Desarrollo de un dispositivo 3D grafeno Electrodo dielectroforéticas

Este protocolo demuestra los procedimientos para fabricar un papel de grafeno laminado en 3D, un microdispositivo de electrodo y métodos experimentales para manipular microesferas recubiertas de polímero o células biológicas mediante electroforesis dieléctrica o DEP dentro del dispositivo. A partir de este momento, haremos referencia a la dielectroforesis como DEP. La fabricación de los dispositivos se logra primero apilando alternadamente capas de papel de grafeno de 50 micrones y N menos una capas de cinta polimérica sensible a la presión de 100 micrones, obteniendo así electrodos de señal y tierra en partes iguales.

Las capas se presionan juntas, se recortan y luego se perfora un micropozo a través de la estructura. Finalmente, se conectan dos conductores de cobre a los dos extremos del dispositivo utilizando epoxi de plata. El segundo paso consiste en preparar el medio de DEP con la conductividad deseada.

Las perlas poliméricas se suspenden entonces en esta solución medio a una cierta proporción de volumen. El tercer y último paso consiste en cargar el dispositivo con la suspensión de perlas preparada, montarlo sobre la platina del microscopio, conectar el dispositivo a un generador de funciones y, finalmente, iniciar el DEP. Finalmente, se utiliza el microscopio para grabar las respuestas de DEP y estudiar las propiedades de la célula o partícula mediante análisis posteriores.

El grafeno es un material versátil utilizado por su resistencia, así como por sus propiedades térmicas y eléctricas. Este protocolo utiliza un papel de grafeno económico como capa de electrodo conductor en un microdispositivo tridimensional dieléctrico que es capaz de distinguir partículas y células para aplicaciones como la tipificación sanguínea o el diagnóstico médico de células enfermas. Las ventajas de este microdispositivo con electrodo de papel de grafeno incluyen una fabricación más sencilla, una mayor terapéutica de la muestra y una versatilidad geométrica.

El campo eléctrico tridimensional no uniforme puede manipular grandes volúmenes de muestra con fuerzas DP que son únicas en su capacidad para distinguir partículas y células polarizables según sus propiedades químicas y morfológicas intrínsecas. Arme el dispositivo laminado con papel de grafito y cinta. Aquí utilizamos papel de grafito hidrofóbico de 75 micrones de espesor de un fabricante comercial y cinta adhesiva doble cara sensible a la presión de 100 micrones de espesor.

Primero, corte el papel de grafeno con una hoja quirúrgica y una regla recta en rectángulos de 6,7 centímetros por 1,5 centímetros y use tijeras para cortar la cinta adhesiva doble cara sensible a la presión en cinco tiras de 1,3 centímetros por aproximadamente cinco centímetros. Coloque la primera capa de papel de grafeno sobre un portaobjetos limpio. Cubra lentamente un extremo del papel de grafeno con una tira de cinta, dejando un margen de aproximadamente dos milímetros para garantizar un aislamiento entre dos capas adyacentes de papel de grafeno.

Coloque la segunda capa de papel de grafeno encima de la cinta. Desalínela con respecto a la primera capa de papel de grafeno. Aplique presión moderada desde arriba para asegurar un buen contacto entre las capas.

Repita los dos pasos anteriores para las capas restantes, asegurándose de que las capas superior e inferior sean ambas de papel de grafeno. Utilice tijeras para eliminar la cinta adicional de los bordes del dispositivo, dejando un pequeño margen de aproximadamente un milímetro para garantizar un aislamiento sellado entre las capas de papel de grafeno. Realice una prueba rápida de aislamiento utilizando un multímetro; coloque las puntas positiva y negativa en los contactos eléctricos situados en lados opuestos del dispositivo.

Una alta resistencia de aproximadamente cientos de kiloohmios indica un buen aislamiento entre capas. Ahora, la estructura laminada está lista para la perforación de micropozos. Utilizamos un micro y un molino para perforar un micropozo en la estructura laminada.

Aquí utilizamos una fresa micro y nil con un diámetro de 700 micrones y una longitud de ranura cercana a 2,1 milímetros. La elección de la fresa micro nil se basa en el diámetro del pocillo micro y el grosor del dispositivo. Inmovilice la estructura laminada sobre la plataforma de microperforación con abrazaderas, coloque la fresa justo encima de la estructura mediante controles informáticos y dirija aire presurizado sobre el dispositivo. Inicie la rotación de la fresa y luego bájela lentamente hacia el centro de la estructura laminada y a través de él.

Deténgase a una distancia ligeramente mayor que la profundidad de la estructura laminada para garantizar la eliminación completa de los residuos del nuevo orificio. Mueva la fresa hacia arriba y hacia abajo varias veces a través del micro. Pozo para alisar la pared interna.

La superficie interna del pocillo microscópico debe ser lo más vertical y limpia posible para obtener gradientes de campo eléctrico óptimos y un buen paso de la luz a través del pocillo. Corte alambres de cobre estándar del calibre 32 en dos piezas de tres centímetros de longitud y doble dos ángulos rectos a dos centímetros. Mezcle manualmente aproximadamente 0,75 milímetros de la parte A y aproximadamente 0,75 milímetros de la parte B del epoxi conductor de plata.

En un recipiente pequeño, fije los cables aplicando cuidadosamente epoxi de plata sobre las puntas y entre las tres capas de papel de grafeno para garantizar un buen contacto entre las capas. A continuación, coloque el cable de un centímetro entre dos capas cualesquiera y presione suavemente las capas para eliminar el exceso de epoxi y asegurar un buen contacto eléctrico. Repita el procedimiento en el otro lado de la estructura laminada.

Coloque todo el dispositivo sobre un soporte y en un horno para secar durante la noche a 70 grados Celsius y a presión atmosférica. Retire el dispositivo del horno y verifique el aislamiento eléctrico entre los cables de los electrodos. Aquí preparamos medios de solución con un espectro de conductividades mezclando diferentes proporciones de una solución previamente preparada de 290 miliosmoles por litro de minol y PBS.

Estas son soluciones simples elegidas para imitar de forma aproximada el tampón de cultivo celular. Existe una correlación lineal entre la relación de volumen de estas dos soluciones y la conductividad de la solución resultante. Se mezclan microesferas de poliestireno o células biológicas con medios de conductividad preparados en una relación de uno a 100, volumen a volumen, mediante pipeteo. Se añaden 10 microlitros de microesferas de poliestireno y un mililitro de solución de medio en un vial de muestra.

Mezcle la muestra completamente mediante vortex. Sujete el dispositivo a una lámina de vidrio con presión moderada utilizando pinzas de papel modificadas o equivalentes. La base debe estar lo suficientemente cerca del pocillo micro para sellar la estructura laminada a la lámina de vidrio, evitando cualquier fuga de la muestra.

La tensión de la abrazadera debe controlarse para no deformar negativamente el dispositivo, alterando así la geometría del pocillo y la trayectoria de la luz. Corte un portaobjetos de vidrio cubierto de 0,5 milímetros de espesor con un cortador de vidrio de punta de diamante lo suficientemente ancho como para cubrir apenas la microgrieta del pocillo; corte el vidrio al tamaño adecuado y déjelo aparte. Utilizando esta jeringa micrométrica, inyecte lentamente aproximadamente un microlitro de la suspensión de perlas de poliestireno en el micro-pocillo. Para evitar la introducción de burbujas, repita la inyección si aparecen burbujas y tenga cuidado de no dañar las paredes del micro-pocillo con la aguja afilada. Llene ligeramente en exceso el micro-pocillo e inmediatamente deslice el cubreobjetos preparado sobre este para eliminar el exceso de líquido, prevenir la evaporación y asegurar volúmenes reproducibles.

Para cada experimento, sujete firmemente el microdispositivo laminado completo sobre la platina del microscopio y conecte un generador de funciones. Conecte pinzas cocodrilo a los conductores de cobre del dispositivo y ajuste el enfoque del software del microscopio para visualizar con claridad el micropozo. En el centro de la pantalla, aquí, cien hercios a diez megahercios y quince voltios.

Se aplicaron señales de pico máximo al dispositivo. Se observaron perlas en el micropozo a un aumento de 10x y entre uno y 200 micrones por encima de la superficie del portaobjetos de vidrio. Haga clic en el botón para iniciar la grabación y la adquisición de la cámara.

Inicie la señal del generador de funciones dos segundos después de comenzar la grabación con la cámara. Las imágenes se guardan digitalmente a una velocidad de uno a cinco cuadros por segundo durante aproximadamente cinco minutos para un análisis posterior de la intensidad. Al finalizar el experimento, retire el dispositivo y desmonte las pinzas.

Limpie tanto la portaobjetos de vidrio como el dispositivo con agua jabonosa. Luego enjuague bien. En ausencia de un campo eléctrico, las partículas sedimentan únicamente en el fondo del dispositivo debido a la gravedad. Un campo eléctrico de aproximadamente un kilohercio provoca un comportamiento de DEP positivo indicado por el movimiento hacia arriba del gradiente del campo, acercándose más al papel de grafeno.

Se observan electrodos en los bordes de los micropozos a campos eléctricos superiores a 100 kilohercios y en el rango de los megahercios. Se observa DEP negativa, indicada por el movimiento de las perlas hacia abajo del gradiente del campo eléctrico, hacia el centro del micropozo. Este microdispositivo con electrodos de papel de grafeno 3D produjo resultados experimentales en estrecho acuerdo tanto con el comportamiento predicho teóricamente como con los resultados experimentales previamente reportados.

La fabricación del dispositivo es extremadamente versátil. Los protocolos proporcionados pueden adaptarse fácilmente para dispositivos con más capas u otros materiales. Este video detalla un microdispositivo de DEP en 3D fabricado por lotes.

Sin embargo, en aplicaciones futuras, las suspensiones de partículas o células podrían fluir continuamente a través del micropozo del dispositivo para lograr un mayor rendimiento. Un ejemplo de versatilidad es la separación por DEP, en la que el papel de grafeno que absorbe agua podría funcionar simultáneamente como electrodo y filtro para concentradores de partículas o células, o incluso como sensores bioquímicos electrocinéticos. Después de ver este video, los espectadores deberían tener una buena comprensión sobre cómo fabricar un papel de grafeno de múltiples capas, un microdispositivo con electrodo, así como sobre cómo operar el dispositivo para realizar experimentos con partículas o células.