Сниженной гравитационные окружающей среды и комплектующие Демонстрации проточной цитометрии и Companion микрожидкостных Технология смешивания Прототип миниатюрных

Космический полет диагностика крови нужны инновации. Мало демонстрации были опубликованы, иллюстрирующая в полете, снижение тяжести технологии диагностики здоровья. Здесь мы представляем метод для строительства и эксплуатации параболической летных испытаний установки для прототипа точка-в-санитарной потока цитометрии дизайна, с компонентами и подготовки стратегий, пригодных для других установок.

До недавнего времени, астронавт образцы крови были собраны в полете, транспортируется на землю на Space Shuttle, и проанализированы в земных лабораториях. Если люди путешествовать за пределы низкой околоземной орбиты, переход к пространственно-готов, пункт-ухода (СПЭ) тестирование не требуется. Такое тестирование должно быть комплексным, легко выполнить в сниженной гравитации среды, и не зависит от стрессов запуска и полетов в космос. Бесчисленные устройства ВОУ были разработаны, чтобы имитировать в лабораторных масштабах коллег, но большинство имеют узкие приложений и лишь немногие из них очевидный использованию на в полете, уменьшенной гравитации среды. На самом деле, демонстрации биомедицинской диагностики в пониженной гравитации ограничены вообще, делая выбор компонент и определенные материально-технические проблемы, трудно подойти, когда стремится испытать новую технологию. Чтобы помочь заполнить пустоту, мы представляем модульный метод строительства и эксплуатации диагностического устройства прототип крови и связанного с рarabolic испытательный полет установка, что соответствует стандартам для летных испытаний на борту параболический полет, пониженной гравитации самолетов. Метод первый посвящен сборке буровой установки в полете, уменьшенной гравитации тестирования проточной цитометрии и компаньона микрожидкостных чипа смешивания. Компоненты могут быть адаптированы к другим конструкций и некоторых пользовательских компонентов, таких как образец микрообъема погрузчика и micromixer может представлять особый интерес. Затем способ сдвиги сосредоточиться на подготовке к полету, предлагая рекомендации и предложения для подготовки к успешной летных испытаний в отношении подготовки пользователей, разработке стандартной операционной процедурой (СОП), и другие вопросы. Наконец, в-полете экспериментальные процедуры, характерные для наших демонстраций описаны.

Неадекватность текущей диагностики здоровья космических готов представляет ограничивающим фактором для более глубокого пилотируемой космонавтики. Диагностика должны быть всеобъемлющими, простой в использовании в пониженной гравитации, и относительно устойчивым к воздействию стрессов запуска и космического полета (например, высокие перегрузки, вибрации, излучения, изменения температуры, и давления в салоне изменения). События в пункт оказания медицинской помощи тестирования (POCT) может перевести на эффективных решений космического полета за счет использования небольших образцов пациентов (например, палец укол), более простые и меньшие струйная (т.е. микрофлюидики), а также снижение потребления электроэнергии, в числе прочего Преимущества. Проточная цитометрия является одним привлекательным подход в пространстве-POC из-за широкой полезности этой технологии, в том числе к подсчета клеток и количественного биомаркеров, а также значительным потенциалом миниатюризации. Предыдущие космические отношение проточные цитометры включают 'упаковки effic ядернойiency "(NPE) инструмент, который используется одновременное дуговой лампы индуцированной флуоресценции и электронного звука (Coulter объем) измерение ^1-4, сравнительно небольшой поток настольный цитометром представляющий« первое поколение в режиме реального времени проточной цитометрии данных во время невесомости ^"5, "sheathless микропотока цитометром" способен 4- и 5-часть белых кровяных клеток (WBC) дифференциального подсчета с использованием предварительно 5 мкл цельной крови ^6-9, и "волоконно-оптический основе 'проточной цитометрии недавно тестировали на борту в International Космическая станция ^10.

Оценка диагностической технологии для потенциальных космической техники, как правило, осуществляется на борту пониженной гравитации самолетов, которые используют траекторию примерно параболический полет, чтобы имитировать выбранный уровень невесомости (например, невесомость, марсианин гравитации) ^11. Оценка является сложной задачей из-за возможности полета ограничены, repetтельных короткие окна микрогравитации может затруднить оценку методологии и процессов, которые обычно требуют бесперебойные периоды, превышающие 20-40 сек, и демонстрации может потребоваться дополнительное оборудование не легко использована в полете ^12-15. Кроме того, предыдущие демонстрации в пробирке диагностических (IVD) технологий, используемых в, или предназначенных для, пониженной гравитации ограничены и многое еще ​​не опубликовано. В дополнение к указанным выше цитометров, других космических отношение IVD-технологии, описанные в литературе, включают целый окрашивания крови устройство для иммунофенотипирование приложений ^16, автоматизированная камера на базе цитометром ^12, карманный клиническую анализатор для комплексного потенциометрией, амперометрии и кондуктометрии ^12,17, Микрожидкостных "Т-сенсор" Устройство для анализируемого количественного, которая опирается на смешивание диффузии на основе и разделения ¹⁸ и вращающейся «лаборатории на компакт-диске« диагностика платформе ¹9,20. Новички в сниженной тестирования тяжести может также обратиться к параболических демонстраций полета, не связанных с диагностикой в пробирке при попытке сделать это возможно оценка устройство (или выяснить, что это возможно). Демонстрации с другой предыдущей медицинской или биологической экспериментов с хорошо документированной подготовки полета, в полете стратегий и летных испытаний оборудования представлены в таблице 1 ^{15, 21-35.} Они могут быть информативными из-за включения вручную в полете задач, использование специализированного оборудования, и экспериментальной сдерживания.

Таблица 1. параболический полет Примеры демонстрационные с хорошо описаны методы / экспериментов

Чтобы расширить на предыдущих примерах и обеспечить более полное представление успешных в полете демонстраций, мы представляем модульный и адаптируемый порядок строительства и эксплуатации прототипа течь цитометром с соответствующей микрожидкостных технологии смешивания в рамках параболической летных испытаний буровой установки. Буровая установка позволяет демонстрации загрузки образца, микрожидкостных смешивания и обнаружения флуоресцентного частиц, и был испытан на борту 2010 НАСА облегченный доступ к космической среде (быстро) параболической fligHTS-пролета с 29 сентября по 1 октября 2010 года Эти демонстрации тянуть с началом, серединой и концом, соответственно рабочего процесса потенциального устройства, в которых из пальца размера образцы крови загруженной, разбавленного или смешанной с реагентами, и анализировали с помощью оптического Обнаружение. Масштабирование проточного цитометра в компактном устройстве требуется инноваций и тщательный отбор деталей. Пользовательские и вне-полки компоненты используются здесь, выбран в качестве лучших ранних приближений конечных вариантов компонентов, и может быть адаптированы к проектам других новаторов. После наброски вариантов компонентов прототипа, настройка описана на опорной конструкции, выступающей в качестве каркаса для монтажа буровой установки. Компоненты прототипа присваиваются места, безопасность, и в сопровождении дополнительных компонентов, необходимых для успешного экспериментирования. Внимание затем переходит к более абстрактные процедуры, связанные стандартную операционную процедуру (СОП) развитие, обучение и другое снабжение. Наконец, демонстрационные конкретных процедурописано. Стратегии, описанные здесь и выбор из поддержки буровой компоненты (например, микроскопа, акриловый ящик и т.д.), хотя реализованные здесь для конкретного прототипа, поговорить с общих вопросов и проблем, связанных с тестирования любого диагностического оборудования в крови в сниженной тяжести среды ,

В 2010 рейсов, два лунно-гравитация (достижения примерно 1/6 земной гравитации) и два микро-гравитации рейсы были запланированы через 4 дня, хотя в конечном счете они были перенесены через 3 дня. Демонстрации были проведены на борту модифицированного частном владении, узкофюзеляжных авиалайнера ^36. Каждый полет при условии, 30-40 параболы, каждая из которых обеспечивает около 20 сек высокой гравитации (примерно 1,8 г) с последующим добавлением 20-25 сек восстановленного-гравитационных условиях. После половины параболы были казнены, самолет остановился в течение 5-10 мин в полете для того, чтобы самолет, чтобы развернуться и направиться обратно к посадочной площадке то время как реrforming оставшуюся часть параболы.

Образцы крови человека, используемые в настоящем протоколе были собраны с IRB утверждения с использованием малоинвазивных протоколов (см Благодарности).

1. Рог Ассамблея

1. Соберите компоненты прототипа (струйная, оптические, электронные управления / сбора данных) для простого цитометрическим системы, которые будут использоваться в условиях ограниченной тяжести
   1. Подготовьте систему давления при минимальном весе и мощности должен водить гидросистемы
      1. Подключите миниатюрный воздушный насос к датчику перепада давления.
      2. Для поддержания постоянного давления вождения, регулировки производительности насоса с помощью широтно-импульсной модуляции и рабочий цикл регулируется с помощью пропорционально-интегрально-дифференциальный контроллер в программном обеспечении пользовательского управления (этап 1.1.7).
   2. Соберите контейнер жидкости источник, который может быть загружен без захвата воздуха (см шаг 3,4)
      1. Установить жесткую пластиковую пробирку (Рис 1А) с латексной diaphraг, твердо защищаемый крышка, и на входе трубки воздуха на флаконе базы (герметичное соединение с использованием оптического клея).
      2. Убедитесь, что насос создает давление на пузырек воздуха или без утечек жидкости, сжимая диафрагму для управления потоком текучей среды из трубы колпачок выхода.
   3. Дизайн жидкости контейнер для отходов для сбора отходов, не создавая противодавление, что будет компромисс поток
      1. Используйте флакон клееные-в-флакон дизайн (Рисунок 1В) для двойной оболочкой.
      2. Закрывают флаконы с охраняемой пены губки окне ловушки плавающего мусора, но позволяет выравнивания давления воздуха с окружающей средой кабины.
   4. Сделайте образец погрузчика для использования в пониженной гравитации
      1. Машина и собрать пружинный зажим дизайн с направляющими (рис 1в), так что он надежно зажимает оболочки оборудованная капилляр между двумя уплотнительными кольцами в жидкости линии. Убедитесь, он сохраняет объем образца при загрузке, вмещает системную рriming когда образец не вставлена, и избегает странствующий введение пузырь.
      2. Убедитесь, что в отсутствие капилляра, пружины нажмите уплотнительные кольца вместе, чтобы завершить жидкости линию и обеспечения лучшего пуска без утечки (рис 1D, слева).
   5. Дизайн micromixer, которая не опирается на поршневых механических субкомпонентов функционировать
      1. Забеременеть с двумя впускной спирально-вихревой micromixer (рис 1E), который достигает хаотической адвекции необходимо преодолеть ламинарный поток в пределах микроканалов. Такая конструкция обеспечивает все входящие жидкости вниз по течению, так что один образец выполнения не влияет на следующий.
      2. Для удобства изготовить выбранной конструкции с использованием способа (Рисунок 1F) быстрого прототипа полидиметилсилоксан (PDMS). Использование двумерной системы автоматизированного предназначенный фотошаблона, напечатанное в 20000 точек на дюйм для изготовления необходимую SU-8 плесени в чистых помещениях объекта ^37.
         ПРИМЕЧАНИЕ: Используйте модификацииFied 23 калибра подходят к вертикальной буровой мельницы для сверления отверстий на входах, вихрь, вход обнаружения и выпускные обнаружения пятна, и рука лупа, чтобы помочь направляйте иглу. Вырежьте фишки из PDMS, используя бритву и должны войти в отверстия с 0,5 "полые стальные штыри, торчащие из не-формованные назад стороны чипа. Подключите центральный штырь спираль выхода к входной штырь канала обнаружения с помощью microbore трубки.
      3. Тщательно очистите чип с этанолом и сухой формованной поверхности с матовым скотчем. Используйте пустой шприц, чтобы взорвать этанола из штифтов. Лечить чип PDMS и нетронутой покровного стекла внутри пылесоса плазмы и объединить их в течение 10 секунд, применяя давление света, проверяя сразу с помощью световой микроскопии, что чип полностью нажатой без ущерба канала проходимости.
   6. Установите размером с ладонь миниатюрную оптического блока для обнаружения отдельных плавные частицы
      1. Конструкция на рисунке 2AB подходит для двухцветной еpifluorescence лазерная подсветка и обнаружения, и использует PDMS прямой канал (120 на 200 мкм) проточную ячейку для удобства.
      2. Гора блок (рис 2С) с использованием коммерчески доступных компонентов оптико-механические и выровнять волокна связью одного счёта фотонов модулей.
   7. Дизайн электроника и программное обеспечение для управления устройством и сбора данных
      1. Для удобства в начале прототипирования, использовать ручной пайки куски, связанные с приобретением данных (DAQ) карт (Рисунок 2D).
      2. Код и программа заказного программного обеспечения (пример на рисунке 2Е) для работы буровой установки устройства и синхронизировать все данные.
2. Дополнительные компоненты (не формально частью прототипа)
   1. Включение 3-мерное акселерометр (рис 2D, слева) и измеритель расхода (не на фото). Акселерометр присутствует на борту воздушного судна, но (скорее всего) не могут быть непосредственно синхронизируются с оTher записаны данные.
3. Электрическая схема питания
   1. Механизм для быстрого и полного выключения электроники (требуется по соображениям безопасности на пониженной гравитации рейсы)
      1. Подключите один удлинитель (с одной кнопки I / O) на панели распределения питания самолеты (120 В переменного тока частотой 60 Гц).
      2. Снимите батарею ноутбука и установить ноутбук для работы через кабель питания в одиночку.
   2. Питание для всех устройств
      1. Непосредственно питания ноутбука (удалена батарея), светового микроскопа и два детекторы фотонов, используя удлинитель.
      2. Силовые остальные устройства через USB DAQ карт, подключенных к ноутбуку или с использованием батарей.
4. Макет установки Flight-готов
   1. Соображения для успешного выступления в полете
      1. Общая площадь доступен ограничивается меньшей площади, чем предусмотрено аналогичной демонстрации на землю (фиг.3А). Рассмотрим общую доступное пространство и как, что SТемпы будут разделены между экспериментальной пространства буровой (в том числе для компонентов, помимо тех, формально часть прототипа) и пользователь пространство, окружающее Рог. Экспериментальные установок различаются с точки зрения прямого или кормовой позиционирования, но это в значительной степени не влияет на имеющуюся оперативную пространство (или в полете физики).
      2. Определите, какие компоненты уместнее обращаться на стоя, с колена, или высотой пола, а также с учетом, какие компоненты будут наибольшую выгоду от защиты достигается в пределах опорной конструкции.
   2. Опорная конструкция Рог
      1. Получить или построить вертикальную оборудования стойки, что отвечает считается потребностей макета, содержит все компоненты, позволяет различным вертикальные уровни для организации, выдерживает полета ускорений, и надежно крепится к намеченной самолет полу кабины.
      2. Связать компоненты уровнях в стойке для оборудования (рис 3B): в верхнем уровне, чтобы разместить ноутбук, уровень средней стойки к сontain субкомпоненты прототип и уровень пола, чтобы содержать дополнительные салфетки, перчатки, и разное контейнер для отходов.
      3. Забеременеть дополнительных структур в стойке для размещения различных требуемых уровней. Реализовать опорные балки на уровне "mid' высоты провести 2 фута. На 2 м. Микроскоп макет пластину для завинчивания компоненты буровой, и опорные балки примерно 2 фута выше для поддержки полета утвержденных ноутбука корыто.
      4. В вертикальных уровнях, определить оптимальное расположение компонентов, с учетом ограничений доступности, возникшие в результате присутствия других компонентов, а также из-за потенциальной позиции / ориентации самой буровой установки бортового полета (например, ^4-й сторона квадратной буровой установки может быть рядом с самолета стены, оставив только 3 стороны доступен).
         ПРИМЕЧАНИЕ: ремни для ног, чтобы обеспечить тестовые операторы находятся на фиксированном расстоянии от буровой установки и могут быть доступны не на всех сторонах.
      5. На основе этих определений, диVide плате пластину на 4 квадранта (рис 3C), размещение выделенных мест для электроники и оптического блока в сторону самолета стене, и образца погрузчика и микрожидкостных чипа в направлении пространство салона.
5. Прототип обеспечение, сдерживание и настройка визуализации
   1. Системные электроника
      1. Дизайн, лазерной резкой, и собрать на заказ акриловый ящик (рис 2D), чтобы содержать DAQ карты (привязали вниз) и ручной запаянный доски (крепится к стенке клетки).
      2. Используйте качающуюся дверь для легкого доступа (обеспеченного в полете с ткани крючок-липучка) и выходных отверстий для USB кабелей и проводов.
   2. Образец погрузчик
      1. Изготовьте на заказ акриловый "перчаток" окно (рис 4а) с отверстиями доступа рука, чтобы обеспечить кубическую пространство, в котором для выполнения погрузчик демонстрацию (рис 4C), не рискуя загрязнения полета кабины,
      2. Поток трубки к и от загрузчика через небольших круглых отверстий в боковой стороне коробки.
   3. Micromixer
      1. Адаптация оборудование, используемое на земле. Болт стереомикроскопа (рис 4В) к плате пластины и установить его с держателя чипа на заказ акриловый, также болтами к плите.
      2. Установите USB ПЗС-камеры в окуляр микроскопа и подключить его к ноутбуку (рис 4D) для сохранения видео, синхронизированного с другими данными (тяжести, движущей давления, и расход).
   4. Оптический блок
      1. Изготовьте на заказ непрозрачный акрил окно (рис 4А, справа), чтобы покрыть блок, защищая его от окружающего света и контроля лазерных опасностей.
      2. Использование в «окно» оптический фильтр для безопасного проверить лазерную функцию.
   5. Портативный компьютер
      1. Болт на самолет утвержденных портативный лоток на опорных балках в пределах опорной конструкции.
      2. Использование ого-гок-и-липучка для обеспечения USB кабели вдоль стойки архитектуры.
6. В полете реализации демонстрация
   1. Простые меры, чтобы пройти через демонстраций
      1. Включение дополнительных компонентов, которые устраняют необходимые корректировки вручную трубок в полете или других действий, которые требуют значительного ловкость или мог рисковать утечки жидкости в окружающую среду кабины.
         1. Заказ машины и интегрировать многообразие давления (рис 5А), состоящий из алюминиевого цилиндра просверлены, чтобы соответствовать винт-на иглу адаптер Люэра, служащий в качестве давления на входе. Дрель меньшие отверстия по окружности, чтобы соответствовать уплотнительные кольца и microbore трубки как точек. Используйте для давления несколько флаконов источника одновременно.
         2. Соберите группу из трехходовых клапанов (рис 5б), контролируемых тандем MOSFET выключателей (рис 5в) проводных к DAQ карты. Адаптировать microbore трубки, чтобы соответствоватьклапан порты. Используйте для контроля потока текучей среды из различных флаконов.
      2. Программное обеспечение Программа пройти через демонстраций (Рисунок 6), используя один-кнопка вмешательства (например, одним нажатием кнопки на ноутбуке).
   2. Резервное копирование ручное управление
      1. Добавить зажимы слайд для установки для того, чтобы контроль над его гидравлической системы, возможно, если трубки неожиданно нужно отключался во время полета.
      2. Включить достаточные салфетки очистки в разделе пол стойки в случае утечек в полете.
7. Полет нарушение степень готовности: готовый система для возможных внезапных тряски сил, вибрации, или пассажирского столкновения в полете.
   1. Стабилизация Выравнивание
      1. Применение быстрой сушки эпоксидную смолу, чтобы выровненных компонентов, которые легко misadjusted, в частности оптических компонентов.
      2. Применить класса эпоксидный промышленного над быстрой сухой эпоксидной а также обеспечить другие COMPONENтс, при необходимости, в том числе вложения CCD камеры к окуляр микроскопа.
   2. Физические испытания нарушение
      1. Встряхнуть структуру поддержки буровой со всеми компонентами в месте.
      2. Проверьте индивидуальный функциональность компонента после подвергая Рог к нарушению, особенно ориентированных оптических компонентов.
   3. Управление рисками Пассажирский
      1. Применить пены обивка районах (углы, края) вертикальной стойке с оборудованием структуры, которые могли бы нанести вред на самолет пассажиру, что случайно сбивает на вышке (рис 4С).
      2. Безопасный обивка с черным скотчем.

2. Демонстрация Подготовка и логистика

1. В полете и на земле команды назначений ролей
   1. Связать оператора (ов) буровой установки для выполнения как установка буровой и все практические действия в полете. Практические операторов может лучше представить себе, когда установка буровая установка будет завершена.
   Назначают читателя SOP читать СОП вслух во время тренировки и в полете. Процесс СОП чтения в процессе обучения могут определить неловкое или несвоевременное постановку.
   2. Связать заземления поддержку для выполнения выборки подготовку и любые другие задачи подготовки, непосредственно не связанных с буровой установки, минимизируя временные нагрузки на операторов буровых.
2. Первоначальная стандартная процедура (СОП) развитие
   1. Написать все меры для включения перед полетом (накануне и утром перед), в полете, и процедуры пост-рейсов, использующие только оборудование и материалы, которые будут доступны по месту полета. От 5 до 10 мин блок уровня плоскости полета могут быть доступны для последних процедур настройки перед параболы начать или на полпути, как самолет поворачивается.
   2. Связать в полете экспериментальных процедур для посвященных чисел парабол, отметив, что параболы, вероятно, будет отделен в процессе выполнения, чтобы самолет, чтобы развернуться и направиться обратно в посадкесайт, и что другая группа может запросить самолет, чтобы выровнять середины эксперимент или меньше параболы может быть поднят, чем ожидалось.
   3. Забеременеть демонстрационные процедуры для сведения к минимуму биологического риска опасности за пределами эффективного сдерживания, избегая реальных биологических образцов, если это возможно. Используйте синий пищевой краситель шипами с люминесцентными бисером подсчета (рис 1D) в качестве альтернативы крови во время выборки погрузчика демонстрации.
3. Демонстрация обучение
   1. Установить график подготовки, достаточный для полного пересмотра и уточнения СОП, а также генерировать подробные данные опорных для сравнения с данными полета.
   2. После выполнения предварительной полета СОП, блокирования, буровую установку в комнату, чтобы имитировать опыт в полете, резки доступ к инструментам или наземных материалов. Для еще более строгого обучения, отметьте раздел полу переговоров и выделенные размеры, которые будут доступны в полете ^32.
   3. Во время обучения, следить СОП еxactly, и использовать секундомер, чтобы объявить 20 до 30 сек параболы, указывая вход и выход пониженной гравитации, а также маршевых параболу перерыв.
   4. Включение завершенные СОП в реальных графиках дня полета, разделив деятельность "перед полетом" между день пролета и день-до-полет.
   5. Поезд для неожиданных появлений в полете, включая внезапные сил удара буровой установки или самолет вдруг выравнивания в середине эксперимента.
   6. Тестовые стабильность образцов и реагентов при воздействии длительного перерыва (ч и более) между процедурами перед полетом и во время полета деятельности. Отметим также, что температура может быть значительно выше в месте полета.
   7. Поезд нескольких лиц в качестве первичных операторам умело управлять устройством в полете. Это непредсказуемо, которые будут болеют в течение параболы, и данный пользователь может быть неизменным на один рейс, а заболевают на другой.
4. Наземное оборудование и поддержкиматериалы
   1. Соберите набор инструментов, включают резервные компоненты и оборудование, необходимые для ремонта, в том числе ручные инструменты, паяльное оборудование и клея / эпоксидной среди многих других вещей.
   2. Соберите пробы и реагента количества сверх того, что предназначено для использования во время плановых полетов в случае неожиданного полета отсрочка происходит после того как образец или реагент уже готовится к полету.
5. Перевозка груза
   1. Отгрузки установки необходимо транспортировать буровую установку, наземное оборудование (инструменты, центрифуги, пипец, Вортекс, другие) и скоропортящиеся (клетки крови, реагенты). Обеспечить достаточную время на получение, инспектировать, собрать и протестировать аппаратные для кампании полета.
   2. Encase установка со всех сторон, кроме нижней, используя обруч пузыря. Корабль установка с использованием пользовательских деревянный ящик ящик, установлены внутри с амбушюры и ударной материала.
   3. Корабль поддержки наземного оборудования / инструментов в жесткой таре или груди.
   4. Судовые скоропортящиеся в 1 в. Толстый изоляциейкоробка пены, содержащий сухой лед для элементов, требующих -20 ° C хранение и морозильного прохладный обновления для изделий, требующих 4 ° C хранение.
6. Тестирование перед вылетом
   Выполните тестирование перед полетом на месте полета проверить функциональность всех компонентов за несколько дней до полета.
   Летные установок взвешивают и загружают на кран самолета, и, вероятно, остаются на борту воздушного судна для продолжительности полета неделю.

3. В-летные демонстрации

Демонстрации / эксперименты делятся между двумя сутки обозначений ("день" и ниже "День B"). День предназначен для micromixing демонстрации и День B предназначен для обнаружения частиц и нагружения образца демонстраций.

1. Подготовка Первый образец для micromixer демонстраций (только день)
   1. Развести 3 мл синий пищевой краситель в 12 мл 1x фосфатным буферным раствором (PBS).
   2. Развести 3 мл я покрасить желтый пищевойNto 12 мл 1x PBS.
   3. Штамм 15 мл коммерчески очищенных эритроцитов.
      ВНИМАНИЕ: Поскольку никакие методы тестирования не может гарантировать 100% уверенностью отсутствие инфекционного агента, человека происходит продукты всегда должны быть обработаны как биологической опасности.
   4. Образец нагрузки флаконы (См шаг 3.3) для каждого образца, плюс дополнительный флакон, содержащий только физиологический раствор.
2. Подготовка Первый образец для оптического блока демонстрации
   1. Объединить 60 мкл флуоресцентных подсчета бусы с 14 мл 1x PBS (4,3 бисер / мкл) с 1% Твин. Загрузите в образце флаконе.
      ВНИМАНИЕ: Обращайтесь со всеми химикатами с осторожностью и используя средства индивидуальной защиты (СИЗ).
   2. Развести 50 мкл пальце образца цельной крови в 100 раз с 1х PBS и добавляют 83 SYTO краситель для [Final] = 5 мкМ. Слегка вихрь перемешать. Инкубировать в течение> 5 мин при комнатной температуре.
      ВНИМАНИЕ: SYTO 83 краситель растворяется в dimethylsulfoxiде (ДМСО), который легко всасывается через кожу. Может вызывать раздражение глаз, дыхательных путей и кожи. Обращаться с использованием средств индивидуальной защиты.
   3. Образец Центрифуга клеток (в 2300 мкг в течение 4 мин), пипетки от супернатанта.
   4. Промыть окрашенный образец клеток путем добавления 1 мл 1X PBS, центрифугируют при 2300 х г в течение 4 мин пипетки выкл супернатанта. Повторите еще два раза.
   5. Вернуться объем до 15 мл с 1x PBS для достижения окончательного 1: 500-кратное разбавление исходного промыслового запаса. Штамм клеток и нагрузка в образце флаконе.
3. Пробоподготовки Основание образец погрузчика демонстрации (только День B)
   1. Подготовка капиллярные материалы для образца погрузчика демонстрации, сокращая микро-гематокрита капиллярных трубок в 15 сегментах мм с лезвием бритвы.
   2. Подготовка образца для погрузчика демонстрации: Смешайте 250 мкл акции флуоресцентные бусы с 250 мкл неразбавленного голубого пищевого красителя (500 бусин / мкл). Нарисуйте 250 мкл пробы на две 1 мл шприцев, каждый из которых оснащен тупым наконечником пеEdle что выявляется на замке с изолентой.
4. Загрузите флаконов источника жидкости
   1. Применить свежий, Неопудренная латекса диафрагму флакон (вырезать палец от перчатки приемлемой). Убедитесь, что диафрагма достаточно долго, чтобы продлить от флакона этаже и раз за верхнюю внешний обод. Вставьте флакон кольцо на сложенной части.
   2. Поместите временный слайд зажим на выходе крышка трубки, которые будут предупреждать изгнание жидкости во время введения колпачка.
   3. Перед заполнением флакон, отрицательно давление в пузырек с помощью шприца, чтобы расширить диафрагму. Налейте жидкость в верхней части флакона и вставьте крышку под таким углом, что и воздух не удерживается под крышкой при размещении крышки (некоторое количество жидкости будет проливаться). Кратко удалить зажим слайд для премьер труб и выпуска на выходе разрушающее давление, оказываемое диафрагмы.
5. Подготовка буровой демонстрации
   1. Подключите и проверьте все соединения трубок
   2. Крючок исходные флаконов в системе. Fit флаконы в пользовательском AcryLIC флакон держатель и закрепите их и крюк-и-липучка.
   3. Слейте любую содержащуюся отходов в флаконах или бункеров.
   4. Проверьте место на жестком диске и загрузки пользовательских демонстрационный программного обеспечения.
   5. Выполните гидросистемы затравочные процедуру, специфичную для каждой демонстрации.
   6. Обмен в новых батарей в любом батарейным питанием устройства (например, акселерометр).
   7. Вручную встряхнуть образцы люминесцентных частиц.
   8. Запустите краткий тест эксперимент перед полетом.
6. Избегайте в полете укачивания
   1. Возьмите, предусмотренные препараты (скополамин и декстроамфетамин, как безопасные и эффективные для профилактики укачивания в полете)
   2. Обращайте внимание рекомендуется стратегии позиционирования тела в полете (например, лежать на спине во время повышенной тяжести, с тела прямо и наклонив голову вперед, и позволяют организму всплывают по себе во время перехода к пониженной гравитации). Если возможно, используйте несколько ранних параболы, чтобы приспособиться к изменениям гравитации.
   3. Сохраните пластиковый рвота сумку легко доступный в переднем кармане. Рвота может возникать внезапно и без предшествующего тошноту.
7. Положение буровой операторы сразу в полете, близится выделенный воздушное пространство параболу. Обеспечить достаточное пространство, чтобы позволить операторам вышке лечь во время высокого гравитации интервалы и обеспечить доступ к ремнями ноги. После параболы начать, не применяются мощные силы на тело во время пониженной гравитации, как это может отправить тело слишком быстро и несколько опасно.
8. Выполните микрожидкостных смеситель демонстрацию (только день)
   1. Вручную встряхнуть флакон крови до теста.
   2. Смешайте кровь и физиологический раствор в соотношении 1: 1 при 1,5, 2, 3, 4, 5, и 6 фунтов на квадратный дюйм, в течение не менее 2 параболы каждый, записи видеоданных, синхронизированные с других показаний.
   3. Подайте воздух в входе соленой, чтобы проверить архитектура канал поглотит пузырь, который может предотвратить оптимальное смешивание ли.
   4. Смешайте сине-желтые красители пищевые на 1,5, 2, 3, 4, 5, и 6 фунтов на квадратный дюйм в течение по крайней мере 2параболы каждый, запись снова синхронизированные данные.
   5. Применить зажимы слайд для гидросистемы, когда закончил, чтобы предотвратить дальнейшее производство отходов.
   6. Проверьте целостность данных перед выключением электроники в случае демо-повтора не требуется.
9. Выполните оптического блока и образцы погрузчиков демонстрации (только День B)
   1. Вручную встряхнуть образцы перед запуском.
   2. Привод люминесцентные подсчета бусы через оптический блок на 3 парабол. Промывайте систему с физиологическим раствором в течение не менее 1 параболы между типов образцов.
   3. Повторите 3.9.2 для флуоресцентных частиц гидрогеля и лейкоцитов.
   4. Проверьте данные для каких-либо пропавших без вести лиц, которые должны быть повторены, прежде чем перейти к образец погрузчика демонстрации.
   5. Начните записывать образец погрузчика демонстрацию, используя HD видеомагнитофон.
   6. Когда самолет входит пониженной гравитации, используют образец шприц, чтобы поместить каплю смеси красителя подсчета шариков на кончике пальца, чтобы имитировать образец прокола пальца. Используйтенереально большое падение (рис 1D), чтобы испытать пределы держа палец образец укол на пальце во время пониженной гравитации.
   7. Используйте капилляров расходные подобрать образец (около 10 мкл) с пальцем и нагрузки в капиллярной погрузчика.
   8. Протрите оставшееся образец выключить пальца с помощью салфетки, включенные в коробке.
   9. Привод образец в оптической системе для обнаружения.
   10. Повторные тесты несколько раз, используя различных операторов.
   11. Проверьте данные для каких-либо пропавших без вести лиц, которые должны быть повторены перед выключением электроники.
10. Выключение Послеполетная
    1. Пустой и распоряжаться отходами надлежащим образом с помощью биологически опасных помечены сдерживания розетки, так как это необходимо. Опасные отходы могут требовать отгрузки за пределы исправительного учреждения самолета.
    2. Тщательно промойте систему, используя 5 мл шприц, загруженной с водой, чтобы обеспечить силовое очистки. Флеш клапаны вперед и назад по всем 3 портов.
    3. Протрите любой беспорядок, используя спиртовые салфетки.
    4. Залейте система для следующего показа.

Типичные результаты для демонстрации micromixer появляются на рисунке 7, если смотреть с помощью ПЗС-камеры, установленной на стереомикроскопа. Смешивание может быть визуально оценивали в любой точке вдоль спирали, а также в выходном канале для экспериментов с участием двух наборов жидкостей: кровь / солевом растворе и синий / желтый краситель. Количественный анализ двумерных изображений может включать в себя определение тени единообразия по всей ширине канала в различных регионах, как показано в других публикациях ^38-40. См Дополнительный рисунок 1 для получения более подробной информации. См Дополнительный рисунок 2 для демонстрации обработки пузыря по микрожидкостных чипа.

Результаты для обнаружения частиц в оптических блоков и образец погрузчика демонстраций появляются в фиг.7С и D, соответственно. Оптическое детектирование блок флуоресцентно меченых белых кровяных клеток (Fiцифра 7С) появляется относительно невозмущенной переходом от примерно 1,5 г до почти невесомости, и продолжается в течение переходного периода задней до 1,5 г. Данные образцы погрузчик демонстрирует, что образец был успешно загружен (здесь под лунных гравитационных условиях) и достиг оптический блок для обнаружения (Рисунок 7D). Количественный анализ чтения данных использует собственный алгоритм пик подсчета сравнить графов и отношение сигнал-шум в уменьшенной по сравнению с нормальной и высокой гравитационных условиях. См Дополнительный рисунок 3 в течение длительного следов и пример анализа.

Рисунок 1:. Струйной Подкомпоненты (A) Флакон источник кандидат использует пользовательский обработанная алюминиевой крышкой, снабженный двумя уплотнительными кольцами вдоль его селенида индияrted часть. Болты вплоть до флакона "кольцо," удерживающие крышку плотно к верхней флакона обода. (B) Кандидат флакон отходов крышка позволяет воздуху, но не жидкость, чтобы пройти через вырез отверстия в верхней части. (C) Кандидат образец погрузчик включает индивидуально обработанную голову, центральный и ноги куски, пригодный для двух направляющими. Направляющих, расстояние способствует капиллярной позиционирование. (D) собрал капли образца от кончика пальца загружается в жидкости линии. (E) Кандидат спирально-вихревой micromixer смешивает два решения через 3-вращения ('1', '2', '3') спираль (внутренний радиусы от 1,9 до 0,9 мм) и стоком вихревой ('V', диаметр 320 мкм). После этого жидкость проходит через microbore трубки к выходном канале («Е»). Каналы 200 мкм в ширину и 120 мкм высокой. Высота слива вихревой (V) составляет 1-2 мм до встречи штифт. (F) Чип следсравнительно меньше, чем центов.

Рисунок 2: оптические и электронные Подкомпоненты. (A) дизайн кандидат оптический компонент блок включает в себя два лазера («Зеленые» и «Красные») плюс несколько Спектроделители ('BS'), линзы и детекторы фотонов ('PD "). (B) Твердый смоделированная конструкция (вставка) обрабатывается, анодированный, и в собранном виде. Стадия (S), течь сайт размещения клеток (синяя стрелка), красный лазер (красная стрелка) помечены. (C) Для летных испытаний, блок фиксируется с помощью зажимов и выравнивания светильники, которые также провести оптоволокно кормления фотона считая модулей. (D) Большие щиты сбора данных и ручной пайки электроники практические решения до контроля / электроника приобретение может быть сведена к микроэлектронной equivale НТС. Оптический блок (покрыт акриловой коробке обычай черный, без маркировки слева) видна на фотографии с акселерометром ("АКК. '), Закрепленной на вершине. (E) Пример заказного программного обеспечения для micromixer демонстрации позволяет одновременно контролировать устройства, показания и хранение данных.

Рисунок 3:. Испытательный стенд Layout () среда Полет может быть переполнен в зависимости от того, сколько групп одновременно запущенных эксперименты в полете компоненты (B) Рог собраны на вертикальной стойке с оборудованием, разделенной между 3 уровня.. Нога ремни (красный и желтый) открыты в дуге вокруг стойки. (C) Микроскоп макет пластина делится на 4 квадранта для демонстрации и размещения электронного блока.

Рисунок 5: Дополнительные компоненты, позволяющего Демонстрации в использовании за счет простых мер. (А) разделитель давления воздуха состоит из частично полые цилиндр с резьбой, к которой игла приспособлена. Розетки давление может быть выборочно зажимается, чтобы уменьшить количество выпускных окон. (B) Панель 12 трехходовых электромагнитных клапанов управляется через цепь МОП-тандем в (с).

Рисунок 6:. Во время полета Демонстрации Трехходовые соленоидные клапаны имеют общую порт (белый кончик стрелки), который всегда подключен к любой ПНХЗ по умолчанию OFFт (красный) или ON порт (зеленый). Переход на включенном состоянии срабатывает с 5-вольтовой сигнала I / O. () Образец погрузчик демонстрация включает загрузку образца и вождение образец для оптического блока (OB) для обнаружения. Установка использует два клапана, один до и один после загрузчика. Во время погрузки, оба клапана установлены на OFF, предотвращая движение жидкости как используется загрузчик. Включение клапанов ON открывает струйной путь, проходящий от физиологического раствора (S) пробирка с отходами (W) флакона, позволяющую насос для привода пробы для анализа. (Б) переход от «ручной» к «1-кнопка» вмешательств в оптическом блоке демонстрации позволяет последовательное тестирование трех различных типов образцов - люминесцентные подсчета бусы (СВ), фирменная люминесцентные гидрогель микрочастиц (NS), и флуоресцентно меченных лейкоцитов - без необходимости перенастройки соединения трубок. Физиологический раствор способен промывать систему между образцами. Spl. = Airсплиттер давление.

Рисунок 7: Результаты представитель. (A) Blue-желтый краситель смешивания под микро гравитационных условиях. (B) крови-солевой смешивания под лунных гравитационных условиях. (C) WBC обнаружения во время микрогравитации полета. Критические показатели эффективности для проточной цитометрии данных включают коэффициент вариации интенсивностей пиков, сигнал-шум, пиковые скорости счета и эффективность детектирования. (D) Флуоресцентные подсчета бусы с шипами в нагруженного образца обнаруживаются следующие демонстрацию погрузчик в лунной гравитации.

Дополнительное Рисунок 1: Смешивание анализ (кровь-солевой раствор). (А) смешивание изображения преобразуются в оттенки серого и проанализированы в обозначенных регионах (входе, спирали 1-3, и выход) вуравнение σ = <(Я - <Я>) ^{2> 1/2,} где σ отражает степень смешения, I = интенсивности в оттенках серого от 0 до 1, и <> является средней по выборке. Этот метод отражает аналогичные определения в литературе ^38-40. Для полностью смешанного образца, σ равна нулю. Для несмешанного образца, σ равен от 0,4 до 0,5. На практике, полное перемешивание, когда значение сигма меньше, чем 0,1. Этот метод, хотя достаточно для демонстрационных целей, ограничен из-за смешивания 3-мерный процесс и, следовательно, требует 3-мерную оценку (через конфокальной микроскопии или других средств), чтобы в полной мере описать степень перемешивания. (B) крови-солевой результаты смешивания Полученный в полете отображаются в различных условиях гравитации. 'Высокий' гравитация график был получен во время микро тяжести полета. Насос вождения давление себеПриступая увеличивается слева направо в каждом графике.

Дополнительное Рисунок 2: Демонстрация обработки пузыря. Два пузыри, один введенные в высокой тяжести и один введенного в микрогравитации, прослеживаются в течение долгого времени через видеонаблюдения. Каждый пузырек эффективно очищает микрожидкостных чип. Спектакль контрастирует с другими наземными проверенные смешивания геометрий с большей склонностью к ловушек пузырьков (данные не представлены). Белые стрелки показывают воздуха движется через чип, который трудно отличить от физиологического раствора в статических изображений.

Дополнительное Рисунок 3:. Расширенная проточной цитометрии следов Флуоресцентный подсчета шарик (А) и лейкоцитов (B) следы обнаружения, записанные в течение 3 параболы показаны. Частота выявления (пики / сек) отображаются (белый текст) во время высоких и низких периодов тяжести, определяемых с помощью специального программного обеспечения. Другие критические показатели (например, coeffiциент вариации интенсивности пика, отношение сигнал-шум) может быть измерена для понимания эффектов силы тяжести на струйной и оптической архитектуры обнаружения.

Метод, описанный здесь включен эффективной демонстрации основных технологических компонентов (образец погрузки, Микрожидкостных смешивания и оптического детектирования) в течение 2010 БЫСТРЫХ параболических полетов, с сопоставимыми результатами в первом тестировании. Обучение и СОП методы, описанные здесь были особенно эффективными, и помог осветить инструменты и другое существо "костыли" полагались на для практики демонстраций, которые не будут доступны на борту параболической полета.

Области для улучшения включают сдерживание и макет. Пользовательские акриловые компоненты не могут быть достаточно надежными для целей сдерживания. Коробка «перчатка» поразила пассажира в полете во время гравитационного перехода, а затем распался во время грубой посадки самолета. Трубы соединены с микрожидкостных чип стал отцепил во красителя смешивания демонстрации сине-желтый, кратко утечка пищевой краски в окружающую среду кабины. Это должно было быть установлено во времявысокого г интервал, который был особенно трудным, потому что повторным microbore трубки требуется ловкость и пользовательский стабильность. С точки зрения расположения, размещение ноутбука на высоте стоя затрудняет работать во время высокого г интервалами. Пользователи могут стать легкомысленный при попытке встать во время высокого г фаз. Компьютер среднего уровня может быть лучшей альтернативой, но здесь потребовалось бы смещение прототипов субкомпонентов. Другие исследователи включили сидения в их параболических установок полета для стабилизации испытательных операторов ^26, хотя это требует дополнительного пространства, которое является дефицитным на параболических полетов.

В дополнение к обеспечению более высокий уровень детализации в отношении подготовки и установки по сравнению с предыдущими демонстрациями параболического полета проточной цитометрии, эта работа описывает включение потенциально важной технологии "компаньон" (то есть, Микрожидкостных чип для реагента для смешивания и образец Dilution) наряду с цитометром. Пример предварительной обработки (например, флуоресцентные окрашивание, смешивание, инкубационный), как выполняется на земле, может быть трудно или опасными в пространстве, в свою очередь, для приготовления технологий компаньонов, таких как смесительной чипа, необходимых для достижения тех же функций в пониженной гравитации , В отличие от настоящей работы, предыдущие демонстрации потенциально космических достойным цитометров были почти полностью сфокусированы на производительности цитометрии (с использованием образцов предварительно обработанные на земле) и без указанных стратегий для преодоления пробелов в образце предварительной обработки. Описанные 'волоконно-оптические основе "текут цитометром, например, используемые образцы патронов наземные загружены для иммунофенотипирования и MicroBead основе анализа на цитокины и это не очевидно, как система может быть адаптирована для реальных в полете диагностики. Некоторые усилия частично решить эту проблему, в том числе развития всей окрашивания крови устройства, который видел недавние улучшения ^41. NASA-испытаны проточного цитометра использовали метод предварительного окрашивания потенциально полезной с окрашивающим устройством цельной крови ^5. Тем не менее, усилия по разработке необходимой космической готов технологии спутник, кажется, отстают достаточно за тех, развивать цитометров держать проточной цитометрии непрактично для диагностических целей в космосе и других ограниченных ресурсов среды в ближайшем будущем. В целом, разработчики любых IVDs для космоса необходимо учитывать полную адаптацию рабочего процесса для их технологии и всегда должны рассмотреть тестирование потенциально необходимых технологий компаньона в полной мере воспользоваться ограниченных возможностей полета уменьшается гравитации.

Описанный поток прототип цитометром является отправной точкой для более утонченным дизайном, использованием более сложных струйной, оптики и электроники. Гидродинамического потока фокусировки и дополнительная обнаружения каналов (например, рассеяние света, поглощение) позволит улучшить дискриминации частиц для таких приложений, какбелый дифференциал клеток крови. Некоторые компоненты должны быть заменены просто потому, что они удобны в буровой основе конструкций, но было бы непрактичным в реальных портативных устройств (электронных например, флакон с отходами, контроль / приобретение). Более продвинутые электроника будет включать в себя микроэлектроника осуществляется с помощью миниатюрного интерфейс экрана и встроенные микропроцессоры для устранения ноутбук и связанные DAQ карты.

Евгений Юрьевич Чан, Кэндис Bae, и Юлия З. Шарп являются изобретатели смежных технологических патентов, поданных через ДНК медицины института коммерческой структуры.

Разработка аппаратных средств при поддержке NASA SBIR контрактам NNX09CA44C и NNX10CA97C. Анализ данных для оптических блоков и образец погрузчика демонстраций поддержали НАСА Фаза III Договора NNC11CA04C. Коллекция крови человека проводили с использованием НАСА IRB протокол # SA-10-008. Управляющее программное обеспечение / приобретение осуществляется через National Instruments Медицинский прибор грантовой программы. Пресс-формы для микрочипов были сделаны на микроструктур объекта Джонса Хопкинса и Гарвардского центра для наноразмерных систем. Отто Дж Briner и Люк Джаффе (ДНК Институт медицины) помогал в штативе в течение лета 2010 года НАСА полет видео персонала, предусмотренные видеозаписи во время полета в неделю. Карлос Barrientos (ДНК Медицина институт) при условии, фотография и рисунок помощь. Отдельное спасибо облегченный доступ к космической среды для технологии 2010 Программы, в НАСА пониженной гравитации Office, в адаптации человека и меры противодействия отдела NASA Glenn Research Center,ЗИН Технологии и программы Human Research.