マイクロ流体空気圧ケージ：インチップクリスタルトラッピング、操作のための新しいアプローチと管理化学治療

このアプローチの全体的な目的は、結晶性分子材料のトラップ、配位経路の誘導、およびチップ上のトラップ構造における化学反応の制御に対する本デバイスの可能性を実証することです。この手法は、自己組織化構造の特性に対する制御された化学処理の影響など、材料科学分野における重要な課題の解決に寄与します。また、動的条件下で制御された化学処理を可能にする技術は現在非常に限られており、そのため本アプローチは材料関連分野において非常に魅力的であると言えます。

まず、SU8フォトリソグラフィーを用いてシラン化されたマスターモールドを準備します。汚染粒子は時間と温度の両方に非常に敏感です。記載された時間枠および温度に従わなかった場合、非接合で機能しないデバイスが作製される可能性があります。

使い捨て量量皿にエラストマー50gと硬化剤10gを合わせ、PDMS混合液を調製します。プラスチック製スパチュラを用いて、成分を完全に混合してください。次に、十分に混合したPDMSを真空デシケーター内に15分間置き、混合液を脱気して内部の気泡を除去します。

最初のバッチのPDMSを脱気させている間に、エラストマー10 gと硬化剤0.5 gを用いて2番目のバッチを混合します。次に、コントロール層を含むマスターモールドを直径11 mmの円形PTFEフレームに固定します。PDMSの5:1混合液の脱気が完了したら、真空チャンバーから取り出します。

次に、PDMSの5:1混合液を、PTFEフレームの垂直壁の高さまでコントロール層のマスターモールドに注ぎます。その後、デシケーターに入れます。同時に、PDMSの20:1混合液もデシケーターに入れ、再び真空引きを行います。

コーティング済みのマスターモールドと、20:1の比率で混合したPDMSの両方を、さらに30分間脱気します。その後、両方をデシケーターから取り出し、コントロール層のマスターモールドを80 °Cに予熱したオーブンに入れます。コントロール層を焼成している間に、流路層用のマスターモールドをスピンコーターに設置します。

流体層用のマスターモールド上に、20:1に混合したPDMSを約4 milliliters注ぎ、1200 rpmsで40秒間スピンコートして、厚さ60 micrometersの層を形成します。経過時間が合計1時間後、オーブンを開け、スピンコートしたウェハーをコントロール層の隣に配置し、80 degrees Celsiusでさらに15分間同時にベイクします。その後、経過時間が合計75分後になったら、両方のウェハーをオーブンから取り出します。

まず、コントロール層用にPDMSの5:1混合物を剥がします。カミソリを用いてチップを切り出します。次に、1 mmのバイオプシーパンチを使用して、インレット用の穴を開けます。

次に、粘着テープを使用して、ダイシング済みのコントロール層チップから不純物を除去します。チップがきれいになったら、実体顕微鏡を用いて、コントロール層チップを流体層マスターモールドの上に配置して合わせます。その後、組み立てたチップの周囲に、残りのPDMSを流し込み、吸い出します。

そして、セットアップ全体を80 °Cのオーブンに入れます。組み立てたデバイスを一晩焼成します。翌日、硬化したアセンブリをオーブンから取り出し、室温まで冷却させます。

次に、流体層マスターモールドからPDMSアセンブリを剥がします。マスターモールドから剥がした後、作製した二層デバイスをブレードでダイシングし、1.5 mmのバイオプシーパンチを用いて流体入口および出口を形成します。次に、ガラスカバースリップと組み立てたデバイスの流体層に1分間コロナ放電処理を行うか、または酸素プラズマ処理を行い、直ちに2つの表面を接合してマイクロ流体デバイスを完成させます。

接合した2層構造のチップを、70〜80°Cのオーブンで少なくとも4時間焼成します。シリンジポンプとニューマチックコントローラーを用いて流路制御を行うため、まず、あらかじめ試料を充填してシリンジポンプにセットしたシリンジをマイクロ流体デバイスの流体入口に接続し、ニューマチックコントローラーシステムをマイクロ流体デバイスの制御入口に接続します。流れを可視化するために、シリンジの一つに水性染料を充填し、20 µL/minの流速でチャンバー内に流します。

次に、空気圧コントローラーシステムを用いて、3 barで駆動させてバルブを閉じます。バルブを閉じた後も、流体がバルブの周囲を流動し得ることに注意してください。この特性は、配位ポリマーなどのトラップされた構造に対して、制御された化学処理を行うために重要です。バルブを開くには、コントローラーシステムを使用して圧力を解除します。

ダイ溶液が最初のチャネルを流れている間に、別の水相液体を2番目の入口チャネルに同じ流量で注入し、2つの水相の流れの間に界面を形成させます。その後、3 barでバルブを作動させて閉じます。デュアルフロー中にバルブを作動させることで、2つの水相の流れの界面が変化します。

次に、2つの流体の界面を移動させるため、2本のシリンジの流速をそれぞれ30 microliters per minuteと10 microliters per minuteに変更します。バルブのマイクロ粒子トラップ能を可視化するために、まず重量比10%のポリスチレン蛍光マイクロ粒子を含む水溶液を調製します。この粒子含有流体を、合計流速20 microliters per minuteで2つの入口チャネルに導入します。

安定した流れが形成されるまで2分間待ちます。次に、ビーズを最適に観察するため、波長488 nanometersの光源を用いて蛍光ビーズを励起させます。準備ができたら、バルブに3 barの圧力をかけて閉じます。

流動を維持した状態でバルブ領域をイメージングし、バルブの下および表面に局在してトラップされた複数の粒子を確認します。コントロール層のチャネルを通じてガスを注入すると、流体層が表面に向かって圧縮されます。これにより、ここでのローダミン色素の不在で示されるアクチュエータ制御領域の周囲に流体を偏向させることができます。

これらの空気圧アクチュエータは、マイクロチャネル表面にトラップされたこれらの蛍光マイクロパーティクルのように、粒子や細胞をトラップするためにも使用できます。このデバイスのもう一つの特徴は、空気圧ケージを作動させることで、NC2で生成された配位ポリマーをトラップできることです。このセットアップでは2つの試薬流が使用され、層流における2つの液体の界面で制御された化学反応が行われます。

捕捉された配位ポリマーは、空気圧バルブを用いることで、制御された手法で化学的処理を行うことができます。このビデオを視聴されている方は、チューブ上の様々な構造に対して制御された化学反応を行うために使用できる、二層構造のマイクロ流体デバイスの効果的な作製方法を十分に理解しているはずです。この手順を試みる際は、本プロトコルに記載されている時間枠および温度を厳守することが重要です。

さもなければ、接合されていない、あるいは欠陥のある非機能的なデバイスが作製される可能性があります。本手法の開発により、材料科学分野の研究者が、二層マイクロフルイディクスプラットフォームを用いて、チューブ内でのさまざまな化学的処理を高精度に探索することが可能となりました。