Microfluidica Gabbie pneumatici: un nuovo approccio per In-chip di cristallo Trapping, manipolazione e trattamento chimico Controlled

L'obiettivo generale di questo approccio è dimostrare il potenziale di questo dispositivo nel catturare, indirizzare il percorso di coordinamento di un materiale molecolare cristallino e controllare reazioni chimiche su strutture intrappolate su chip. Questo metodo può contribuire a rispondere a domande fondamentali nel campo della scienza dei materiali, come l'effetto di trattamenti chimici controllati sulle proprietà delle strutture autoassemblate. È inoltre importante sottolineare che il numero di tecnologie in grado di effettuare trattamenti chimici controllati in condizioni dinamiche è attualmente molto limitato, rendendo quindi questo approccio particolarmente interessante nel settore dei materiali.

Per iniziare, preparare un master stampo silanizzato utilizzando la fotolitografia SU8. La particella anti-aderente è particolarmente sensibile sia al tempo che alla temperatura. Eventuali mancate osservanze del tempo e della temperatura descritti potrebbero portare alla fabbricazione di un dispositivo non incollato e quindi non funzionale.

Preparare la miscela di PDMS combinando 50 grammi dell'elastomero e 10 grammi dell'agente indurente in un contenitore monouso per pesatura. Mescolare completamente i componenti utilizzando una spatola di plastica. Successivamente, collocare il PDMS ben mescolato in un essiccatore sotto vuoto per 15 minuti per disaerare la miscela ed eliminare le bolle intrappolate.

Mentre la prima porzione di PDMS viene sottoposta a degasificazione, preparare una seconda porzione mescolando 10 grammi di elastomero con 0,5 grammi dell'agente indurente. Successivamente, fissare il master mold contenente lo strato di controllo all'interno di un telaio rotondo in PTFE da 11 millimetri. Una volta completata la degasificazione della miscela di PDMS nel rapporto cinque a uno, rimuoverla dalla camera a vuoto.

Ora, versare la miscela 5:1 di PDMS sullo stampo maestro del livello di controllo fino a quando la miscela raggiunge il livello della parete verticale dritta della cornice in PTFE. Successivamente, posizionarlo nel desiccante. Allo stesso tempo, mettere anche la miscela 20:1 di PDMS nel desiccante ed applicare nuovamente il vuoto.

Depressurizzare sia il master stampo rivestito che il PDMS in rapporto 20 a 1 per ulteriori 30 minuti. Successivamente, rimuoverli entrambi dal desiccante e posizionare il master stampo del livello di controllo in un forno preriscaldato a 80 gradi Celsius. Mentre il livello di controllo cuoce, posizionare il master stampo per il livello fluidico su un spin coater.

Versare circa 4 millilitri della miscela 20:1 di PDMS sullo stampo maestro per il livello fluidico e applicare il rivestimento mediante spin-coating per 40 secondi a 1200 giri/min per ottenere uno strato spesso 60 micrometri. Dopo un tempo totale trascorso di un'ora, aprire il forno, posizionare la wafer rivestita accanto al livello di controllo ed eseguire la cottura insieme per ulteriori 15 minuti a 80 gradi Celsius. Successivamente, dopo 75 minuti di tempo totale trascorso, rimuovere entrambe le wafer dal forno.

Prima di tutto, staccare il miscuglio cinque a uno di PDMS per lo strato di controllo. Ritagliare i chip utilizzando una lametta da rasoio. Quindi, praticare i fori per gli ingressi con un punzone per biopsia da un millimetro.

Successivamente, utilizzare del nastro adesivo per rimuovere eventuali detriti dai frammenti di controllo della pellicola. Una volta che i frammenti sono puliti, utilizzare un microscopio stereoscopico per allineare il frammento di controllo sulla parte superiore dello stampo maestro del livello fluidico. Quindi, versare e rimuovere il PDMS residuo attorno ai frammenti assemblati.

E posizionare l'intero apparato in un forno a 80 gradi Celsius. Cuocere i dispositivi assemblati per tutta la notte. Il giorno seguente, rimuovere l'assemblaggio polimerizzato dal forno e lasciarlo raffreddare a temperatura ambiente.

Quindi staccare l'assemblaggio in PDMS dallo stampo maestro del livello fluidico. Una volta separato dallo stampo maestro, tagliare i dispositivi a doppio strato realizzati con una lama e utilizzare una punta da biopsia da 1,5 millimetri per creare gli ingressi e le uscite fluidiche. Successivamente, trattare le piastrine di vetro e il livello fluidico del dispositivo assemblato con una scarica al corona per un minuto oppure utilizzare plasma di ossigeno, quindi unire immediatamente le due superfici per completare il dispositivo microfluidico.

Far cuocere i chip doppi stratificati legati in un forno a 70-80 gradi Celsius per almeno quattro ore. Per controllare il regime di flusso mediante una pompa per siringhe e un controllore pneumatico, collegare innanzitutto le siringhe precedentemente caricate e posizionate nella pompa per siringhe agli ingressi fluidici del dispositivo microfluidico e il sistema del controllore pneumatico agli ingressi di controllo del dispositivo microfluidico. Per visualizzare il flusso, caricare una delle siringhe con un colorante acquoso e farlo fluire nella camera a una portata di 20 microlitri al minuto.

Quindi utilizzare il sistema di controllo pneumatico per chiudere la valvola azionandola a tre bar. È importante notare che il fluido può ancora scorrere attorno alla valvola una volta chiusa, e questa caratteristica è fondamentale per ottenere un trattamento chimico controllato della struttura intrappolata, come nei polimeri di coordinazione. Per aprire la valvola, utilizzare semplicemente il sistema di controllo per rilasciare la pressione.

Mentre la soluzione die scorre attraverso il primo canale, iniettare un altro fluido acquoso nel secondo canale di ingresso alla stessa portata per formare un'interfaccia tra i due flussi acquosi. Quindi chiudere la valvola attivandola a tre bar. L'attivazione della valvola durante il flusso doppio modifica l'interfaccia tra i due flussi acquosi.

Successivamente, modificare le portate dei fluidi delle due siringhe rispettivamente a 30 microlitri al minuto e a 10 microlitri al minuto, in modo da spostare l'interfaccia tra i due fluidi. Per visualizzare la capacità della valvola di intrappolare le microparticelle, preparare innanzitutto una soluzione acquosa contenente il 10% in peso di microparticelle fluorescenti di polistirene. Introdurre il fluido carico di particelle nei due canali di ingresso a una portata totale di 20 microlitri al minuto.

Attendere due minuti fino a quando non si stabilisce un flusso costante. Successivamente, eccitare le microsfere fluorescenti utilizzando una sorgente con una lunghezza d'onda di 488 nanometri per visualizzare al meglio le microsfere. Quando pronto, azionare la valvola a tre bar per chiuderla.

Immaginare l'area della valvola per osservare diverse particelle intrappolate al di sotto della valvola e localizzate sulla superficie mentre il flusso viene mantenuto. L'iniezione di gas attraverso i canali nello strato di controllo comprime lo strato fluido verso la superficie. Questo fenomeno può essere utilizzato per deviare i fluidi attorno alla regione controllata dall'attuatore, qui indicata dall'assenza di un colorante rodamina.

Questi attuatori pneumatici possono essere utilizzati anche per intrappolare particelle o cellule, come ad esempio queste microparticelle fluorescenti che sono state bloccate sulla superficie del microcanale. Un'altra caratteristica di questo dispositivo è la capacità di intrappolare polimeri di coordinazione generati da NC2 mediante l'attuazione della gabbia pneumatica. In questa configurazione vengono utilizzati due flussi di reagente e una reazione chimica controllata avviene all'interfaccia tra i due liquidi nel flusso laminare.

Una volta intrappolati, i polimeri di coordinazione possono essere trattati chimicamente in modo controllato utilizzando le valvole pneumatiche. Se stai guardando questo video, dovresti avere una buona comprensione di come realizzare efficacemente un dispositivo microfluidico a doppio strato, che può essere impiegato per condurre reazioni chimiche controllate su diverse strutture tubolari. Durante l'esecuzione di questa procedura, è fondamentale rispettare il tempo e la temperatura indicati nel presente protocollo.

In caso contrario, i vostri sforzi potrebbero portare alla fabbricazione di dispositivi non uniti, difettosi e quindi non funzionali. Dopo il suo sviluppo, questa tecnica apre la strada ai ricercatori nel campo della scienza dei materiali per esplorare vari tipi di trattamenti chimici controllati all'interno di tubi, con elevata precisione, mediante una piattaforma microfluidica a doppio strato.