İşlevsel Olmayan Mikroakışkan Kartuşların Göstergeleri

İşlevsel Olmayan Kartuşlardan Kaçınmaya Yönelik Öneriler

Netflix'in sevilen dizileri "The Walking Dead" Tamamen "Zombiler" ile ilgilidir; normal görünen ancak normal şekilde işlev görme yeteneğinden yoksun insanlar. Mikroakışkanlarda tamamen normal ve işlevsel görünen ancak iç kusurlardan kaynaklanmayan kartuşlar vardır.

Onlar, başarısızlığa mahkum olan “yürüyen ölüler” veya “Zombi kartuşları”dır.

Tasarımcılar ve mühendisler, işlevsel başarıyı ve üretim verimini artırmak için çeşitli tasarım ve teknikleri denerler. İlk tasarım ve üretim sırasında mikroakışkan cihazlar manuel olarak üretilir ve yüksek bir arıza oranı beklenir.

Genel olarak, ilk üretim birçok arıza nedeniyle çok pahalı olacak ve çok güvenilmez olacaktır. Ancak olgunluk arttıkça ve hacimler arttıkça, otomatik sistemler kullanıldığında işlevsel kartuş verimi artacaktır. Bu blogda, bir kartuşun tasarlandığı gibi çalışıp çalışmayacağını veya test protokolü çalışması sırasında arızalanıp arızalanmayacağını belirleyen erken göstergeleri inceleyeceğiz.

Üretim Metodolojileri

Mikroakışkan cihazlar çeşitli metodolojiler kullanılarak üretilir. Basit bir tasarım için mikro freze makinesi kullanılabilir. Daha karmaşık bir tasarım için fotolitografi tekniği kullanılır. Hızlı prototipleme için genellikle 3 boyutlu baskı kullanılırken, kabartma ve mikro işleme küçük ölçekte daha istikrarlı üretim çıktısı sunar.

Ancak seri üretim için rulodan ruloya, enjeksiyonlu kalıplama veya baskılı mikroakışkanlar gibi üretim yöntemleri tercih edilen yoldur. Bu üretim yöntemleri büyük yatırımlar ve üretim hacmi taahhüdü gerektirir.

Mikroakışkan tasarımınız henüz küçük hacimlerde prototiplenmemiş ve gerçek örnekler kullanılarak test edilmemişse, seri üretime geçmek temelde iyi bir fikir değildir.

Ticari ölçekte pek çok başarılı mikroakışkan tasarım ve prototip üretilmiştir ve birçok satıcı, kullanıma hazır mikroakışkan kartuşları hareket halindeyken sunmaktadır. Servis sağlayıcılar Avrupa, Asya ve Kuzey Amerika'da mevcuttur.

Birkaç yüz veya binlerce ünite gerektiren analitik veya klinik öncesi testlerde kullanım için güvenilir ve tekrarlanabilir bir kartuşa sahip olmak zorunludur. Pahalı reaktifler ve örnekler söz konusu olduğunda, kartuşun işlevsel olduğundan ve test protokolünü baştan sona çalıştırabildiğinden emin olmak kesinlikle gereklidir.

7 “ZOMBIE” Mikroakışkan Kartuş Erken Göstergeleri

1. Eksik kritik parçalar veya özellikler

Kartuşlarını üreten veya büyütme sürecinde olan bazı şirketler, mevcut yapıları güvenilir olmadığı için bize geldi. Genellikle 1 kartuştan yalnızca 5'i çalışır ve kartuş çalıştığında düzgün çalışır. Ancak çoğu durumda test çalışmasının ortasında başarısız olur. Test protokolü için gerekli olan birçok kritik özelliğin gözden kaçırıldığını fark ettik.

Standart prosedürümüzün bir parçası olarak, tüm kritik parametreleri yeterli ayrıntıyla belirliyor ve listeliyoruz. Adımların ve süreçlerin planlandığı üst düzey bir tahlil iş akışı şemasıyla başlıyoruz. Bu, girdi örneklerini, çıktı ürünlerini ve aradaki tüm adımları içerebilir.

Test geliştirme ekibinden ve kullanıcılardan, sonuçları etkileyeceğine inandıkları kritik özelliklerin ve parametrelerin bir listesiyle birlikte tavsiye almak önemlidir. Bu bilgilerin bir kısmı ayrıntılı olarak belgelenmemiş veya yaygın uygulama olarak ele alınmamış olabilir; ancak mikroakışkan formatta testin performansını kesinlikle etkileyecektir.

Çeşitli kartuş bileşenleri büyük ölçüde kullanılan tahlilin türüne bağlıdır. Bu bileşenler arasında kanal boyutları, reaktif ve karıştırma rezervuarları, ölçüm, inkübasyon, çalıştırma mekanizması, kullanıma hazır bileşenlerin entegrasyonu ve arayüzler yer alır.

Testin gerektirdiği kritik bileşen özellikleri parçaları, malzeme seçimini, üretimi, montajı ve test prosedürünü belirleyecektir.

Öneri: Kritik bileşen özelliklerinin kaçırılmasını önlemek için, (a) önemli gereksinimlerin listelendiği net bir test iş akışına sahip olun, (b) malzeme uyumluluğu, saklama gereksinimleri ve akışkan özellikleri de dahil olmak üzere ayrıntılı bir reaktif listesi oluşturun, (c) boyutlar dahil tüm parçaları listeleyin, kullanıma hazır bileşenlerin listesi, (d) ayrıntılı adım adım prosedür, son olarak (4) tahlil protokolünü gerçekleştiren laboratuvar mühendisleri veya bilim adamlarının belge notları ve yorumları.

2. Çok Karmaşık tasarım

Yıllar boyunca yüzlerce mikroakışkan kartuş tasarımı gördük. İlk üretim aşamasında tasarımların yaklaşık %75'i çöp kutusuna gidiyor veya zombi kartuşuna dönüşüyor. Tipik olarak tasarım çok karmaşıktır ve bu da yüksek başarısızlık oranlarına yol açar.

Tüm tahlil iş akışı gereksinimlerini ve özelliklerini karşılayabilmek harika olurdu. Ancak sınırlı yer kaplaması nedeniyle her şey mikroakışkan kartuşa entegre edilemez. Kartuşta hangi önemli işlemlerin uygulanması gerektiği ile hangilerinin dışarıda bırakılması gerektiği arasında tatlı bir nokta vardır. Uygun olmayan özellikler cihaza entegre edilebileceği gibi kullanıcı tarafından manuel olarak da yapılabilir.

Kural olarak, kartuş tasarımının basitliği, derleme başarı oranıyla doğru orantılıdır.

Karmaşık tasarım pek çok özellik sunar, ancak her özellik potansiyel bir arıza modu ekleyecektir. Ayrıca prototip oluşturma süresini, hammaddeleri ve montaj sırasındaki karmaşıklığı da arttırırlar. Tasarımın karmaşıklığı, kartuş performansını (güvenilirlik), üretilebilirliği (yapının tekrarlanabilirliği, verim) ve birim kartuş başına maliyeti etkiler.

Öneri: Her test adımının önemini tanımlayın ve derecelendirin. Kartuşa nelerin dahil edileceğine karar verin ve protokolde gerekli ayarlamaları yapın. Test protokolü ve son ürün için kritik olan test gereksinimlerine odaklanmayı düşünün. Başarılı kartuş tasarımlarında genellikle yalnızca 2-3 önemli özellik bulunur; bir karıştırma mekanizması, sıvı ölçümü ve analitlerin tespiti için sorgulama bölgeleri.

3. Yanlış malzeme kullanımı

Malzeme uyumsuzlukları her zaman bir zombi kartuşu yaratacaktır. Seçilen materyal testle uyumlu mu? Reaktif hidrofobik veya hidrofilik bir yüzey gerektiriyor mu? Malzeme, analitin tespiti için optik olarak şeffaf mı?

Sağlıklı bir kartuş için cevaplanması gereken sorulardan bazıları bunlar. Örneğin, kartuş yapımı için malzememiz olarak PMMA'yı seçtik. PMMA optik olarak şeffaftır ve frezelenebilir veya mikro makinede işlenebilir. Ancak diğer seçeneklere göre daha az hidrofobiktir. PMMA malzemesi, sıvının kanallarda ve rezervuarlarda sıkışıp kalmasına neden olarak konsantrasyonu etkileyerek tahlilin sessizce bozulmasına neden oldu.

Mikroakışkan mühendisleri yıllardır hidrofobik silikon bazlı bir organik polimer olan Polidimetilsiloksan (PDMS) kullanıyor. Bu malzeme doğal özellikleri nedeniyle çok popülerdir. Görüntüleme ve mikroskopi için uygun iyi bir optik şeffaflığa sahiptir, üretimi kolaydır ve alternatiflerinden daha az maliyetlidir. Aynı zamanda yüksek çözünürlük ve ince özelliklerle üretilebilir ve hücre kültürü için mükemmel olan gaz geçirgendir.

Ancak üretimin ölçeklendirilmesi açısından bu malzeme iyi bir seçim değildir. Poli (metil metakrilat) PMMA, polikarbonat ve polistiren gibi kullanılabilecek başka plastik polimerler de vardır. Analize bağlı olarak Poli (etilen glikol), diakrilat (PEGDA), Siklik Olefin Kopolimer (COP) ve Siklik Olefin Polimer (COP) gibi malzemeler iyi adaylardır.

Öneri: Envanterinizde zombilerden kaçınmak için (a) testte kullanacağınız reaktif için stok materyalinizi kontrol edin (kimyasal ve biyouyumluluk); (b) analitlerin tespiti için optik özelliklerin gözden geçirilmesi, (c) kullanılacak üretim yöntemi (mikro işleme, kabartma, enjeksiyonlu kalıplama vb.), (d) kullanılacak yapıştırma özellikleri ve yapıştırıcılar ve son olarak (e) montaj iş akışı.

4. Çok fazla kullanıma hazır (OTS) bileşen

Bir kartuşun gelişimini hızlandırmak amacıyla genellikle tasarım ve geliştirme süreçlerini kısaltma eğilimi vardır. Yaygın bir yaklaşım, kullanıma hazır (OTS) bileşenleri kullanmak ve entegre etmektir. Elbette OTS bileşenlerinin kullanılması, ticari olarak temin edilebilen parçaların yeniden tasarlanmasına gerek kalmayacağından zamandan ve emekten tasarruf sağlayacaktır. OTS bileşenlerinin kullanımının avantajları vardır, ancak çok fazla kullanılması bir sorundur.

Neden? Her bir OTS parçasında kartuşa bağlantı mekanizması tasarlanmasına ihtiyaç vardır. Bu arayüz potansiyel bir arıza kaynağıdır. Ayrıca, OTS parçasının kapladığı alan büyükse, bu parça artık kartuşun genel boyutlarını ve diğer bileşenlerin düzenini belirleyecektir. OTS parçaları özellikle valfleri, konnektörleri, tapaları, filtreleri, tüp adaptörlerini, pompaları, reaktif paketini, eklentileri ve daha fazlasını içerir. Kartuşa ne kadar fazla OTS bileşeni entegre edilirse zombi geliştirme şansı da o kadar yüksek olur.

Ayrıca, ölçek büyütmede bu tür bir entegrasyon üretimde sorunlara neden olabilir. Montaj sırasında ek adımlar ve insan müdahalesi yaratacak, üretim veriminin yanı sıra verimi de azaltacaktır. Ve sonuçta kartuşun yapım maliyetinde istenmeyen bir artışa neden olacaktır. OTS tasarrufu çok pahalı bir zombi kartuşuna dönüşür.

Öneri: OTS bileşenlerinin sayısını mümkün olduğunca minimuma indirin. Bileşenlerin işlevi kartuş tasarımına dahil edilebiliyorsa bunu yapın. OTS bileşenlerinden kaçınılması mümkün değilse (örn. valfler), kartuş arayüzünün uygun şekilde tasarlandığından emin olun. OTS'yi temel unsurlara dahil etmek ve kartuş içinde tasarlanabilecek OTS işlevlerini değiştirmenin yaratıcı yollarını keşfetmek iyi bir tasarım uygulamasıdır.

5. Toleranslandırma

Birçok prototipleme mağazasında kusurlu yapılarla dolu bir çöp kutusu görmek alışılmadık bir durum değil. Bu, tasarımda yığılma toleransının dikkate alınmamasının sonucudur. Kullanılan üretim yöntemine bağlı olarak, montaj sırasında kartuşun katmanları üzerinde istiflenirken oluşan toleranslar kanalları ve geçişleri kapatabilir veya tıkayabilir. Bu durumun fark edilmesi zordur çünkü kartuş basınç düşüşü ve hava akışı testlerini geçecektir ancak gerçek test çalışması sırasında hatalı çıktılar üretecektir. Bu bir zombi yapısının göstergesidir.

Kanal boyutunun 5um kadar küçük tasarlanabileceği göz önüne alındığında, üretim makinenizin doğru kalibrasyonu ve bakımı, hassas bir kanal yapısının sürdürülmesi açısından büyük önem taşır. Titreşim, sıcaklık ve biriken malzemeler kanal kesimlerinin doğruluğuna katkıda bulunabilir. Yaklaşık 50-100um'luk bir kanal genişliği için, montajı kolaylaştırmak amacıyla hedef boyutlara ekstra tolerans eklenmesi uygulanabilir.

Lazer kesici veya hassas mikro işleme kullanıldığında kesme performansı kalibrasyon sırasında kolayca ayarlanabilir. Fotolitografi, kabartma veya enjeksiyonlu kalıplama gibi diğer yöntemlerde tolerans dahil boyutlara dikkat edilmelidir. Çoğu zaman, yılların deneyiminden elde edilen referans tasarımlarını kullanmak çok faydalıdır.

Tavsiye: Yeni üretim teknolojileri için, optimum yapı için hayati önem taşıyan çeşitli parametreleri belirlemek üzere ayrıntılı bir kalibrasyon ve bir dizi test çalışması gerçekleştirin. Kanal, rezervuarlar, karıştırıcılar ve OTS bileşenleri (varsa) için CAD çizimini ve teknik özellikleri edinin. Bir deneme tasarımı düzeni yapın ve kartuş katmanlarını ve diğer bileşenleri bir kılavuz pimi kullanarak konumlandırın. Kullanılacak üretim yöntemine karar verin ve toleransları buna göre ayarlayın. Kartuşun genel boyutlarının cihaz okuyucu arayüzüne göre korunması da önemlidir.

6. İmalat ve montaj hatası

Kartuşun üretimi ve montajı çok zorsa çöp kutusuna gider veya zombi kartuşu yapmış olursunuz. Bu, daha önce bahsedilen faktörlerin ve montaj süreçlerinin birleşiminin sonucudur. Üretilmesi veya montajı çok zor olan herhangi bir prototip kartuş, olası montaj arızasını gösterir.

Montaj sırasında, özellikle tasarım OTS parçalarının çok katmanlı hizalanmasını ve entegrasyonunu içeriyorsa, aparatların ve fikstürlerin olması çok önemlidir. Karmaşık kartuşlarda, indeksleme ve kalite kontrol izleme için bilgisayar kontrollü yapıştırıcı dağıtıcıya ve mikroskop kamerası kullanan hizalama araçlarına ihtiyaç vardır.

Kritik bir montaj örneği, açık delik yollarının sıkı toleransla hizalanmasını gerektiren çok katmanlı birleştirmedir. Yanlış hizalanmış bir yol, kartuşun çalışmaz hale gelmesine neden olacaktır. Ayrıca, üretilen tüm kartuşlarda bu hizalamayı korumak için tekrarlanabilirliği ve üretim verimini artırmak amacıyla bir optik hizalayıcı veya pimler kullanılır.

Öneri: Başlangıçta hızlı prototipleme (lazerle kesilmiş veya 3D baskılı parçalar) kullanarak maket parçalar oluşturun ve bu parçaları kullanarak bir montaj iş akışı oluşturun. Bu, parçaların montajı sırasındaki kritik sorunları belirleyecek ve süreci iyileştirecektir. Gerçek yapıdan önce tasarım ve süreç ayarlamalarının olacağını bekleyin.

7. Belirsiz kalite kontrol süreci

Zombi kartuştan kaçınmanın son adımı, güçlü kalite kontrol testi kriterlerine sahip olmaktır. Denetim kriterini belirlemek için temel olarak bir mikroakışkan test planı gerekir. Bu planda test edilecek parametreler belirlenmeli ve kabul eşiği belirlenmelidir.

Kartuş prototipleme sürecinde, genellikle inşa edilen ve monte edilen ilk 10 ila 100 ünite, manuel olarak yapılan bir ilk deneme yapısı olarak değerlendirilir. Bu, tüm parçaların ve bileşenlerin kontrol edilmesi ve parti başına izin verilen sapmanın dikkate alınması gerektiği anlamına gelir.

Öneri: Açık ve katı kriterler, yapı kartuşunun işlevselliğini ve tekrarlanabilirliğini sağlayacaktır. Uygulanacak temel test prosedürleri arasında basınç düşüşü, sıvı akış testi, hava akışı testi ve ayrıntılı göz muayeneleri yer alır. Bu testler tahribatsızdır ve gerçek reaktifler kullanılmadan yapılabilir. İlk ünitenin montajı sırasında, bir sonraki adıma geçmeden önce her montaj işlemi için kalite kontrol kontrol noktasıyla birlikte bir ünite çalışma testi yapılmalıdır. Bu, çok fazla çaba tasarrufu sağlayacak ve israfı önleyecektir.

Sonuç

Tasarım sürecinde tahlil iş akışını tam olarak anlamak çok önemlidir. Test geliştiricisi veya test prosedürünü rutin olarak uygulayan laboratuvar mühendisleri ile çalışmak, test protokolünün uygulanması hakkında ilk elden bilgi sahibi olmak için gereklidir.

Mikroakışkan cihaz prototiplemesi bir süreçtir. Birçok öğeyi ve alt sistemi içerir. Amaç tekrarlanabilir, doğrulanabilir ve yüksek verimli, çalışan bir prototip üretmektir. Yukarıda açıklanan 7 arıza modu, zombi kartuşu oluşturabilir ancak kapsamlı bir liste değildir. Diğer birçok olası zombi modu tartışılmadı. Bir tahlil protokolünü mikroakışkan formata çevirmek kolay değildir. Birkaç hususun dikkate alınmasını gerektirir.

Bu blogdaki kurallara, yönergelere ve önerilen uygulamalara uymak, başarılı (yaşayan) bir mikroakışkan kartuş oluşturma olasılığını artıracaktır.

Resim: StarFish Medikal

Lorenzo Gutierrez, Denizyıldızı Medikal Mikroakışkanlar Yöneticisi. Lorenzo, bakım noktası tahlillerini mikroakışkan kartuşlara çevirme konusunda geniş deneyime sahiptir. Mikroakışkan portföyü, Chipcare'de erken bebek teşhisi için bir polivalans enstrümanı geliştirmeyi içerir.

 

---

• SEO Destekli İçerik ve Halkla İlişkiler Dağıtımı. Bugün Gücünüzü Artırın.
• EVM Finans. Merkezi Olmayan Finans için Birleşik Arayüz. Buradan Erişin.
• Kuantum Medya Grubu. IR/PR Güçlendirilmiş. Buradan Erişin.
• PlatoAiStream. Web3 Veri Zekası. Bilgi Genişletildi. Buradan Erişin.
• Kaynak: https://starfishmedical.com/blog/indicators-of-non-functional-microfluidic-cartridges/