En este artículo describimos diferentes técnicas para plataformas de prototipado rápido microfluídico. Las técnicas propuestas se basan en epoxis sensibles a los rayos ultravioleta (UV) y de curado por temperatura, tubos a base de polidimetilsiloxano (PDMS), unión de alambres y películas adhesivas anisotrópicas. Los procedimientos de ensamblaje presentados están desarrollados tanto para dispositivos de un solo uso como para sistemas microfluídicos reutilizables.
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Artículo de método
Métodos de empaquetado de prototipos microfluídicos rápidos y de bajo costo de alto rendimiento
En este artículo
Resumen
Resumen
En este trabajo se presentan 3 técnicas diferentes de empaquetado y montaje. Se pueden clasificar en dos categorías: técnicas de embalaje de un solo uso y reutilizables.
La técnica de empaquetado de un solo uso emplea epoxis basados en UV y de curado a temperatura para conectar microtubos a los orificios de acceso, unión de cables para conexiones de circuitos integrados y epoxi de plata para conexiones eléctricas. Este método se basa en una técnica de ensamblaje robusta que puede soportar una presión relativamente alta cercana a 1 psi y no necesita ningún soporte para fortalecer la arquitectura microfluídica.
Las técnicas de embalaje reutilizable consisten en interconectores de microtubos basados en PDMS y películas adhesivas anisotrópicas para conexiones eléctricas. Estos dispositivos son más sensibles y frágiles. En consecuencia, se añade un soporte de plexiglás a la estructura microfluídica para mejorar el contacto eléctrico cuando se utilizan películas adhesivas anisotrópicas, y también para reforzar la arquitectura microfluídica. Además, se necesita un micromanipulador para mantener los tubos mientras se usa una capa delgada de PDMS para conectarlos a los orificios de acceso. Se prueban diferentes espesores de capa de PDMS, que van desde 0,45 a 3 mm, para comparar la mejor adherencia con las tasas de inyección. Las tasas de inyección aplicadas varían de 50-300 μl/h para capas de PDMS de 0,45-3 mm, respectivamente. Estas técnicas son principalmente aplicables para aplicaciones de baja presión. Sin embargo, se pueden extender para los de alta presión a través del proceso de plasma-oxígeno para sellar permanentemente el PDMS a sustratos de vidrio. La principal ventaja de esta técnica, además de ser reutilizable, consiste en mantener el dispositivo observable cuando la longitud del microcanal es muy corta (en el rango de 3 mm o menos).
Introducción
Los avances recientes en la microfabricación han llevado a dispositivos microfluídicos más complejos que incluyen una gran cantidad de electrodos y diferentes tipos de algoritmos de control. Sin embargo, estos avances pusieron de manifiesto nuevos retos en el envasado. Además, Lab-on-Chip (LoC) es un concepto multidisciplinario en el que se conectan dispositivos microfluídicos, sistemas microelectromecánicos (MEMS), chips microelectrónicos, entre otras partes. En consecuencia, es imposible desarrollar un proceso de empaquetado sin tener en cuenta las diferentes limitaciones de los componentes de LoC, como la microelectrónica, la sensibilidad y protección de los circuitos, los tubos y los aspectos mecánicos. Además, el empaquetamiento de los componentes de una determinada LoC está estrechamente relacionado con la aplicación1,2. Por ejemplo, en aplicaciones ópticas, la transparencia del dispositivo es crucial, especialmente para fines de prueba. Por lo tanto, es importante monitorear el comportamiento del sistema manteniendo el dispositivo observable. En aplicaciones relacionadas con la manipulación de células o partículas, el uso de técnicas de bajo voltaje es más atractivo, con la aparición de nuevas tecnologías de microfabricación que permiten reducir las dimensiones de los electrodos (desde unos pocos micrómetros hasta una escala submicrónica de3-5) pero aumentan considerablemente el número de electrodos a 100 o más.
Por otro lado, las LoCs dedicadas al análisis químico y biológico requieren observación a largo plazo. Por lo tanto, el embalaje del sistema y el banco de pruebas deben evitar la contaminación biológica, así como cualquier falla en los dispositivos electrónicos de LoC, además de mantener el sistema observable.
En artículos recientemente publicados, la microfluídica y los MEMS son las partes principales de una LoC, pero se pueden utilizar otros módulos para la monitorización del sistema. En consecuencia, probar y validar arquitecturas microfluídicas se convirtió en un problema desafiante con los nuevos enfoques de microfabricación y las arquitecturas de alta complejidad y rendimiento. Hasta el momento no existen plataformas de ensayo estándar ni soportes para sistemas microfluídicos, como es el caso de los troqueles de microelectrónica.
Los investigadores propusieron diferentes técnicas de empaquetado para usos específicos, como Xie et al.6 que diseñaron un envase biomicrofluídico que incluye un chip de microelectrónica para controlar la separación del ADN en los canales microfluídicos. Beebe y cols.7 diseñó un canal microfluídico con depósitos de fluido integrados y válvulas de hidrogel que responden a estímulos para manipular muestras de fluido. Otros sistemas proponen el uso de sensores de flujo basados en burbujas electrolíticas para detectar presiones a través de un campo eléctrico para generar burbujas de aire y medir la presión correspondiente8. El sistema de detección mide la impedancia de la burbuja y luego determina la presión, lo que requiere un embalaje especial diseñado para evitar introducir cualquier interferencia en las mediciones. En otro trabajo, se introdujo un método de empaquetamiento microfluídico a temperatura ambiente basado en el proceso de activación secuencialdel plasma 9. A pesar de que este proceso podría conducir a un dispositivo fuertemente ensamblado, tiene limitaciones cuando se usa con fines de creación de prototipos o cuando el dispositivo se usa varias veces. Esto último puede implicar el reemplazo frecuente de algunas partes del sistema. Además, Lee et al. introdujeron una nueva técnica de empaquetamiento, llamada Biolab-on-IC, basada en el uso de campos magnéticos para la manipulación individual de perlas magnéticas, donde la arquitectura microfluídica se diseña en la parte superior del circuito integrado10. Además, la confiabilidad del empaquetamiento y la integración de los sistemas microfluídicos, considerando el tamaño del sistema, los aspectos ópticos y las partes de conexión, son cuestiones críticas según lo detallado por Han y Frazier11. Este último trabajo refleja un enfoque típico de los sistemas LoC, en los que varios parámetros deben fijarse y medirse con precisión durante el embalaje.
En consecuencia, el empaquetado microfluídico es un problema desafiante para la nueva generación de dispositivos microfluídicos. El embalaje incluye piezas heterogéneas como tubos, conexiones eléctricas y soporte microfluídico. En el caso de los tubos, el problema principal es el espacio muy limitado disponible para conectar los tubos y acceder a los orificios microfluídicos. El diámetro de los conectores actuales disponibles en el mercado está en el rango de 6 mm; Sin embargo, la distancia entre los dos orificios de acceso es cada vez menor con la reducción de las dimensiones totales del sistema12-13. Por lo tanto, hemos propuesto una técnica de entubado basada en PDMS. Este proceso de entubado está especialmente elaborado para la fase de prototipado. De hecho, debido a la restricción química, es obligatorio cambiar el tubo de conexión después de cada uso para evitar y minimizar las fugas de líquido dentro de la microestructura y para limpiar los microcanales. Para estos propósitos, el proceso descrito en este documento es particularmente aplicable para un diseño de prototipado rápido.
Por otro lado, las conexiones eléctricas son críticas para los dispositivos microfluídicos que utilizan manipulación o medición eléctrica directa o indirecta. Debido a la amplia gama de aplicaciones microfluídicas, las dimensiones, la forma y el número de contactos eléctricos del dispositivo pueden variar considerablemente. Por lo tanto, se requiere un método versátil, que se pueda utilizar para diferentes aplicaciones. Kaler et al. informaron de los resultados de su plataforma de prototipado rápido microfluídico, que se basa en conectores de fuerza de inserción cero (ZIF)14. En lugar de estos últimos conectores, los métodos presentados utilizan una película conductora adhesiva anisotrópica, que se puede adaptar fácilmente a cualquier forma.
Muchos investigadores no tienen en cuenta las limitaciones de las pruebas al diseñar su dispositivo microfluídico. En microelectrónica, hay muchos soportes utilizados para la creación de prototipos y las pruebas, que se denominan soportes de circuitos integrados. Estos están diseñados principalmente para reducir los tiempos de creación de prototipos y pruebas, y ofrecen a los investigadores e ingenieros una manera fácil de reemplazar los dispositivos en caso de fallo. Al igual que la microelectrónica, también proponemos un nuevo paquete de pruebas para dispositivos microfluídicos limitado a un tamaño de dispositivo de 45 mm x 90 mm.
Nuestras técnicas propuestas están dirigidas a cubrir un gran número de dispositivos y aplicaciones microfluídicas. Estos métodos pueden adaptarse, ampliarse y actualizarse a otras aplicaciones. Nuestro objetivo es proporcionar uno de los primeros métodos de empaquetado versátiles para dispositivos microfluídicos que estén optimizados para manipulaciones microfluídicas. Por ejemplo, una aplicación final de los dispositivos empaquetados con estas técnicas es la separación de microesferas modificadas con poliestireno y carboxilo con líquido cefalorraquídeo artificial. Sin embargo, se pueden utilizar en otras aplicaciones con diferentes soluciones.
En el resto de este artículo, se presentan y comparan tres técnicas diferentes de tubería, 2 métodos de conexión eléctrica y un método de empaquetado microfluídico.
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Protocolo
1. Interconector extraíble basado en PDMS para aplicaciones microfluídicas de baja presión15-16
- Preparación
En esta sección se describen los diferentes pasos para preparar el vidrio y el PDMS con el fin de producir el interconector.- Prepare el PDMS: Mezcle el PDMS y el agente de curado con una proporción (10:1).
- Asegúrese de que la temperatura del horno se estabilice a una temperatura constante de 80 °C. Dependiendo del horno, utilice un dispositivo de medición para detectar la temperatura del horno y luego controlarla manualmente.
- Limpie a fondo la placa de Petri con etanol.
- Limpie la superficie de los orificios de acceso microfluídico donde se colocará el interconector PDMS.
- Fabricación
El interconector descrito en este documento es esencialmente una junta que cumple con la normativa. Esta junta está formada por PDMS y contiene orificios en los que se pueden insertar microtubos. Se autoadhiere a la superficie de un chip microfluídico, para formar un sello a prueba de fugas entre el microtubo y los orificios de acceso a los microcanales en el chip.
Utilice los siguientes pasos para fabricar el interconector.- Vierta una capa delgada (aproximadamente 2 mm) del PDMS (líquido) en una placa de Petri.
- Deje que el PDMS polimerice ligeramente a una temperatura de 80 °C en el horno durante 12-15 min. Coloque el chip microfluídico al que se realizará la conexión en el horno al mismo tiempo, de modo que esté a la misma temperatura.
- Cuando el PDMS comience a polimerizarse, retírelo del horno de curado.
- Utilice un punzón de biopsia para formar orificios del diámetro deseado en la superficie del chip microfluídico.
- Con la cuchilla, corte la pieza requerida de PDMS.
Nota: Se recomienda cortar inicialmente una pieza de material más grande de la que eventualmente se requerirá. Para evitar el uso de múltiples conectores, es deseable que cualquier interconector PDMS dado se corte en forma cuadrada y se perforen los orificios, para que se ajusten al número máximo posible de orificios en el chip del usuario. - Mantenga los orificios un poco más pequeños que el diámetro exterior del microtubo.
- Retire rápidamente el PDMS de las placas de Petri y colóquelo en el chip microfluídico.
- Asegúrese de que no haya polvo en el PDMS o en el chip y asegúrese de que los orificios de acceso del chip microfluídico estén alineados con los del PDMS.
- Con un microposicionador, inserte tubos (por ejemplo, tubos de teflón) a través del interconector PDMS. Los tubos deben tener el 110% del diámetro del orificio de acceso microfluídico para evitar fugas de líquido. Los mismos tubos se pueden conectar al sistema de inyección de líquido dependiendo de la aplicación del usuario.
nota: Coloque siempre los tubos usando un microposicionador, la capa de PDMS no es muy gruesa y se puede desprender si los tubos están retorcidos. - Si es necesario, agregue epoxi entre el tubo y el PDMS para una mejor adherencia.
Un ejemplo de la interconexión completada se muestra en las figuras y en Ghallab y Badawy2.
2. Interconexión de microtubos en aplicaciones microfluídicas con epoxi17
Al fabricar un interconector, asegúrese de que el borde del microtubo esté cortado correctamente. Utilice una nueva cuchilla afilada para cortar el borde del microtubo en línea recta y asegurarse de que el contacto entre los microtubos y el orificio de acceso sea uniforme.
- Con el microposicionador, coloque con cuidado el microtubo en el orificio de acceso del chip microfluídico.
- Aplique una pequeña presión sobre el dispensador de epoxi para depositar epoxi en los orificios de acceso o colóquelo manualmente.
- Deje que el epoxi se cure siguiendo los siguientes pasos:
- Epoxi curable UV: Exponga el epoxi UV a una fuente UV durante 3-10 min, dependiendo de la cantidad de epoxi utilizada. Para obtener más detalles, consulte las especificaciones del epoxi.
- Epoxi estándar: Si el sustrato microfluídico se va a utilizar solo en RT, mantenga el curado epoxi durante 24 horas en RT. Si se requiere que el sustrato resista altas temperaturas, solidifique rápidamente el epoxi exponiéndolo a 100 °C usando un horno o un calentador, según la aplicación. Para obtener más detalles, consulte las especificaciones del epoxi.
3. Técnica de ensamblaje para chips microfluídicos reutilizables con interfaz eléctrica17
- Montaje de los componentes
La Figura 2 muestra los enlaces entre los conectores eléctricos de la PCB y las almohadillas eléctricas del chip microfluídico. Para ensamblar los componentes de PCB/chip microfluídico/plexiglás, siga estos pasos:
cautela: Evite la presión de compresión excesiva, que puede romper el chip microfluídico.- Suelde los conectores eléctricos multipin de montaje en superficie a la placa de circuito impreso.
- Si hay contaminación superficial en las almohadillas eléctricas del chip microfluídico, límpialas con oxígeno de plasma; de lo contrario, limpia las almohadillas con etanol.
- Utilice una cuchilla afilada para cortar la cinta conductora en trozos pequeños con las mismas dimensiones que las almohadillas eléctricas del chip microfluídico, como se muestra en las figuras 1 y 2.
- Con pinzas, coloque la cinta conductora en las almohadillas eléctricas de la PCB.
- Alinee y luego coloque el chip microfluídico en la PCB.
nota: Para precisión en la colocación, utilice una máquina de alineación. - Coloque una capa aislante (como papel) sobre la placa de circuito impreso para evitar cortocircuitos antes de instalar los soportes metálicos, dependiendo de la ubicación de las trazas de la placa de circuito impreso.
- Fije el soporte metálico con tornillos y tuercas.
- Desmontaje
- Retire los tornillos de la máquina, las tuercas y los soportes metálicos.
- Separe suavemente el chip microfluídico y la PCB.
- Use etanol para quitar el adhesivo de la cinta conductora de las almohadillas eléctricas de la placa de circuito impreso y el chip microfluídico antes de volver a ensamblar.
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Resultados
Figura 3 ilustra un esquema detallado de la técnica de encapsulado propuesta. La solución de encapsulado se probó con varios espesores y tamaños de PDMS para caracterizar un proceso de encapsulado transparente y eficiente para microsistemas híbridos de microelectrónica/microfluídica, como se muestra en las Figuras 4 y 5. Las dimensiones de la capa diseñada del interconector de PDMS son 6 mm x 6 mm y se utiliza para conectar dos orificios de acceso. Sin embargo, con los c...
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Discusión
El interconector PDMS está diseñado para aplicaciones de baja presión, se debe evitar la fuga de líquido en el orificio de acceso al chip cuando el interconector PDMS se coloca posteriormente en el orificio de acceso. Por lo tanto, el grosor recomendado de PDMS es inferior a 2 mm. Un mayor espesor puede inducir una débil adhesión del PDMS a la superficie del chip microfluídico y no se recomienda. Se realizó un ensayo fallido con un espesor de 4 mm. Este trabajo se centra en la adherencia del interconector PDMS al vidrio ...
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Divulgaciones
No hay nada que revelar.
Agradecimientos
Los autores agradecen el apoyo financiero del NSERC y de la Cátedra de Investigación de Canadá en Dispositivos Médicos Inteligentes, y agradecen las diversas herramientas proporcionadas por CMC Microsystems y ReSMiQ. Hay que agradecer a Laurent Mouden sus contribuciones en este trabajo.
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Materiales
| Nombre | Empresa | Número de catálogo | Comentarios |
|---|---|---|---|
| Epoxi 731 | Epotek | 731 | |
| PDMS | Dow Corning | SYLGARD 184 | |
| UV Epoxi | Epotek | OG159 | |
| Microbomba | Harvard Aparato | PHD Ultra | |
| PCB | Circuitos | ||
| avanzados Plexiglás | Ecole Polytechnique | ||
| Adhesivo conductor película | 3M | 9703 |
Referencias
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Reimpresiones y permisos
