BioPen 背后的科学原理

回流回收的基本概念

BioPen®给药枪头尖端是一个开放式通道微流体设备,利用一定的液流再循环达到可以在离所选目标(如单个细胞)形成高密闭溶液空间中进行高分辨率的全方位的操作。

在一个较大的液体环境中,由少量液体形成一个固定体积流动的小室。两种可混溶或者不可混溶的溶液存在着物理接触的,仅仅通过虚拟边界线进行分离。两个溶液区域之间的混合主要来自扩散。为了达到有效的溶液体积需要达到一定的参数条件,必须最大限度的减少跨越虚拟分界线的扩撒,这需要有较低的雷诺常数和较高的佩克莱特数。

中间的通道用作注入口或者输出管道(正压),试剂通过中间管道被注入开放溶液环境。两个与之相邻的管道用于吸入或者吸入管道(负压),从而可以将注入试剂回收。在开放溶液环境和在给药枪头的尖端连接处形成一个微小的给药容积,并且在开放溶液环境中,达到在一定的距离内进行给药距离。

为了产生一定的灌流体积,吸入溶液的流速必须高于注入溶液的流速,才能使从给药尖端注入的液体可以经过相邻的入口达到完全的回收。注入和回收不断重复的方式从而可以保持一定的浓度给药模式,否则会因为通过扩散而迅速褪色。

 

显示流动循环的模拟视频:

给药枪头的设计

给药枪头由柔性的医用级弹性体材料PDMS制成,因此与玻璃移液管不同,它与坚硬的表面接触时不会破损。

给药枪头包括八个微槽。四个给药微槽可以装入四种不同的化学或者药物溶液;四个回收微槽用于收集溶液。每个给药微槽可以容纳最多35微升的溶液。通常用外接管路输送溶液时,管路中的无效溶液的体积远大于在微通道的溶液的体积,而这种组合式微槽完全克服了使用外接管路是产生的无效溶液体积的问题。

给药枪头具有复杂的微管路结构,可以在四种不同溶液直接进行快速的切换。

 

通过压力控制器提供两种不同的压力正压与负压,通过使用微型电磁阀实现溶液的快速切换。

Pon: 在给药微槽1施加的正压将其溶液通过输出通道压出

Poff: 在其他给药微槽施加的正压用于保持溶液的流动

Vswitch: 在溶液切换点施加的负压

Vrecirc: 在溶液回收处施加的负压

产品相关软件具有多元化的配置并且它可以很容易地控制使用BioPen系统。适用于windows操作系统的BioPen软件可以独立控制每一条压力管线和相关溶液给药 (见下图)。

给药体积本身由通道的大小数量相关间距以及流速来决定的。

以下视频展示了对于给药面积大小的控制

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