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

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 reacciones químicas sobre estructuras atrapadas en un chip. Este método puede ayudar a responder preguntas clave en el campo de la ciencia de materiales, como el efecto de tratamientos químicos controlados sobre las propiedades de estructuras autoensambladas. Y es importante destacar que el número de tecnologías que permiten tratamientos químicos controlados bajo condiciones dinámicas es actualmente muy limitado, lo que hace que este enfoque sea muy atractivo en el ámbito relacionado con materiales.

Para comenzar, prepare un molde maestro silanizado utilizando fotolitografía con SU8. La partícula de ensuciamiento es particularmente sensible tanto al tiempo como a la temperatura. Cualquier incumplimiento del marco de tiempo y la temperatura descritos puede llevar a la fabricación de un dispositivo no unido 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 recipiente desechable para pesar. Mezcle completamente los componentes utilizando una espátula de plástico. A continuación, coloque el PDMS bien mezclado en un desecador bajo vacío durante 15 minutos para desgasificar la mezcla y eliminar las burbujas atrapadas.

Mientras se desgasifica la primera tanda de PDMS, mezcle una segunda tanda utilizando 10 gramos de elastómero y 0,5 gramos del agente de curado. Luego, fije el molde maestro que contiene la capa de control en un marco redondo de PTFE de 11 milímetros. Una vez que la mezcla de PDMS en proporción cinco a uno haya sido desgasificada, retírela de la cámara de vacío.

Ahora, vierta la mezcla de cinco a uno de PDMS sobre el molde maestro de la capa de control hasta que la mezcla alcance el nivel de la pared vertical recta del marco de PTFE. Luego, colóquelo en el desecador. Al mismo tiempo, coloque también la mezcla de veinte a uno de PDMS en el desecador y nuevamente aplique vacío.

Desgasifique tanto el molde maestro recubierto como la mezcla de PDMS en una proporción de 20 a 1 durante 30 minutos adicionales. Luego, saque ambos del desecador y coloque el molde maestro de la capa de control en un horno que se haya precalentado a 80 grados Celsius. Mientras se hornea la capa de control, coloque el molde maestro de la capa fluidica sobre un espinador.

Vierta aproximadamente 4 mililitros de la mezcla 20 a 1 de PDMS sobre el molde maestro para la capa fluidica y recubra por centrifugado la oblea durante 40 segundos a 1200 rpm para obtener una capa de 60 micrómetros de espesor. Después de una hora de tiempo transcurrido total, abra el horno, coloque la oblea recubierta por centrifugado junto a la capa de control y hornee ambas juntas durante 15 minutos adicionales a 80 grados Celsius. Luego, después de 75 minutos de tiempo transcurrido total, retire ambas obleas del horno.

Primero, retire la mezcla cinco a uno de PDMS para la capa de control. Corte los chips utilizando una cuchilla de afeitar. Luego, haga los orificios para las entradas usando una punzón de biopsia de un milímetro.

A continuación, utilice cinta adhesiva para eliminar cualquier residuo de los fragmentos cortados de la capa de control. Una vez que los fragmentos estén limpios, use un microscopio estereoscópico para alinear el fragmento de la capa de control encima del molde maestro de la capa fluidica. Luego, vierta y distribuya el PDMS residual alrededor de los fragmentos ensamblados.

Y coloque todo el montaje en un horno a 80 grados Celsius. Hornee los dispositivos ensamblados durante toda la noche. Al día siguiente, retire el ensamblaje curado del horno y déjelo enfriar hasta la temperatura ambiente.

Luego, desprenda el ensamblaje de PDMS del molde maestro de la capa fluidica. Una vez separado del molde maestro, corte los dispositivos fabricados de doble capa con una cuchilla y utilice un punzón de biopsia de 1,5 milímetros para formar las entradas y salidas fluidicas. A continuación, trate las cubreobjetos de vidrio y la capa fluidica del dispositivo ensamblado con una descarga de corona durante un minuto o utilice plasma de oxígeno, y luego una inmediatamente las dos superficies para completar el dispositivo microfluídico.

Coloque las obleas dobles unidas en un horno a 70-80 grados Celsius durante al menos cuatro horas. Con el fin de manipular el régimen de flujo utilizando una bomba de jeringa y un controlador neumático, primero conecte las jeringas previamente cargadas y colocadas en la bomba de jeringa a las entradas fluidicas del dispositivo microfluídico y el sistema del controlador neumático a las entradas de control del dispositivo microfluídico. Para visualizar el flujo, cargue una de las jeringas con un colorante acuoso y hágalo fluir dentro de la cámara a un caudal de 20 microlitros por minuto.

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

Mientras la solución de fundición fluye a través del primer canal, inyecte otro fluido acuoso en el segundo canal de entrada a la misma velocidad de flujo para formar una interfase entre los dos flujos acuosos. Luego cierre la válvula actuándola a tres bares. La actuación de la válvula durante el flujo dual cambia la interfase 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, con el fin de desplazar la interfase entre los dos fluidos. Para visualizar la capacidad de la válvula para atrapar micropartículas, primero prepare una solución acuosa que contenga 10% de micropartículas fluorescentes de poliestireno en peso. Introduzca el fluido cargado con 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. Luego, excite las microesferas fluorescentes utilizando una fuente con una longitud de onda de 488 nanómetros para observarlas mejor. Cuando esté listo, accione la válvula a tres bares para cerrarla.

Obtenga una imagen del área de la válvula para observar varias partículas atrapadas debajo de la válvula y localizadas en la superficie mientras se mantiene el flujo. La inyección de gas a través de los canales en la capa de control comprime la capa de fluido hacia la superficie. Esto puede utilizarse para desviar los fluidos alrededor de la región controlada por el actuador, indicada aquí por la ausencia de un colorante rodamina.

Estos actuadores neumáticos también pueden utilizarse para atrapar partículas o células, como estas micropartículas fluorescentes que fueron retenidas en la superficie del microcanal. Otra característica de este dispositivo es su capacidad para atrapar polímeros de coordinación generados por NC2 mediante la activación de la jaula neumática. Para esta configuración se utilizan dos flujos de reactivos y tiene lugar una reacción química controlada en la interfase de los dos líquidos en flujo laminar.

Una vez atrapados, los polímeros de coordinación pueden tratarse químicamente de manera controlada empleando las válvulas neumáticas. Si está viendo este video, debería tener un buen conocimiento sobre cómo fabricar eficazmente un dispositivo microfluídico de doble capa que pueda utilizarse para llevar a cabo reacciones químicas controladas sobre diversas estructuras tubulares. Al intentar este procedimiento, es importante ceñirse al marco de tiempo y a la temperatura indicados en el presente protocolo.

De lo contrario, su esfuerzo podría llevar a la fabricación de dispositivos no unidos o defectuosos y, por lo tanto, no funcionales. Tras su desarrollo, esta técnica allana el camino para que los investigadores en el campo de la ciencia de materiales exploren diversos tipos de tratamientos químicos controlados dentro de tubos con alta precisión mediante una plataforma microfluídica de doble capa.