Sviluppo di un dispositivo 3D grafene elettrodi dielettroforetiche

Questo protocollo illustra le procedure per fabbricare una carta di grafene laminata tridimensionale, un microdispositivo elettrodico e metodi sperimentali per manipolare perline polimeriche o cellule biologiche mediante elettroforesi dielettrica o DEP all'interno del dispositivo. Da questo momento in poi, ci riferiremo alla dielettroforesi come DEP. La fabbricazione dei dispositivi viene realizzata impilando alternativamente strati di carta di grafene da 50 micron e N meno uno strati di nastro polimerico sensibile alla pressione da 100 micron, ottenendo elettrodi per metà segnale e per metà massa.

Gli strati vengono premuti insieme, tagliati e successivamente viene forato un micropozzo attraverso l'intera struttura. Infine, due collegamenti in rame vengono fissati alle due estremità del dispositivo utilizzando una resina epossidica argentata. Il secondo passaggio consiste nel preparare il mezzo dielettroforetico con la conducibilità desiderata.

I microsfera polimerici vengono quindi sospesi in questa soluzione a un determinato rapporto volumetrico. Il terzo e ultimo passaggio consiste nel caricare il dispositivo con la sospensione di microsfere preparata, montarlo sul palchetto del microscopio, collegare il dispositivo a un generatore di funzioni ed infine avviare la DEP. Infine, utilizzare il microscopio per registrare le risposte della DEP e studiare le proprietà delle cellule o delle particelle mediante ulteriori analisi.

Il grafene è un materiale versatile utilizzato per la sua resistenza e per le sue proprietà termiche ed elettriche. Questo protocollo impiega una carta di grafene economica come strato elettrodico conduttivo in un microdispositivo tridimensionale a dielettroforesi in grado di discriminare particelle e cellule per applicazioni come il tipaggio del sangue o la diagnostica medica di cellule malate. I vantaggi di questo microdispositivo con elettrodi in carta di grafene includono una fabbricazione più semplice, una maggiore terapia del campione e una versatilità geometrica.

Il campo elettrico tridimensionale non uniforme può manipolare grandi volumi di campione con forze DP che sono uniche nella loro capacità di distinguere particelle e cellule polarizzabili in base alle loro proprietà chimiche e morfologiche intrinseche. Assemblare il dispositivo laminato con carta di grafene e nastro. Qui utilizziamo una carta di grafene idrofobica spessa 75 micron proveniente da un produttore commerciale e un nastro adesivo doppia faccia sensibile alla pressione spesso 100 micron.

Tagliare innanzitutto la carta di grafene con una lama chirurgica e un righello dritto in rettangoli di 6,7 centimetri per 1,5 centimetro e utilizzare delle forbici per tagliare il nastro adesivo doppia faccia sensibile alla pressione in cinque strisce di 1,3 centimetri per circa cinque centimetri. Disporre il primo strato di carta di grafene su un vetrino pulito. Coprire lentamente un'estremità della carta di grafene con una striscia di nastro, lasciando un margine di circa due millimetri per garantire l'isolamento tra due strati adiacenti di carta di grafene.

Posizionare il secondo strato di carta di grafene sulla parte superiore del nastro. Spostarlo rispetto al primo strato di carta di grafene. Applicare una pressione moderata sulla parte superiore per assicurare un buon contatto tra gli strati.

Ripetere i due passaggi precedenti per gli strati rimanenti, assicurandosi che gli strati superiore e inferiore siano entrambi in carta di grafene. Utilizzare delle forbici per rimuovere il nastro in eccesso dai bordi del dispositivo, lasciando un margine di circa un millimetro per garantire un'isolamento sigillato tra gli strati di carta di grafene. Eseguire un rapido test di isolamento utilizzando un multimetro, posizionando le sonde positiva e negativa sui collegamenti elettrici situati su lati opposti del dispositivo.

Un'elevata resistenza di circa alcune centinaia di chiloomh indica un buon isolamento tra gli strati. Ora la struttura laminata è pronta per la foratura del micropozzo. Utilizziamo un micro e un trapano per forare un micropozzo nella struttura laminata.

Qui utilizziamo una fresa micro e nil con diametro di 700 micron e lunghezza della scanalatura vicina a 2,1 millimetro. La scelta della fresa micro nil è basata sul diametro del micropozzo e sullo spessore del dispositivo. Immobilizzare la struttura laminata sullo stadio di microforatura con morsetti, posizionare la fresa leggermente al di sopra della struttura mediante controlli computerizzati e soffiare aria compressa sul dispositivo. Avviare la rotazione della fresa e quindi abbassarla lentamente al centro e attraverso la struttura laminata.

Fermarsi a una distanza leggermente superiore alla profondità della struttura laminata per garantire la rimozione completa dei detriti dal nuovo foro. Muovere la fresa su e giù più volte attraverso il micropozzo per levigare la parete interna.

La superficie interna del micropozzo deve essere il più verticale e pulita possibile per garantire gradienti ottimali del campo elettrico e un passaggio della luce attraverso il micropozzo. Tagliare i fili di rame standard da 32 gauge in due pezzi lunghi tre centimetri e piegare due angoli retti a due centimetri. Mescolare manualmente circa 0,75 millimetri della parte A e circa 0,75 millimetri della parte B dell'epossidico conduttivo argentato.

In un piccolo contenitore, collegare i fili applicando con attenzione dell'epossidico argentato alle estremità e tra tutti e tre gli strati di carta di grafene per garantire un buon contatto tra gli strati. Successivamente, posizionare il filo di un centimetro tra due strati qualsiasi e premere delicatamente gli strati per rimuovere l'eccesso di epossidico e assicurare un buon contatto elettrico. Ripetere l'operazione sull'altro lato della struttura laminata.

Posizionare l'intero dispositivo su un supporto e in forno per farlo asciugare tutta la notte a 70 gradi Celsius e a pressione atmosferica. Rimuovere il dispositivo dal forno e verificare l'isolamento elettrico tra i conduttori degli elettrodi. Qui prepariamo un mezzo in soluzione con uno spettro di conducibilità mescolando diversi rapporti di soluzione preconfezionata di minolo a 290 milliosmoli per litro e PBS.

Queste sono soluzioni semplici scelte per imitare in modo approssimato il tampone per colture cellulari. Esiste una correlazione lineare tra il rapporto volumetrico di queste due soluzioni e la conducibilità della soluzione risultante. Si mescolano perline di polistirene o cellule biologiche con il mezzo di conducibilità preparato in rapporto uno a cento, volume su volume, mediante pipetta. Si aggiungono 10 microlitri di perline di polistirene e un millilitro di soluzione del mezzo in un vial campione.

Mescolare accuratamente il campione mediante vortex. Fissare il dispositivo su un vetrino di vetro con pressione moderata utilizzando mollette di carta modificate o equivalenti. L’appoggio deve essere abbastanza vicino al pozzetto micro per sigillare la struttura laminata al vetrino di vetro, evitando qualsiasi fuoriuscita del campione.

La chiusura della pinza deve essere controllata per evitare di deformare negativamente il dispositivo, alterando la geometria della pozzetta e il percorso ottico. Preparare un vetrino di vetro spesso 0,5 millimetri utilizzando un tagliavetro con punta di diamante, abbastanza largo da coprire appena la fessura della pozzetta microscopica. Tagliare il vetro alle dimensioni adeguate e metterlo da parte. Utilizzando questa siringa microscopica, iniettare lentamente circa un microlitro della sospensione di microsfere di polistirene nella pozzetta microscopica. Per evitare l'introduzione di bolle d'aria, ripetere l'iniezione se compaiono bolle, avendo cura di non danneggiare le pareti della pozzetta microscopica con l'ago appuntito. Riempire leggermente oltre il bordo la pozzetta microscopica e immediatamente posizionare il vetrino preparato sopra la pozzetta per rimuovere il liquido in eccesso, prevenire l'evaporazione e garantire volumi riproducibili.

Per ogni esperimento, fissare saldamente il microdispositivo laminato completo alla piastra del microscopio e collegare un generatore di funzioni. Collegare le pinze a coccodrillo ai dispositivi e ai contatti di rame, quindi regolare il software del microscopio per mettere a fuoco in modo chiaro il micropozzo. Al centro dello schermo qui, da cento hertz a dieci megahertz e quindici volt.

Segnali di picco sono stati applicati al dispositivo. Le perle sono state osservate nella micropozzetta a un ingrandimento di 10x, da uno a 200 micron sopra la superficie del vetrino. Fare clic sul pulsante per avviare la registrazione e l'acquisizione della telecamera.

Avviare il segnale del generatore di funzione due secondi dopo l'inizio della registrazione con la telecamera. Le immagini vengono salvate digitalmente da uno a cinque fotogrammi al secondo per circa cinque minuti, per un successivo analisi dell'intensità. Al termine dell'esperimento, rimuovere il dispositivo e smontare le pinze.

Pulire sia il vetrino che il dispositivo con acqua saponata. Quindi risciacquare accuratamente. In assenza di un campo elettrico, le particelle sedimentano unicamente sul fondo del dispositivo a causa della gravità. Un campo elettrico intorno a un chilohertz indica un comportamento di DEP positivo, caratterizzato dal movimento lungo il gradiente del campo verso il foglio di grafene.

Si osservano elettrodi ai bordi della micropozzetta a campi elettrici superiori a 100 chilohertz e nell'intervallo dei megahertz. La DEP negativa, indicata dal movimento delle perline lungo il gradiente del campo elettrico verso il centro della micropozzetta, è osservata. Questo microdispositivo con elettrodi in carta di grafene 3D ha prodotto risultati sperimentali in buon accordo sia con il comportamento predittivo teorico sia con i risultati sperimentali precedentemente riportati.

La fabbricazione del dispositivo è estremamente versatile. I protocolli forniti possono essere facilmente adattati per dispositivi con più strati o altri materiali. Questo video descrive un microdispositivo 3D a DEP realizzato per lotti.

Tuttavia, in future applicazioni, sospensioni di particelle o cellule potrebbero essere fatte fluire continuamente attraverso il micropozzetto del dispositivo per ottenere un'elevata produttività. La separazione mediante dielettroforesi (DEP) rappresenta un esempio di versatilità: la carta di grafene che assorbe acqua potrebbe contemporaneamente svolgere la funzione di elettrodo e filtro per concentratori di particelle o cellule, o addirittura di sensori biochimici elettrocinetici. Dopo aver visionato questo video, gli spettatori dovrebbero avere una buona comprensione della fabbricazione di un dispositivo microscopico multistrato in carta di grafene con elettrodi, nonché del funzionamento del dispositivo per condurre esperimenti su particelle o cellule.