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

Qui, descriviamo la fabbricazione e il funzionamento di un sistema microfluidico a doppio strato in polidimetilsilossano (PDMS). Dimostriamo il potenziale di questo dispositivo per l'intrappolamento, la direzione del percorso di coordinazione di un materiale molecolare cristallino e il controllo delle reazioni chimiche su strutture intrappolate su chip.

L'obiettivo generale di questo approccio è dimostrare il potenziale di questo dispositivo per l'intrappolamento, dirigendo il percorso di coordinazione di un materiale molecolare cristallino e controllando le reazioni chimiche su strutture intrappolate su chip. Questo metodo può aiutare a rispondere a domande chiave nel campo della scienza dei materiali, come l'effetto dei trattamenti chimici controllati sulle proprietà delle strutture autoassemblate. Ed è importante sottolineare che il numero di tecnologie che consentono il trattamento chimico controllato in condizioni dinamiche è attualmente molto limitato, rendendo quindi questo approccio molto attraente nel campo dei materiali.

Per iniziare, preparare uno stampo master silanizzato utilizzando la fotolitografia SU8. La particella incrostata è particolarmente sensibile sia al tempo che alla temperatura. Il mancato rispetto dei tempi e della temperatura descritti può portare alla fabbricazione di un dispositivo non incollato e quindi non funzionante.

Preparare la miscela PDMS unendo 50 grammi di elastomero e 10 grammi di agente indurente in un piatto di pesata usa e getta. Mescolare completamente i componenti utilizzando una spatola di plastica. Quindi, posizionare il PDMS ben miscelato in un essiccatore sottovuoto per 15 minuti per degassare la miscela e rimuovere le bolle intrappolate.

Mentre il primo lotto di PDMS viene degassato, miscelare un secondo lotto utilizzando 10 grammi di elastomero e 0,5 grammi di agente indurente. Quindi, fissare lo stampo master contenente lo strato di controllo in un telaio rotondo in PTFE da 11 millimetri. Una volta che la miscela cinque a uno di PDMS è stata degassata, rimuoverla dalla camera a vuoto.

Ora, versare la miscela cinque a uno di PDMS sullo stampo principale dello strato di controllo fino a quando la miscela raggiunge il livello della parete verticale diritta del telaio in PTFE. E poi mettilo nell'essiccatore. Allo stesso tempo, posizionare anche la miscela 20 a uno di PDMS nell'essiccatore e aspirare di nuovo.

Degassare sia lo stampo master rivestito che il rapporto 20 a uno di PDMS per altri 30 minuti. Quindi, estraerli entrambi dall'essiccatore e posizionare lo stampo master dello strato di controllo in un forno preriscaldato a 80 gradi Celsius. Mentre lo strato di controllo cuoce, posizionare lo stampo master per lo strato fluidico su una centrifuga.

Versare circa 4 millilitri della miscela 20 a uno di PDMS sullo stampo master per lo strato fluidico e centrifugare il wafer per 40 secondi a 1200 giri/min per ottenere uno strato di 60 micrometri di spessore. Trascorsa un'ora di tempo totale, aprire il forno, posizionare la cialda centrifugata accanto allo strato di controllo e cuocerli insieme per altri 15 minuti a 80 gradi Celsius. Quindi, trascorsi 75 minuti di tempo totale, rimuovere entrambe le cialde dal forno.

Per prima cosa, staccare la miscela cinque a uno di PDMS per lo strato di controllo. Tagliate le patatine con una lametta da barba. E poi praticare i fori per gli ingressi usando un punzone per biopsia da un millimetro.

Quindi, usa del nastro adesivo per rimuovere eventuali detriti dai trucioli dello strato di controllo tagliati a dadini. Una volta che i chip sono puliti, utilizzare uno stereomicroscopio per allineare il chip dello strato di controllo sopra lo stampo master dello strato fluidico. Quindi, versare e disegnare il PDMS residuo attorno ai trucioli assemblati.

E metti l'intera configurazione in un forno a 80 gradi Celsius. Cuocere i dispositivi assemblati durante la notte. Il giorno seguente, sfornare il gruppo indurito e lasciarlo raffreddare a temperatura ambiente.

Quindi staccare il gruppo PDMS dallo stampo master dello strato fluidico. Una volta liberati dallo stampo principale, tagliare a dadini i dispositivi a doppio strato fabbricati con una lama e utilizzare un punzone per biopsia da 1,5 millimetri per formare gli ingressi e le uscite fluidiche. Successivamente, trattare i vetrini coprioggetti e lo strato fluidico del dispositivo assemblato con una scarica corona per un minuto o utilizzare il plasma di ossigeno e quindi unire immediatamente le due superfici per completare il dispositivo microfluidico.

Cuocere le patatine a doppio strato incollate in forno a 70-80 gradi Celsius per almeno quattro ore. Per manipolare il regime di flusso utilizzando una pompa a siringa e un controller pneumatico, collegare prima le siringhe precedentemente caricate e posizionate in una pompa a siringa agli ingressi fluidici del dispositivo microfluidico e il sistema di controllo 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 velocità di flusso 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 fluire intorno alla valvola una volta chiusa e questa caratteristica è importante per ottenere un trattamento chimico controllato della struttura intrappolata, come i polimeri di coordinazione. Per aprire la valvola, è sufficiente utilizzare il sistema di controllo per rilasciare la pressione.

Mentre la soluzione dello stampo scorre attraverso il primo canale, iniettare un altro fluido acquoso nel secondo canale di ingresso alla stessa velocità di flusso per formare un'interfaccia tra i due flussi acquosi. Quindi chiudere la valvola azionandola a tre bar. L'azionamento della valvola durante il doppio flusso cambia l'interfaccia dei due flussi acquosi.

Successivamente, modificare le portate del fluido delle due siringhe rispettivamente a 30 microlitri al minuto e 10 microlitri al minuto per spostare l'interfaccia tra i due fluidi. Per visualizzare la capacità della valvola di intrappolare le microparticelle, preparare prima una soluzione acquosa contenente il 10% di microparticelle fluorescenti di polistirene in peso. 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 stabile. Quindi eccitare le perle fluorescenti utilizzando una sorgente con una lunghezza d'onda di 488 nanometri per visualizzare al meglio le perline. Quando è pronta, azionare la valvola a tre bar per chiuderla.

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

Questi attuatori pneumatici possono essere utilizzati anche per intrappolare particelle o cellule, come queste microparticelle fluorescenti che sono state intrappolate sulla superficie del microcanale. Un'altra caratteristica di questo dispositivo è la sua capacità di intrappolare i polimeri di coordinazione generati da NC2 attraverso l'azionamento della gabbia pneumatica. Per questa configurazione vengono utilizzati due flussi di reagenti e una reazione chimica controllata avviene all'interfaccia dei 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 fabbricare efficacemente un dispositivo microfluidico a doppio strato che può essere utilizzato per condurre reazioni chimiche controllate su varie strutture di tubi. Durante il tentativo di questa procedura, è importante essere vincolati all'intervallo di tempo e alla temperatura riportati nel presente protocollo.

In caso contrario, il tuo sforzo potrebbe portare alla fabbricazione di dispositivi non incollati o difettosi e quindi non funzionanti. 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 in tubo con alta precisione utilizzando una piattaforma microfluidica a doppio strato.