nei sistemi elettronici7. Questo sistema si presta alla costruzione di dispositivi microfluidici riconfigurabili, modulari, tridimensionalmente complessi e progettati gerarchicamente da una libreria di componenti standardizzati adatti alla produzione di massa. In questo lavoro, sviluppiamo ulteriormente questo sistema dimostrando una strategia di implementazione virtuale e una procedura di sondaggio sperimentale che affronta la previsione delle variazioni delle prestazioni. Questa strategia è composta da tre parti: (A) definizione di una libreria di componenti di elementi passivi qualificati in base alla loro variazione prevista dovuta alla produzione, (B) analisi di rete per ricavare l'operabilità di miscelazione di alcuni semplici circuiti microfluidici con utile applicazione sul banco e ( C) previsione della variazione delle prestazioni della rete utilizzando metodi di analisi statistica.

In (A), sviluppiamo una libreria di elementi che è intuitivamente compatibile con l'analisi dei circuiti lineari e le tecniche di analisi statistica di accompagnamento; i valori di resistenza idraulica di ciascun elemento sono stati selezionati pensando alla comodità dei progettisti. È stata quindi dedotta la geometria del canale per ottenere questi valori ben definiti di resistenza idraulica. In (B), le topologie dei circuiti microfluidici per la miscelazione in serie e in parallelo con sorgente invariante sono state concepite e caratterizzate da semplici regole matematiche come sistema modello per l'analisi di rete. L'analisi di rete è un metodo potente per ottenere informazioni dettagliate sul funzionamento dei circuiti microfluidici monolitici (vedere 8,9,10,11,12,13 per una serie diversificata di esempi), ma in generale non è stata utilizzata come strumento centrale per la progettazione. In (C), è stata ideata un'implementazione virtuale completa di ciascun circuito microfluidico, inclusa la variazione di produzione prevista nei componenti, al fine di simulare scenari realistici per le prestazioni della rete. Ciò è stato ottenuto applicando la comprensione meccanicistica della stereolitografia al calcolo statistico delle tolleranze di resistenza idraulica a livello di modulo in (A) e applicando ulteriormente la comprensione delle tolleranze a livello di modulo all'analisi di rete eseguita in (B). Infine, le realizzazioni sperimentali di questi circuiti di miscelazione sono state assemblate e analizzate utilizzando soluzioni osmotiche per convalidare questi modelli.