Développement d'un périphérique 3D graphène électrode diélectrophorétiques

Ce protocole décrit les procédures permettant de fabriquer un papier de graphène stratifié en 3D, un microdispositif électrode, ainsi que les méthodes expérimentales pour manipuler des billes polyétoilées ou des cellules biologiques par électrophorèse DI ou par DEP à l’intérieur du dispositif. À partir de maintenant, nous désignerons la diélectrophorèse par l’abréviation DEP. La fabrication des dispositifs consiste à empiler alternativement des couches de papier de graphène de 50 microns et N moins une couches de ruban polymère sensible à la pression de 100 microns, produisant ainsi des électrodes demi-signal et demi-masse.

Les couches sont pressées ensemble, puis dégrossies, avant que le puits microscopique ne soit percé à travers la structure. Enfin, deux fils en cuivre sont fixés aux deux extrémités du dispositif à l’aide d’un époxy conducteur argenté. La deuxième étape consiste à préparer le milieu de DEP avec la conductivité souhaitée.

Les billes polymères sont ensuite suspendues dans cette solution à un certain rapport volumétrique. La troisième et dernière étape consiste à charger l'appareil avec la suspension de billes préparée, à le monter sur la platine du microscope, à relier l'appareil à un générateur de fonctions, puis à déclencher éventuellement la DEP. Enfin, utiliser le microscope pour enregistrer les réponses de la DEP et étudier les propriétés des cellules ou des particules par une analyse ultérieure.

Le graphène est un matériau polyvalent utilisé pour sa résistance ainsi que pour ses propriétés thermiques et électriques. Ce protocole utilise un papier de graphène peu coûteux comme couche d'électrode conductrice dans un microdispositif tridimensionnel diélectrophorétique capable de distinguer des particules et des cellules pour des applications telles que le typage sanguin ou le diagnostic médical de cellules malades. Les avantages de ce microdispositif à électrodes en papier de graphène comprennent une fabrication plus simple, une plus grande capacité thérapeutique des échantillons et une grande versatilité géométrique.

Le champ électrique non uniforme en 3D peut manipuler de grands volumes d'échantillons à l'aide de forces DP qui sont uniques par leur capacité à distinguer les particules et cellules polarisables selon leurs propriétés chimiques et morphologiques intrinsèques. Assemblez le dispositif stratifié avec du papier de graphène et du ruban adhésif. Ici, nous utilisons du papier de graphène hydrophobe de 75 microns d'épaisseur provenant d'un fabricant commercial et un ruban adhésif double face sensible à la pression de 100 microns d'épaisseur.

Découpez d'abord le papier de graphène avec une lame chirurgicale et une règle droite en rectangles de 6,7 centimètres sur 1,5 centimètre, puis utilisez des ciseaux pour découper du ruban adhésif double face sensible à la pression en cinq bandes de 1,3 centimètre sur environ cinq centimètres. Placez la première couche de papier de graphène sur une lame de verre propre. Recouvrez lentement une extrémité du papier de graphène avec une bande de ruban, en laissant une marge d'environ deux millimètres pour assurer une isolation entre deux couches adjacentes de papier de graphène.

Placer la deuxième couche de papier de graphène sur le dessus du ruban. Décaler par rapport à la première couche de papier de graphène. Appliquer une pression modérée par-dessus pour assurer une bonne adhérence entre les couches.

Répétez les deux étapes ci-dessus pour les couches restantes, en veillant à ce que les couches supérieure et inférieure soient toutes deux en papier de graphène. Utilisez des ciseaux pour retirer l'excédent de ruban adhésif sur les bords du dispositif, en laissant une marge d'environ un millimètre pour garantir une isolation étanche entre les couches de papier de graphène. Effectuez un test rapide d'isolation à l'aide d'un multimètre en positionnant les sondes positive et négative sur les fils électriques situés de part et d'autre du dispositif.

Une résistance élevée d'environ plusieurs centaines de kiloohms indique une bonne isolation entre les couches. La structure stratifiée est désormais prête pour le perçage de micropuits. Nous utilisons un micro-outil et une fraise pour percer un micropuit dans la structure stratifiée.

Ici, nous utilisons une fraise micro et nil de 700 microns de diamètre et d'une longueur de denture proche de 2,1 millimètre. Le choix de la fraise micro nil dépend du diamètre du puits microscopique et de l'épaisseur du dispositif. Immobilisez la structure stratifiée sur le plateau de perçage micro à l’aide de pinces, positionnez précisément la fraise juste au-dessus de la structure à l’aide de commandes informatisées, puis appliquez un flux d’air comprimé sur le dispositif. Mettez la fraise en rotation, puis abaissez lentement la fraise au centre et à travers la structure stratifiée.

S'arrêter à une distance légèrement supérieure à la profondeur de la structure stratifiée afin de garantir une élimination complète des débris du nouveau trou. Déplacer l'outil de fraisage plusieurs fois vers le haut et vers le bas à travers le micropuits pour lisser la paroi intérieure.

La surface intérieure du micropuits doit être aussi verticale et propre que possible pour garantir des gradients de champ électrique optimaux et un bon passage de la lumière à travers le micropuits. Coupez des fils de cuivre standard de calibre 32 en deux morceaux de trois centimètres de longueur et pliez-les à angle droit à deux centimètres. Mélangez manuellement environ 0,75 millimètre de la partie A et environ 0,75 millimètre de la partie B de l'époxy conducteur argenté.

Dans un petit récipient, fixez les fils en appliquant soigneusement de l'époxy argenté sur les extrémités et entre les trois couches de papier de graphène afin d'assurer un bon contact entre les couches. Ensuite, placez le fil d'un centimètre entre deux couches quelconques, puis appuyez doucement sur les couches pour éliminer l'excès d'époxy et garantir un bon contact électrique. Répétez l'opération pour l'autre côté de la structure laminée.

Placer l'appareil entier sur un support et dans un four pour le sécher toute la nuit à 70 degrés Celsius et à une pression atmosphérique. Retirer l'appareil du four et vérifier l'isolation électrique entre les fils des électrodes. Ici, nous préparons des milieux de solution présentant un spectre de conductivités en mélangeant différents rapports de solution de minol préparée à 290 milliosmolaire par litre et de PBS.

Ces solutions simples ont été choisies pour imiter grossièrement le tampon de culture cellulaire. Une corrélation linéaire existe entre le rapport volumétrique de ces deux solutions et la conductivité de la solution résultante. Mélanger les billes de polystyrène ou les cellules biologiques avec le milieu de conductivité préparé selon un rapport volumétrique de un à cent, à l’aide d’une pipette. Ajouter 10 microlitres de billes de polystyrène et un millilitre de solution milieu dans un flacon d’échantillon.

Mélangez soigneusement l'échantillon par vortexage. Fixez l'appareil sur une lame de verre avec une pression modérée à l'aide de pinces en papier modifiées ou d'un équivalent. Le support doit être suffisamment proche du puits microscopique pour sceller la structure laminée à la lame de verre, empêchant toute fuite d'échantillon.

La tension du serre-joint doit être contrôlée afin de ne pas déformer le dispositif, ce qui modifierait négativement la géométrie des puits et le trajet de la lumière. Utilisez un coupe-verre à pointe de diamant pour découper une lame de verre couvre-objet de 0,5 millimètre d'épaisseur, suffisamment large pour couvrir exactement le micro-puits. Découpez le verre couvre-objet à la taille requise et mettez-le de côté. À l’aide de cette micro-seringue, injectez lentement environ un microlitre de la suspension de billes de polystyrène dans le micro-puits. Pour éviter l’introduction de bulles, répétez l’injection si des bulles apparaissent, et faites attention à ne pas endommager les parois du micro-puits avec l’aiguille pointue. Remplissez légèrement le micro-puits au-delà de sa capacité, puis faites glisser immédiatement le couvre-objet préparé sur le micro-puits afin d’éliminer le liquide en excès, de prévenir l’évaporation et de garantir des volumes reproductibles.

Pour chaque expérience, fixez fermement le microdispositif complètement laminé sur la platine du microscope et reliez un générateur de fonctions. Connectez des pinces crocodile aux broches en cuivre du dispositif et ajustez le logiciel du microscope pour régler la mise au point afin de visualiser clairement le puits microscopique. Au centre de l'écran ici, une fréquence de cent hertz à dix mégahertz et une tension de 15 volts.

Des signaux de crête ont été appliqués à l'appareil. Les billes ont été observées dans le micropuits à un grossissement de 10 x, entre 1 et 200 micromètres au-dessus de la surface de la lame de verre. Cliquez sur le bouton pour démarrer l'enregistrement et l'acquisition par la caméra.

Déclenchez le signal du générateur de fonctions deux secondes après le début de l'enregistrement par la caméra. Les images sont enregistrées numériquement à raison d'une à cinq images par seconde pendant environ cinq minutes, en vue d'une analyse ultérieure de l'intensité. À la fin de l'expérience, retirez le dispositif et démontez les pinces.

Nettoyez la lame de verre et le dispositif à l’eau savonneuse. Rincez ensuite abondamment. En l’absence de champ électrique, les particules sédimentent uniquement au fond du dispositif sous l’effet de la gravité. Un champ électrique d’environ un kilohertz entraîne un comportement de DEP positif, signifié par un déplacement le long du gradient de champ vers le papier de graphène.

Des électrodes situées aux bords des micropuits sont observées à des champs électriques supérieurs à 100 kilohertz et s'étendant jusqu'à la gamme des mégahertz. La DEP négative, indiquée par le déplacement des billes vers le bas du gradient de champ électrique en direction du centre du micropuit, est observée. Ce microdispositif à électrodes en papier de graphène 3D a produit des résultats expérimentaux en bon accord avec les comportements prédits théoriquement ainsi qu'avec les résultats expérimentaux rapportés précédemment.

La fabrication de dispositifs est extrêmement polyvalente. Les protocoles fournis peuvent être facilement adaptés à des dispositifs comportant davantage de couches ou d'autres matériaux. Cette vidéo décrit en détail un microdispositif à DEP 3D fabriqué par lots.

Cependant, dans les applications futures, des suspensions de particules ou de cellules pourraient circuler en continu à travers la microcuvette du dispositif afin d'obtenir un débit plus élevé. Le tri par DEP, un exemple de polyvalence, réside dans le fait que le papier de graphène absorbant l'eau pourrait simultanément fonctionner comme électrode et filtre pour des concentrateurs de particules ou de cellules, voire comme capteurs biochimiques électrocinétiques. Après avoir visionné cette vidéo, les spectateurs devraient avoir une bonne compréhension de la fabrication d'un dispositif microélectrode en papier de graphène multicouche, ainsi que du fonctionnement du dispositif pour réaliser des expériences sur des particules ou des cellules.