Name: Jaulas neumáticas de microfluidos: Un nuevo enfoque para In-chip de cristal reventado, manipulación y tratamiento químico controlado (Video) | JoVE Journal
Uploaded: 2016-07-12T15:00:00.000+00:00
Duration: 9 min 34 s
Description: Aprende a fabricar dispositivos microfluídicos de doble capa con PDMS para atrapar materiales moleculares cristalinos y controlar reacciones químicas en chip. Este método permite estudiar tratamientos químicos dinámicos con precisión.

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Los autores desean agradecer el apoyo financiero de la Fundación Nacional Suiza para la Ciencia (SNF) a través del proyecto n.º 200021_160174.

Nota: Dos capas de un dispositivo de microfluidos de doble capa están diseñados usando un software de dibujo, por ejemplo, AutoCAD y se imprimen para formar máscaras de vídeo de alta resolución, con un límite de precisión característica de 5 micras. moldes maestros son creados por SU-8 litografía en 4 obleas de silicio &quot;, lo que permite la producción de estructuras 50 m de altura. 1. Maestro del molde de fabricación Uso de SU-8 Fotolitografia <ol><li> Colocar la oblea de silicio sobre una placa caliente a 200 ° C durante 10 minutos para deshidratar. Nota: oblea de silicio deshidratación proporciona un mejor contacto y asegura la difusión de la SU-8 fotorresistente durante la etapa de recubrimiento por centrifugación. </li><li> Se enfría la oblea deshidratado a temperatura ambiente durante un período de 3 min. </li><li> Cargar la oblea en una recubridora de rotación y el depósito 4 ml de SU-8 fotorresistente (aproximadamente 1 ml de SU-8 por pulgada de sustrato) en el centro de la oblea. <ol><li> En primer lugar, difundir la depositado SU-8 lentamente en 500 Revolutions por minuto (rpm) durante 10 s. una velocidad de rotación de ese tipo asegura que la cobertura de SU-8 se incrementa sobre toda la superficie de la oblea. </li><li> En segundo lugar, controlar el espesor de la SU-8 haciendo girar el sustrato a velocidades más altas. En los experimentos actuales, utilice una velocidad de giro de 3.000 rpm durante 30 segundos para generar SU-8 cuenta con 50 m de altura. </li></ol></li><li> Limpiar el cordón de borde de la oblea cuidadosamente con una toallita de algodón mientras que hace girar a un régimen de revoluciones bajo (típicamente 100 rpm). </li><li> Calentar la oblea spin-revestido sobre una placa caliente a 95 ° C durante 15 min para eliminar el disolvente residual de la SU-8 (es decir, &quot;bake suave&quot;). Nota: La presencia de patrones o &quot;arrugas&quot; en la capa de resistir indica la eliminación incompleta de disolvente. </li><li> Se enfría la oblea al horno de nuevo a temperatura ambiente y en contacto con la cara impresa emulsión de la fotomáscara con la oblea antes de la exposición. </li><li> A su vez en la unidad de lámpara UV y la exposición y dejar que el sistema se estabilice durante un período de 10 men. Medir la intensidad de la lámpara a 365 nm utilizando un UV-optómetro, y estimar el tiempo de exposición requerido (según el tiempo de exposición a la energía = / intensidad a 365 nm). Nota: La energía de exposición en los experimentos actuales se calculó en 250 mJ / cm2. </li><li> Exponer la máscara fotográfica sobre la oblea mediante revestimiento por centrifugación a luz UV durante el tiempo estimado en el paso anterior. A continuación, exponer el 79,6 seg. </li><li> Inmediatamente después de la exposición, hornear la oblea expuesta sobre una placa caliente a 65 ° C durante 1 min, y posteriormente a 95 ° C durante 5 min. En este paso, la reacción se inicia por -light UV y completó después de la cocción. </li><li> Deja la oblea de post-horneado que se enfríe a temperatura ambiente durante un período de 3 min. </li><li> Desarrollar el SU-8 no reticulado en la oblea por disolución en el revelador SU-8 sobre 8 min. Para asegurar la eliminación completa de no reticulado SU-8, dividir el proceso en dos pasos. <ol><li> En la primera, sumerja la oblea en la solución de revelado durante 5 minutos, remover la mayoría de los no reticulado SU-8. </li><li> A continuación, sumerja la oblea en una solución fresca de revelador durante 3 minutos para disolver el restante no reticulado SU-8 (típicamente atrapado entre las estructuras reticuladas). </li></ol></li><li> Enjuague la oblea desarrollado con isopropanol y se dejó que la oblea que tiene estructuras modeladas (en lo sucesivo, &quot;molde maestro&quot;) se destacan a secarse. La observación de un residuo lechoso a enjuagar el molde maestro indica que el desarrollo es incompleto. </li><li> Calentar el molde maestro se secó sobre una placa caliente a 200 ° C durante 2-5 min a &quot;hornear duro&quot; el sustrato y recocido posibles grietas en la capa protectora. </li><li> Deje que el molde maestro fabricado se enfríe a temperatura ambiente. </li><li> Colocar el molde maestro en un desecador (conectado a una bomba de vacío) dentro de una campana de humos. </li><li> Verter 100 l de cloruro de trimetilsililo (TMCS) en un vaso de precipitados de vidrio y colocar esta en el interior del desecador. PRECAUCIÓN: TMCS es inflamable, corrosive y tóxicos; por lo tanto, los pasos de manipulación deberán llevarse a cabo bajo una campana de extracción, con el usuario con guantes de protección, gafas y una bata de laboratorio. </li><li> Ponga el desecador al vacío y esperar por lo menos 1 hora para permitir que el vapor TMCS para depositar sobre la superficie del molde maestro. </li><li> Después de 1 hr, se equilibre lentamente la presión dentro de desecador y abierto a la atmósfera. PRECAUCIÓN: No respirar directamente sobre el desecador abierta. </li><li> Retire el maestro silanizada y cerrar el desecador. </li></ol> 2. La fabricación de doble capa dispositivos de microfluidos Nota: El protocolo es particularmente sensible al tiempo y la temperatura. El incumplimiento de las que el marco de tiempo y temperatura puede conducir a la fabricación de dispositivos no-consolidado, y por lo tanto, no funcionales. <ol><li> Verter una mezcla de PDMS elastómero y agente de curado (5: 1 en peso) en un plato de pesaje desechable y completamente de la mezcla con una espátula de plástico. En el presente experimentos, usar 50 g de elastómero y 10 g de agente de curado para formar una capa de PDMS aproximadamente 5 mm de altura 19,26. </li><li> Coloque el PDMS bien mezclados en un desecador al vacío para desgasificar y eliminar las burbujas atrapadas durante 15 minutos. </li><li> Mezclar PDMS elastómero y agente de curado (20: 1 en peso) en un plato de pesaje desechable (por ejemplo, 10 g de elastómero y 0,5 g de agente de curado) 19,26. </li><li> Fijar el molde &quot;capa de control&quot; maestro en un marco (en los experimentos actuales, un politetrafluoroetileno (PTFE) de circunvalación alrededor de 11 mm). </li><li> Después de 15 min, colocar la mezcla 20: 1 de PDMS en el desecador al vacío para la desgasificación. </li><li> Al mismo tiempo que la etapa anterior, sacar la mezcla 5: 1 de PDMS del desecador y verter esta sobre el molde maestro &quot;capa de control&quot; que se encuentra dentro del marco de la ronda. Coloque el marco que contiene el PDMS y molde maestro en el desecador al vacío también. Mantenga el PDMS excedente. </li><li> Después de 45 min (y 30 minutos después de putting tanto PDMS mezclas en el desecador), tome ambas mezclas PDMS fuera del desecador y coloque el marco que contiene 5: 1 PDMS y el molde maestro &quot;capa de control&quot; en un horno a 80 ° C. </li><li> Al mismo tiempo, comenzarán a girar capa de la &quot;capa fluida&quot; molde maestro con la mezcla 20: 1 de PDMS. La velocidad de rotación de recubrimiento por rotación se determina basándose en la altura deseada, y se ha informado en otra parte 27. Trate de terminar capa de la vuelta a los 60 minutos y mantener el PDMS residuales. </li><li> Después de 60 minutos, poner el molde maestro giro &quot;de la capa fluida&quot; revestido con 20: 1 de PDMS en un horno a 80 ° C. </li><li> A los 75 minutos, tomar los dos moldes maestros fuera del horno. </li><li> Despegue solamente las 5: 1 PDMS de la &quot;capa de control&quot; maestro molde, trocea el sustrato con una cuchilla y ponche de los agujeros para las capas de control con un golpeador biopsia de 1 mm en las posiciones ensenadas determinados en el diseño. Aquí, la capa de control es de 24 mm de longitud y 24 mm de ancho. </li><li> Retire restos de virutas en dados con cinta adhesiva. </li><li> Ensamblar a mano los cubitos y puñetazos fichas capa de control en la parte superior del 20: 1 de giro PDMS recubierto en el molde maestro &quot;de la capa fluida&quot; utilizando un microscopio estereoscópico con la magnificación de 500X (Figura 1). </li><li> Verter y sacar las PDMS residuales alrededor de los chips montados para hacer una capa de PDMS más grueso y por lo tanto facilitar la eliminación de las capas de fluidos y de control unidos al final. </li><li> Coloque la &quot;capa fluídica&quot; molde maestro que contiene los dos dispositivos de la capa en un horno a 80 ° C y almacenar durante la noche. </li><li> Al día siguiente, tomar el conjunto de curado del horno y dejar que se enfríe a temperatura ambiente. </li><li> Retire el conjunto de PDMS del molde maestro &quot;de la capa fluida&quot;, dados los dispositivos fabricados de doble capa con una cuchilla (24 mm de ancho y 24 mm de ancho) y ponche de entradas / salidas de fluidos con un golpeador biopsia de 1,5 mm. </li><li> Tratar la superficie de los chips con open canales y cubreobjetos de vidrio (24 mm x 40 mm) con una descarga de corona y de inmediato Bond juntos. Tratar a moviendo la descarga de corona sobre la losa y vidrio cubreobjetos PDMS más de 1 min. Como alternativa, utilizar un sistema de plasma de sobremesa para facilitar la unión. </li><li> Guarde los chips de doble capa unidas en un horno a 70-80 ° C durante al menos 4 horas. </li></ol> 3. Ensamblaje del sistema de microfluidos <ol><li> Después de que el dispositivo de microfluidos se ha montado, conecte las entradas de la capa de fluidos del chip a los depósitos de fluidos (jeringas) utilizando tubos de politetrafluoroetileno (PTFE) (0,8 mm de diámetro interno). </li><li> Conectar la fuente de suministro de presión a las entradas de la capa de control a través de un tubo de goma de silicona y conectores metálicos que tienen un diámetro externo de 1,6 mm. </li><li> Abrir y cerrar las válvulas mediante la aplicación de aire a presión a 3 bar utilizando una fuente de presión que se acciona manualmente. fluidos de suministro a los canales que utilizan una serie de bombas de jeringa controlada por ordenador. </li><li> Visualizar el accionamiento de las válvulas y el funcionamiento del dispositivo con una cámara de alta resolución montada en un microscopio invertido. Utilice 5X a 63X aumentos. </li></ol> 4. La manipulación del régimen de flujo laminar por la jaula de actuación neumática Nota: La capa de fluido consta de dos canales convergentes de entrada, que son 150 micras de ancho, a un canal principal más ancha de 300 micras de ancho. Y la capa de control tiene una serie de válvulas rectangulares idénticos (250 m × 200 m) que se encuentran en la parte superior del canal fluídico principal. <ol><li> Una vez que la configuración está conectado a la bomba de jeringa y los sistemas de controlador neumático, introducir un flujo de colorante acuosa a través de uno de los canales de entrada en la velocidad de flujo de 20 l / min. </li><li> Cierre la válvula accionando que a 3 bar. </li><li> Tenga en cuenta que el líquido todavía puede fluir alrededor de la válvula. Esta característica es importante en el logro de tratamiento químico controlado de estructuras atrapadas 18,25 &lt;/ Sup&gt;. </li><li> Abrir la válvula de liberación de la presión. </li><li> Mientras que la solución de colorante fluye a través del primer canal, inyectar otro fluido acuoso en el segundo canal de entrada a 20 l / min. Una interfaz entre dos flujos acuosos se forma debido al régimen de flujo laminar presente en el dispositivo de microfluidos. </li><li> Cierre la válvula accionando que a 3 bar. En este caso, el accionamiento de la válvula cambia la interfaz de los dos flujos acuosos; un resultado que se puede utilizar para modificar la ruta sintética durante la formación de un CP (vide infra) 18,28. </li><li> Cambiar los caudales de fluido a 30 l / min y 10 l / min y observar el abajo o hacia arriba con desplazamiento guiado de la interfaz generada entre los dos fluidos. </li></ol> 5. La localización de micropartículas <ol><li> Conectar el chip de doble capa fabricada a la bomba de jeringa y sistemas de control neumáticos. </li><li> Preparar una solución acuosa que contiene 10 wt.% De poliestirenopartículas fluorescentes (5 m de diámetro, la excitación y el máximo de emisión a 468 nm y 508 nm, respectivamente). </li><li> Utilice fuente de excitación de láser que opera a una longitud de onda de 488 nm. </li><li> Introducir el líquido cargado de partículas en los dos canales de entrada a un caudal total de 20 l / min. </li><li> Espere durante 2 minutos hasta que se establezca un flujo estable. </li><li> Accionar la válvula a 3 bar para cerrarla. Varios partículas serán atrapados debajo de la válvula y localizadas en la superficie, mientras que el flujo se mantiene. </li></ol> 6. Generación y reducción controlada de un polímero de coordinación (CP) <ol><li> Preparar una solución acuosa 2,5 mM de nitrato de plata (AgNO3). </li><li> Preparar una solución acuosa 2,5 mM de cisteína (Cys). </li><li> Preparar una solución de ácido ascórbico saturado en etanol 18. </li><li> Usar el mismo chip de doble capa e inyectar los dos reactivos en los dos canales de entrada (un reactivo por entrada) cada uno a una velocidad de flujo de50 l / min. </li><li> Observar la formación de plata y CPs cisteína (Ag (I) Cys) en la interfase de dos vapores co-fluye. </li><li> Accionar la válvula en 3 bar controlar la Ag (I) formado Cys CPs debajo de la válvula. </li><li> agua destilada Flush en los canales de entrada a un caudal de 50 l / min para lavar los reactivos excedentes utilizados durante el proceso sintético. </li><li> Liberar la presión y abrir la válvula. Los CPs generados permanecen debajo de la válvula en condiciones de flujo detenido. </li><li> Con el fin de llevar a cabo una reducción química controlada de atrapado Ag (I) Cys CPs, liberar la presión de la válvula a 1 bar y lavar la solución de ácido ascórbico saturado en etanol a una velocidad de flujo de 10 l / min. </li><li> Observar un cambio de color claro que se atribuye a la reducción de Ag (I) a plata metálica (Ag (0)) por el ácido ascórbico 18. </li></ol>

<ol><li><a target="_blank" href="http://scholar.google.com/scholar?hl=en&safe=off&q=%22Nicolet+iS5+User+Guide%22">Nicolet iS5 User Guide</a>. , (2015).</li>
</ol>

Los autores no tienen nada que revelar.

El enfoque informado se puede modificar fácilmente para fabricar diferentes formas de válvulas para permitir otras aplicaciones, como el confinamiento de fluidos. De hecho, la flexibilidad de este protocolo también permite modificar el grosor de la capa inferior y, por lo tanto, de la membrana PDMS, de un par de decenas a unos pocos cientos de micras para cumplir con cualquier aplicación de interés. Además, las dimensiones de las estructuras en cada capa del dispositivo se pueden optimizar para la aplicación deseada y se pueden lograr varias alturas de estructuras en los moldes maestros simplemente girando la fotorresistencia a diferentes velocidades. Girar la fotorresistencia a una velocidad más alta da como resultado estructuras más delgadas. 
Para implementar mejor el protocolo, un entorno de sala limpia para la fabricación de los moldes maestros es sustancialmente esencial; de lo contrario, el procedimiento de fabricación dará lugar a moldes maestros defectuosos y, por lo tanto, a dispositivos microfluídicos inutilizables. En este protocolo se deben destacar dos aspectos críticos: i) la temperatura constante del horno que debe ajustarse a 80 °C y ii) el período de tiempo programado entre procesos que debe cumplirse con precisión. Cualquier modificación de la temperatura y el marco de tiempo en el protocolo podría conducir a chips no unidos y, por lo tanto, a dispositivos no funcionales.
Las condiciones "libres de turbulencia" típicas en los sistemas microfluídicos se han empleado recientemente para la generación de microestructuras o materiales moleculares dentro de30 y fuera de chips microfluídicos de una sola capa31. En los chips microfluídicos de doble capa, el régimen de flujo laminar y, por lo tanto, la interfaz generada entre los coflujos continuos se puede manipular utilizando jaulas neumáticas18,28. Estos dispositivos también proporcionan un control efectivo sobre la vía sintética, lo que a su vez conduce a una localización precisa y atrapamiento en las superficies18. 
Como se mencionó anteriormente, la actuación neumática en chips microfluídicos de doble capa se ha empleado anteriormente para diversas aplicaciones, como la captura de células20, los estudios de actividad enzimática21 y la cristalización de proteínas24. Sin embargo, el objetivo principal del enfoque informado es proponer una plataforma que se utilizará para atrapar y dirigir la vía de coordinación de un material molecular cristalino y controlar las reacciones químicas en estructuras atrapadas en chip18,25. 
El método descrito no solo permite atrapar estructuras anisotrópicas, sino que también se puede utilizar para localizar partículas en superficies. Los estudios futuros pueden dirigirse eficazmente hacia el diseño de nuevas formas de válvulas para su aplicación adicional en biología, ciencia de materiales y tecnologías de sensores. La combinación de diferentes formas de válvulas, así como alturas de canal y espesores de membrana alterados, se puede emplear para cumplir con aplicaciones específicas, como estudios químicos basados en la mezcla de difusión y la localización del crecimiento del material.
Otra aplicación de las plataformas microfluídicas descritas es el dopaje químico controlado de cristales, que puede conducir a una formación racionalizada de interfaces en estructuras cristalinas19. Este enfoque también proporciona una amplia gama de tratamientos posteriores de estructuras atrapadas en chip; una metodología que sin duda abrirá nuevos horizontes en la ingeniería de materiales.
Es importante subrayar que el número de tecnologías que permiten reacciones químicas controladas en condiciones dinámicas y sobre materia cristalina es muy limitado en la actualidad, lo que hace que este enfoque sea muy atractivo en los campos relacionados con los materiales. Sin embargo, una limitación importante de esta tecnología es el uso de PDMS. El elastómero PDMS es incompatible con muchos disolventes orgánicos, lo que limita el número de reacciones que se pueden realizar dentro de estos chips microfluídicos. En el futuro, el desarrollo de otros elastómeros que puedan tolerar y ser estables frente a un número más amplio de disolventes orgánicos será muy necesario para ampliar este campo de investigación a otros materiales y productos químicos.

Materiales moleculares durante mucho tiempo han sido estudiados en la comunidad científica debido a su amplio número de aplicaciones en campos como la electrónica molecular, la óptica y sensores 1-4. Entre estos, los conductores orgánicos son una clase especialmente interesante de materiales moleculares debido a su papel central en las pantallas flexibles y dispositivos funcionales integradas 5,6. Sin embargo, las metodologías que se utilizan para permitir el transporte de carga electrónica en los materiales de base molecular se limitan a la formación de complejos de transporte de carga (CTC) y las sales de transporte de carga (CTSS) 7-10. Con frecuencia, los CTC y las CTSs son generados por métodos electroquímicos o por reacciones químicas redox directos; procesos que obstaculizan una transformación controlada de donantes o aceptores restos de arquitecturas más complejas en las que la multifuncionalidad puede ser concebido. En consecuencia, la elucidación de nuevos métodos sistemáticos para la generación y manipulación de molecular-base controlablemateriales D sigue siendo un reto importante en los campos de la ciencia de los materiales y la ingeniería molecular, y si tiene éxito, sin duda, dará lugar a nuevas funciones y nuevas aplicaciones tecnológicas. En este contexto, las tecnologías de microfluidos recientemente se han utilizado para sintetizar materiales de base molecular debido a su capacidad de controlar el calor y la transferencia de masa, así como el volumen de reacción de difusión de los reactivos durante un proceso sintético 11,12. En pocas palabras, en flujos continuos y en bajos números de Reynolds de una interfaz estable entre dos o más corrientes de reactivo se puede lograr, lo que permite la formación de una zona de reacción bien controlada dentro de la trayectoria de flujo, donde la mezcla sólo se produce a través de la difusión 13-16. De hecho, hemos empleado previamente flujos laminares para localizar la ruta sintética de los materiales moleculares cristalinos tales como polímeros de coordinación (CPs) dentro de los canales de microfluidos 17. Aunque esta metodología ha demostrado gpromesa randes en la realización de nanoestructuras novela CP, la integración directa de este tipo de estructuras en las superficies, así como el tratamiento químico controlado después de su formación aún tiene que ser realizado in situ 18. Para superar esta limitación, se ha demostrado recientemente que el accionamiento de las jaulas de microfluidos neumáticos (o válvulas) incorporados en dispositivos de microfluidos de dos capas se puede utilizar ventajosamente a este respecto. Desde el trabajo pionero del grupo 19 de Quake, válvulas neumáticas de microfluidos con frecuencia se han utilizado para la captura de una sola célula y el aislamiento 20, las investigaciones de actividad enzimática 21, la captura de pequeños volúmenes de fluido 22, la localización de materiales funcionales en las superficies 23 y cristalización de proteínas 24. Sin embargo, hemos demostrado que los dispositivos de microfluidos de doble capa pueden utilizarse para atrapar, localizar e integrar formada in situ de estructuras para leer los componentes y en las superficies 18. Además, también hemos demostrado que esta tecnología se puede utilizar para llevar a cabo tratamientos químicos controlados en las estructuras atrapados, lo que permite tanto, &quot;microfluidos intercambio de ligandos asistida&quot; 18 y controlado dopaje química de cristales orgánicos 18,25. En ambos casos, las CTC se podrían sintetizar en condiciones controladas de microfluidos, y en el más reciente estudio, la multifuncionalidad podrían describirse en la misma pieza de material. En este documento, se demuestra el funcionamiento de los dispositivos de microfluidos de doble capa que emplean flujos de colorantes cargados, generar y controlar la vía de la coordinación de un CP, así como su localización en la superficie de un canal de microfluidos y, finalmente, evaluamos controlado tratamientos químicos sobre el chip estructuras atrapado.

<table><tbody><tr><td>Máscaras de película de alta resolución</td><td>Microlitho, Reino</td> <td>Unido-Características</td> <td>hasta 5 &#956; m</td></tr><tr><td>SU8 fotorresistente</td><td>MicroChem Corp., EE. UU.</td><td>SU8-3050-Obleas</td><td></td></tr> <tr><td>de silicio</td> Silicon <td>Materials Inc., Alemania</td><td>Obleas de silicona de 4"</td><td>Superficie frontal: pulida, Superficie posterior: grabada</td></tr><tr><td>KIT de elastómero de silicona (PDMS)</td><td>Dow Corning, EE. UU</td>. <td>Sylgard&reg; 184-Spinner</td><td></td></tr> <tr><td></td><td>Suiss MicroTech, Alemania</td><td>Delta 80 spinner</td><td>-</td></tr><tr><td>Optómetro UV</td><td>Gigahertz-Optik Inc., EE. UU.</td> Alineador <td>de máscara X1-1</td><td></td></tr> <tr><td>Suiss MicroTech, Alemania</td><td>Karl Suss MA/BA6&nbsp;</td><td></td><td>-</td></tr><tr><td>Revelador SU8</td><td>Micro resist technology GmbH, Alemania</td><td>mr-Dev 600-Cloruro</td> <td>de</td></tr> <tr><td>trimetilsililo&nbsp;</td><td>Sigma-Aldrich, Suiza</td><td>386529</td><td>&ge; 97%, PRECAUCIÓN: Manéjelo solo debajo de la campana extractora.</td></tr><tr><td>Perforadora de biopsia</td><td>Miltex GmBH, Alemania</td><td>33-31AA-P/25</td><td>1 mm</td></tr><tr><td>Perforadora de biopsia</td><td>Miltex GmBH, Alemania</td><td>33-31A-P/25</td><td>1,5 mm</td></tr><tr><td>Cubreobjetos de vidrio</td><td>Menzel-Glaser, Alemania</td><td>BB024040SC</td><td>24 mm &times; 60 mm, #5</td></tr><tr><td>Laboratorio Corona Treater</td><td>Electro-Technic Products, EE. UU</td><td>. BD-20ACV&nbsp;</td><td>-</td></tr><tr><td>Tubo de PTFE</td><td>PKM SA, Suiza</td><td>AWG-TFS-XXX</td><td>AWG 20TFS, rollo de 100&nbsp; m</td></tr><tr><td>Tubo de caucho de silicona</td><td>Hi-Tek Products,</td> <td>UK-1</td> <td>mm I.D.</td></tr><tr><td>Bombas de jeringa neMESYS</td><td>Cetoni GmbH, Alemania</td><td>Baja presión (290N)</td><td>-</td></tr><tr><td>Cámara de alta resolución</td><td>Zeiss, Alemania</td><td>Axiocam MRc</td><td></td></tr> <tr><td>5-Microscopio fluorescente invertido</td><td>Zeiss, Alemania</td><td>Axio Observer A1</td><td>Operable en dos longitudes de onda, i.e., 350 nm y 488 nm</td></tr><tr><td>Partículas fluorescentes de poliestireno verde</td><td>Fisher Scientific, Suiza</td><td>11523363</td><td>Tamaño: 5.0 &#956; m, contenido sólido: 1%</td></tr><tr><td>Nitrato de plata (AgNO3)</td><td>Sigma-Aldrich, Suiza</td><td>209139</td><td>&ge; 99,0%</td></tr><tr><td>L-cisteína (Cys)</td><td>Sigma-Aldrich, Suiza</td><td>W326305</td><td>&ge; 97.0%</td></tr><tr><td>Plato de pesaje desechable</td><td>Sigma-Aldrich, Suiza</td><td>Z154881</td><td>L &times; W & veces; H : 86&nbsp; mm y tiempos; 86 y nbsp; mm y tiempos; 25&nbsp; mm</td></tr><tr><td>Plato de pesaje desechable</td><td>Sigma-Aldrich, Suiza</td><td>Z708593</td><td>Hexagonal, tamaño XL</td></tr><tr><td>Espátula de plástico</td><td>Semadeni, Suiza</td><td>3340</td><td>L &times; W : 135 mm x 14 mm</td></tr><tr><td>Tinte, Bemacron ROT E-G</td><td>Bezema, Suiza</td><td>BZ 911.231</td><td></td></tr><tr><td>Microscopio estereoscópico</td> rojo <td>Wild Heerbrugg, Suiza</td><td>Wild M8</td><td>Aumento de 500x</td></tr><tr><td>Bisturíes desechables</td><td>B. Braun, Suiza</td><td>233-5320</td><td>Nr. 20 L-Ácido</td></tr><tr><td>ascórbico</td><td>Sigma-Aldrich, Suiza</td><td>A4403</td><td>-</td></tr></tbody></table>

jaulas neumáticas de microfluidos: un nuevo enfoque para in-chip de cristal reventado, manipulación y tratamiento químico controlado

Microfluidic Pneumatic Cages: A Novel Approach for In-chip Crystal Trapping, Manipulation and Controlled Chemical Treatment

La localización precisa y el tratamiento químico controlado de las estructuras en una superficie son desafíos importantes para las tecnologías de laboratorio comunes. Aquí, presentamos una tecnología basada en microfluídica, empleando un dispositivo microfluídico de doble capa, que puede atrapar y localizar estructuras sintetizadas in situ y ex situ en superficies de canales microfluídicos. De manera crucial, mostramos cómo se puede usar un dispositivo de este tipo para llevar a cabo reacciones químicas controladas en estructuras atrapadas en chip y demostramos cómo la vía sintética de un material molecular cristalino y su posicionamiento dentro de un canal microfluídico se pueden modificar con precisión con esta tecnología. Este enfoque proporciona nuevas oportunidades para el ensamblaje controlado de estructuras en superficie y para su posterior tratamiento.

Los dispositivos de microfluidos doble capa consisten en dos chips de microfluidos unidos estructurados de PDMS como se muestra en la Figura 1. La primera capa, que es al mismo tiempo unido a una superficie, se utiliza para fluir fluidos (capa de fluido), mientras que la segunda capa, que está unido directamente a la primera capa de PDMS, se utiliza para flujo de gas (capa de control). <img alt="Figura 1" src="/files/ftp_upload/54193/54193fig1.jpg" /> Figura 1.-capa Doble dispositivo de microfluidos. (A) Representación esquemática y (B) micrografía del dispositivo de microfluidos de doble capa utilizada en nuestras investigaciones. <a href="https://www.jove.com/files/ftp_upload/54193/54193fig1large.jpg" target="_blank">Haga clic aquí para ver una versión más grande de esta figura.</a> La inyección de gas a través de canales enla capa de control exprime la capa de fluido hacia la superficie (Figura 2A y la Figura 2B), lo que permite la captura y la localización de las estructuras en la superficie del canal microfluídico. PDMS accionamiento de membrana se puede utilizar para generar jaulas neumáticas y / o micro-válvulas que son controlados por un controlador de neumático. Como los modelos ejemplares de accionamiento de la membrana, se muestra cómo la desviación completa de la capa de fluido evita un flujo de colorante cargado a circular por debajo de la válvula después de su accionamiento (Figura 2C) y la captura de micropartículas fluorescentes en la superficie de microcanal (Figura 2D y 2E) . <img alt="Figura 2" src="/files/ftp_upload/54193/54193fig2.jpg" /> Figura 2. Membrana de accionamiento y la captura de las estructuras. (A) lateral y (B) vista superior ilustraciones que muestran ser el dispositivo microfluídico de doble capaproa (parte superior) y después (abajo) de accionamiento de la válvula neumática. (C) Las micrografías de un dispositivo para microfluidos de doble capa antes (parte superior) y después de exprimir de la capa de fluido (parte inferior). En el panel inferior, la capa de fluido se llena con una solución acuosa de colorante rodamina para una mejor percepción de la actuación de la membrana. (D) Las micrografías de campo brillante de un dispositivo para microfluidos de doble capa antes (parte superior) y después (parte inferior) de accionamiento de la válvula con un partículas fluorescentes que fluyen solución acuosa que contiene de poliestireno (10 wt.%). Imágenes (E) fluorescentes de las imágenes de microscopio óptico mostrado en la D. <a href="https://www.jove.com/files/ftp_upload/54193/54193fig2large.jpg" target="_blank">Por favor, haga clic aquí para ver una versión más grande de esta figura.</a> La figura 3A ilustra la captura de CPs generado in situ dentro de un dispositivo de microfluidos de doble capa a través de actuation de una jaula de neumático. Observe que se genera una nueva vía de coordinación después de la actuación de la primera válvula. El accionamiento de la válvula asegura la captura de la Ag (I) Cys CP generada en la interfaz de las dos corrientes de reactivo y facilita la formación de una nueva vía de coordinación (Figura 3A). Una caracterización química detallada de la Ag (I) Cys CP generada en la interfaz de las dos corrientes de reactivo se puede encontrar en estudios previos 17,18. Además, y después de la eliminación del excedente Reactivos de soluciones con un flujo de agua pura (Figura 3B), una solución de ácido ascórbico saturado en etanol se puede añadir al canal de microfluidos para la reducción química controlada de on-chip estructuras atrapados (Figura 3C). La reducción de la presión de la válvula de 3 bares a 1 bar está a favor de un tratamiento químico controlado de los atrapados CP Ag (I) Cys debajo de la zona de apriete 18. El cambio de color de las PC Ag (I) Cys atrapados a marrón oscuro es unattributed a la reducción de la plata monovalente al metal, de acuerdo con observaciones anteriores 18,29. <img alt="figura 3" src="/files/ftp_upload/54193/54193fig3.jpg" /> Figura 3. El reventado de Ag (I) Cys CPs y reducción química controlada. (A) imagen de microscopio óptico que muestra la captura de un in situ sintetizado Ag (I) Cys CP y la generación de una nueva vía de coordinación. (B) Micrografía de CPs atrapado debajo de la zona de apriete después de la eliminación de las soluciones de reactivos excedentes con un flujo de agua, y en (C), micrografía de la misma micro-válvula después de que el proceso de reacción de reducción. <a href="https://www.jove.com/files/ftp_upload/54193/54193fig3large.jpg" target="_blank">Haga clic aquí para ver una versión más grande de esta figura.</a>

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.

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

The precise localization and controlled chemical treatment of structures on a surface are significant challenges for common laboratory technologies. ...

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.

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Jaulas neumáticas de microfluidos: Un nuevo enfoque para In-chip de cristal reventado, manipulación y tratamiento químico controlado (Video) | JoVE Journal

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