Jaulas neumáticas de microfluidos: Un nuevo enfoque para In-chip de cristal reventado, manipulación y tratamiento químico controlado

Aquí, describimos la fabricación y operación de un sistema microfluídico de doble capa hecho de polidimetilsiloxano (PDMS). Demostramos el potencial de este dispositivo para atrapar, dirigir la vía de coordinación de un material molecular cristalino y controlar las reacciones químicas en las estructuras atrapadas en el chip.

El objetivo general de este enfoque es demostrar el potencial de este dispositivo para atrapar, dirigir la vía de coordinación de un material molecular cristalino y controlar las reacciones químicas en las estructuras atrapadas en el chip. Este método puede ayudar a responder preguntas clave en el campo de la ciencia de los materiales, como el efecto de los tratamientos químicos controlados en las propiedades de las estructuras autoensambladas. Y es importante subrayar que el número de tecnologías que permiten el tratamiento químico controlado en condiciones dinámicas es actualmente muy limitado, lo que hace que este enfoque sea muy atractivo en el campo relacionado con los materiales.

Para comenzar, prepare un molde maestro silanizado utilizando fotolitografía SU8. La partícula incrustante es particularmente sensible tanto al tiempo como a la temperatura. Cualquier incumplimiento del marco de tiempo y la temperatura descritos puede conducir a la fabricación de un dispositivo no adherido y, por lo tanto, no funcional.

Prepare la mezcla de PDMS combinando 50 gramos del elastómero y 10 gramos del agente de curado en un plato de pesaje desechable. Mezcle los componentes completamente con una espátula de plástico. A continuación, coloque el PDMS bien mezclado en un desecador al vacío durante 15 minutos para desgasificar la mezcla y eliminar las burbujas atrapadas.

Mientras se desgasifica el primer lote de PDMS, mezcle un segundo lote con 10 gramos de elastómero y 0,5 gramos del agente de curado. A continuación, fije el molde maestro que contiene la capa de control en un marco redondo de PTFE de 11 milímetros. Una vez que se haya desgasificado la mezcla de cinco a uno de PDMS, retírela de la cámara de vacío.

Ahora, vierta la mezcla de cinco a uno de PDMS en el molde maestro de la capa de control hasta que la mezcla alcance el nivel de la pared vertical recta del marco de PTFE. Y luego colóquelo en el desecador. Al mismo tiempo, también coloque la mezcla de 20 a uno de PDMS en el desecador y vuelva a tirar del vacío.

Desgasifique tanto el molde maestro recubierto como la proporción de 20 a uno de PDMS durante 30 minutos adicionales. Luego, saque ambos del desecador y coloque el molde maestro de la capa de control en un horno que haya sido precalentado a 80 grados centígrados. Mientras se hornea la capa de control, coloque el molde maestro para la capa fluida en un recubridor giratorio.

Vierta alrededor de 4 mililitros de la mezcla de 20 a uno de PDMS en el molde maestro para la capa fluida y centrifuga la oblea durante 40 segundos a 1200 rpm para lograr una capa de 60 micrómetros de espesor. Después de una hora de tiempo total transcurrido, abra el horno, coloque la oblea recubierta de centrifugado junto a la capa de control y hornee juntas durante 15 minutos adicionales a 80 grados centígrados. Luego, después de 75 minutos de tiempo total transcurrido, retire ambas obleas del horno.

Primero, retire la mezcla de cinco a uno de PDMS para la capa de control. Corta las virutas con una cuchilla de afeitar. Y luego perfore los orificios para las entradas con un punzón de biopsia de un milímetro.

A continuación, use cinta adhesiva para eliminar cualquier residuo de las virutas de la capa de control cortadas en cubitos. Una vez que los chips estén limpios, use un microscopio estereoscópico para alinear el chip de la capa de control en la parte superior del molde maestro de la capa fluida. A continuación, vierta y extraiga el PDMS residual alrededor de las fichas ensambladas.

Y coloque toda la configuración en un horno a 80 grados centígrados. Hornee los dispositivos ensamblados durante la noche. Al día siguiente, saque el conjunto curado del horno y deje que se enfríe a temperatura ambiente.

A continuación, retire el conjunto PDMS del molde maestro de la capa fluida. Una vez libre del molde maestro, corte los dispositivos de doble capa fabricados con una cuchilla y use un punzón de biopsia de 1,5 milímetros para formar las entradas y salidas de fluidos. A continuación, trate los cubreobjetos de vidrio y la capa fluídica del dispositivo ensamblado con una descarga de corona durante un minuto o use plasma de oxígeno y luego pegue inmediatamente las dos superficies para completar el dispositivo microfluídico.

Hornee las papas fritas de doble capa unidas en un horno a 70 a 80 grados centígrados durante al menos cuatro horas. Para manipular el régimen de flujo utilizando una bomba de jeringa y un controlador neumático, primero conecte las jeringas previamente cargadas y colocadas en una bomba de jeringa a las entradas de fluidos del dispositivo microfluídico y el sistema de controlador neumático a las entradas de control del dispositivo microfluídico. Para visualizar el flujo, cargue una de las jeringas con un tinte acuoso y fluya hacia la cámara a un caudal de 20 microlitros por minuto.

A continuación, utilice el sistema de control neumático para cerrar la válvula accionándola a tres bar. Es importante tener en cuenta que el fluido aún puede fluir alrededor de la válvula una vez que está cerrada, y esta característica es importante para lograr un tratamiento químico controlado de la estructura atrapada, como los polímeros de coordinación. Para abrir la válvula, simplemente use el sistema de control para liberar la presión.

Mientras la solución de troquel fluye a través del primer canal, inyecte otro fluido acuoso en el segundo canal de entrada al mismo caudal para formar una interfaz entre los dos flujos acuosos. A continuación, cierre la válvula accionándola a tres bares. El accionamiento de la válvula durante el flujo dual cambia la interfaz de los dos flujos acuosos.

A continuación, cambie los caudales de fluido de las dos jeringas a 30 microlitros por minuto y 10 microlitros por minuto respectivamente para cambiar la interfaz entre los dos fluidos. Para visualizar la capacidad de la válvula para atrapar micropartículas, primero prepare una solución acuosa que contenga un 10% de micropartículas fluorescentes de poliestireno en peso. Introduzca el fluido cargado de partículas en los dos canales de entrada a un caudal total de 20 microlitros por minuto.

Espere dos minutos hasta que se establezca un flujo estable. A continuación, excite las perlas fluorescentes utilizando una fuente con una longitud de onda de 488 nanómetros para ver mejor las perlas. Cuando esté listo, accione la válvula a tres bar para cerrarla.

Imagine el área de la válvula para ver varias partículas atrapadas debajo de la válvula y localizadas en la superficie mientras se mantiene el flujo. La inyección de gas a través de canales en la capa de control comprime la capa de fluido hacia la superficie. Esto se puede usar para desviar fluidos alrededor de la región controlada por el actuador aquí indicado por la ausencia o un tinte de rodamina.

Estos actuadores neumáticos también se pueden utilizar para atrapar partículas o células, como estas micropartículas fluorescentes, que quedaron atrapadas en la superficie del microcanal. Otra característica de este dispositivo es su capacidad para atrapar polímeros de coordinación generados por NC2 a través del accionamiento de la jaula neumática. Para esta configuración, se utilizan dos flujos de reactivos y se produce una reacción química controlada en la interfaz de los dos líquidos en el flujo laminar.

Una vez atrapados, los polímeros de coordinación pueden ser tratados químicamente de forma controlada mediante el empleo de las válvulas neumáticas. Si está viendo este video, debería tener una buena comprensión de cómo fabricar de manera efectiva un dispositivo microfluídico de doble capa que se puede usar para realizar reacciones químicas controladas en varias estructuras de tubo. Al intentar este procedimiento, es importante estar limitado al marco de tiempo y la temperatura informados en el protocolo actual.

De lo contrario, su esfuerzo puede conducir a la fabricación de dispositivos no adheridos o defectuosos y, por lo tanto, no funcionales. Después de su desarrollo, esta técnica allanó el camino para que los investigadores en el campo de la ciencia de los materiales exploraran varios tipos de tratamientos químicos controlados en el tubo con alta precisión utilizando una plataforma microfluídica de doble capa.