Métodos de embalagem de prototipagem microfluídica rápida e de baixo custo de alto rendimento

Summary

Neste artigo, descrevemos diferentes técnicas para plataformas de prototipagem rápida microfluídica. As técnicas propostas são baseadas em epóxis sensíveis ao ultravioleta (UV) e de cura por temperatura, tubos à base de polidimetilsiloxano (PDMS), colagem de fios e filmes adesivos anisotrópicos. Os procedimentos de montagem apresentados são desenvolvidos tanto para dispositivos de uso único quanto para sistemas microfluídicos reutilizáveis.

Abstract

Neste trabalho, são apresentadas 3 técnicas diferentes de embalagem e montagem. Eles podem ser classificados em duas categorias: uso único e técnicas de embalagem reutilizáveis.

A técnica de embalagem de uso único emprega epóxis à base de UV e cura por temperatura para conectar microtubos a orifícios de acesso, ligação de fios para conexões de circuitos integrados e epóxi de prata para conexões elétricas. Este método é baseado em uma técnica de montagem robusta que pode suportar uma pressão relativamente alta próxima a 1 psi e não precisa de nenhum suporte para fortalecer a arquitetura microfluídica.

As técnicas de embalagem reutilizáveis consistem em interconectores de microtubos baseados em PDMS e filmes adesivos anisotrópicos para conexões elétricas. Esses dispositivos são mais sensíveis e frágeis. Consequentemente, o suporte de acrílico é adicionado à estrutura microfluídica para melhorar o contato elétrico quando filmes adesivos anisotrópicos são usados e também para fortalecer a arquitetura microfluídica. Além disso, é necessário um micromanipulador para manter os tubos enquanto usa uma fina camada de PDMS para conectá-los aos orifícios de acesso. Diferentes espessuras de camada PDMS, variando de 0,45 a 3 mm, são testadas para comparar as melhores taxas de aderência versus injeção. As taxas de injeção aplicadas variam de 50-300 μl/h para camadas de PDMS de 0,45-3 mm, respectivamente. Essas técnicas são aplicáveis principalmente para aplicações de baixa pressão. No entanto, eles podem ser estendidos para os de alta pressão através do processo plasma-oxigênio para selar permanentemente o PDMS em substratos de vidro. A principal vantagem dessa técnica, além de ser reutilizável, consiste em manter o dispositivo observável quando o comprimento do microcanal é muito curto (na faixa de 3 mm ou menos).

Introduction

Progressos recentes na microfabricação levaram a dispositivos microfluídicos mais complexos, incluindo um grande número de eletrodos e diferentes tipos de algoritmos de controle. No entanto, esses avanços destacaram novos desafios nas embalagens. Além disso, o Lab-on-Chip (LoC) é um conceito multidisciplinar onde dispositivos microfluídicos, sistemas microeletromecânicos (MEMS), chips microeletrônicos entre outras partes são conectados entre si. Consequentemente, é impossível desenvolver um processo de embalagem sem considerar diferentes restrições dos componentes da LoC, como sensibilidade e proteção dos circuitos microeletrônicos, tubulação e aspectos mecânicos. Além disso, o empacotamento dos componentes de uma determinada LoC está intimamente relacionado à aplicação^1,2. Por exemplo, em aplicações ópticas, a transparência do dispositivo é crucial, especialmente para fins de teste. Assim, é importante monitorar o comportamento do sistema mantendo o dispositivo observável. Em aplicações relacionadas à manipulação de células ou partículas, o uso de técnicas de baixa tensão é mais atraente, com o surgimento de novas tecnologias de microfabricação que facilitam a redução das dimensões dos eletrodos (de alguns micrômetros para a escala submicrônica^3-5), mas aumentam consideravelmente o número de eletrodos para 100 ou mais.

Por outro lado, os LoCs dedicados à análise química e biológica requerem observação de longo prazo. Assim, o empacotamento do sistema e a bancada de testes devem evitar a contaminação biológica, bem como qualquer falha nos dispositivos eletrônicos da LoC, além de manter o sistema observável.

Em artigos publicados recentemente, microfluídica e MEMS são as partes principais de uma LoC, mas outros módulos podem ser usados para o monitoramento do sistema. Consequentemente, testar e validar arquiteturas microfluídicas tornou-se uma questão desafiadora com as novas abordagens de microfabricação e as arquiteturas de alta complexidade e rendimento. Até agora, não existem plataformas de teste padrão ou suportes para sistemas microfluídicos, como é o caso das matrizes microeletrônicas.

Os pesquisadores propuseram diferentes técnicas de embalagem para usos específicos, como Xie et al.⁶ que projetou uma embalagem biomicrofluídica incluindo um chip microeletrônico para controlar a separação de DNA em canais microfluídicos. Beebe et al.⁷ projetou um canal microfluídico com reservatórios de fluido integrados e válvulas de hidrogel responsivas a estímulos para manipular amostras de fluido. Outros sistemas propõem o uso de sensores de fluxo eletrolíticos baseados em bolhas para detectar pressões através de um campo elétrico para gerar bolhas de ar e medir a pressão correspondente⁸. O sistema de detecção mede a impedância da bolha e, em seguida, determina a pressão, o que requer uma embalagem especial projetada para evitar a introdução de qualquer interferência nas medições. Em outro trabalho, um método de empacotamento microfluídico à temperatura ambiente foi introduzido com base no processo de ativação sequencial do plasma⁹. Apesar do fato de que esse processo pode levar a um dispositivo fortemente montado, ele tem limitações quando é usado para fins de prototipagem ou quando o dispositivo é usado várias vezes. Este último pode implicar a substituição frequente de algumas partes do sistema. Além disso, Lee et al. introduziram uma nova técnica de empacotamento, chamada Biolab-on-IC, baseada no uso de campos magnéticos para manipulação de esferas magnéticas individuais, onde a arquitetura microfluídica é projetada na parte superior do circuito integrado¹⁰. Além disso, a confiabilidade do empacotamento e a integração de sistemas microfluídicos, considerando o tamanho do sistema, aspectos ópticos e peças de conexão, são questões críticas, conforme detalhado por Han e Frazier¹¹. Este último trabalho reflete uma abordagem típica para sistemas LoC, onde vários parâmetros devem ser fixados e medidos com precisão durante a embalagem.

Consequentemente, o empacotamento microfluídico é uma questão desafiadora para a nova geração de dispositivos microfluídicos. A embalagem inclui peças heterogêneas, como tubulação, conexões elétricas e suporte microfluídico. Para tubos, o principal problema é o espaço muito limitado disponível para conectar os tubos para acessar os orifícios microfluídicos. O diâmetro dos conectores atualmente disponíveis comercialmente está na faixa de 6 mm; no entanto, a distância entre os dois orifícios de acesso está se tornando menor com a redução das dimensões gerais do sistema^12-13. Portanto, propusemos uma técnica de tubulação baseada no PDMS. Este processo de tubulação é especialmente elaborado para a fase de prototipagem. De fato, devido à restrição química, a troca do tubo de conexão após cada uso é obrigatória para evitar e minimizar o vazamento de líquido dentro da microestrutura e para limpar os microcanais. Para esses fins, o processo descrito neste artigo é particularmente aplicável para um projeto de prototipagem rápida.

Por outro lado, as conexões elétricas são críticas para dispositivos microfluídicos que utilizam manipulação ou medição elétrica direta ou indireta. Devido à ampla gama de aplicações microfluídicas, as dimensões, a forma e o número de contatos elétricos do dispositivo podem variar consideravelmente. Portanto, é necessário um método versátil, que pode ser usado para diferentes aplicações. Kaler et al. relataram resultados de sua plataforma de prototipagem rápida microfluídica, que é baseada em conectores de força de inserção zero (ZIF)¹⁴. Em vez desses conectores posteriores, os métodos apresentados usam um filme condutor adesivo anisotrópico, que pode ser facilmente adaptado a qualquer formato.

Muitos pesquisadores não levam em consideração as restrições de teste ao projetar seu dispositivo microfluídico. Em microeletrônica, existem muitos suportes usados para fins de prototipagem e testes, que são chamados de suportes de IC. Eles são projetados principalmente para reduzir os tempos de prototipagem e teste e oferecem aos pesquisadores e engenheiros uma maneira fácil de substituir os dispositivos em caso de falha. Semelhante à microeletrônica, também estamos propondo um novo pacote de teste para dispositivos microfluídicos limitados a um tamanho de dispositivo de 45 mm x 90 mm.

Nossas técnicas propostas visam cobrir um grande número de dispositivos e aplicações microfluídicas. Esses métodos podem ser adaptados, estendidos e atualizados para outras aplicações. Nosso objetivo é fornecer um dos primeiros métodos de embalagem versáteis para dispositivos microfluídicos otimizados para manipulações microfluídicas. Por exemplo, uma aplicação final para dispositivos embalados com essas técnicas é a separação de microesferas modificadas com poliestireno e carboxila com líquido cefalorraquidiano artificial. No entanto, eles podem ser usados em outras aplicações com diferentes soluções.

No restante deste artigo, três técnicas diferentes de tubulação, 2 métodos de conexão elétrica e um método de empacotamento microfluídico são apresentados e comparados.

Protocol

1. Interconector removível baseado em PDMS para aplicações microfluídicas de baixa pressão^15-16

1. Preparação
   Esta seção descreve as diferentes etapas para preparar o vidro e o PDMS para produzir o interconector.
   1. Prepare o PDMS: Misture o PDMS e o agente de cura com a proporção (10:1).
   2. Certifique-se de que a temperatura do forno esteja estabilizada a uma temperatura constante de 80 °C. Dependendo do forno, use um dispositivo de medição para detectar a temperatura do forno e, em seguida, monitore-o manualmente.
   3. Limpe completamente a placa de Petri com etanol.
   4. Limpe a superfície dos orifícios de acesso microfluídico onde o interconector PDMS será colocado.
2. Fabricação
   O interconector descrito neste artigo é essencialmente uma junta compatível. Esta junta é formada a partir de PDMS e contém orifícios nos quais microtubos podem ser inseridos. Ele adere automaticamente à superfície de um chip microfluídico, para formar uma vedação à prova de vazamentos entre o microtubo e os orifícios de acesso aos microcanais no chip.
   Use as etapas a seguir para fabricar o interconector.
   1. Despeje uma camada fina (aproximadamente 2 mm) do PDMS (líquido) em uma placa de Petri.
   2. Deixe o PDMS polimerizar levemente a uma temperatura de 80 °C no forno por 12-15 min. Coloque o chip microfluídico ao qual a conexão será feita no forno ao mesmo tempo, para que fique na mesma temperatura.
   3. Quando o PDMS começar a polimerizar, retire-o do forno de cura.
   4. Use um punção de biópsia para formar furos com o diâmetro desejado na superfície do chip microfluídico.
   5. Usando a lâmina, corte o pedaço de PDMS.
      Nota: Recomenda-se cortar inicialmente um pedaço de material maior do que o que eventualmente será necessário. Para evitar o uso de vários conectores, é desejável que qualquer interconector PDMS seja cortado em forma quadrada e furos, de modo a estar em conformidade com o número máximo possível de furos no chip do usuário.
   6. Mantenha os orifícios ligeiramente menores que o diâmetro externo do microtubo.
   7. Remova rapidamente o PDMS das placas de Petri e coloque-o no chip microfluídico.
   8. Certifique-se de que não haja poeira no PDMS ou no chip e certifique-se de que os orifícios de acesso no chip microfluídico estejam alinhados com os do PDMS.
   9. Usando um microposicionador, insira tubos (por exemplo, tubos de Teflon) através do interconector PDMS. Os tubos devem ter 110% do diâmetro do orifício de acesso microfluídico para evitar vazamento de líquido. Os mesmos tubos podem ser conectados ao sistema de injeção de líquido, dependendo da aplicação do usuário.
      nota: Sempre coloque os tubos usando um microposicionador, a camada PDMS não é muito espessa e pode ser destacada se os tubos estiverem torcidos.
   10. Se necessário, adicione epóxi entre o tubo e o PDMS para melhor aderência.
       Um exemplo da interconexão concluída é mostrado nas figuras e em Ghallab e Badawy².

2. Interconexão de microtubos em aplicações microfluídicas com epóxi¹⁷

Ao fabricar um interconector, certifique-se de que a borda do microtubo esteja cortada corretamente. Use uma nova lâmina afiada para cortar a borda do microtubo em linha reta e para garantir que o contato entre os microtubos e o orifício de acesso seja uniforme.

1. Usando o microposicionador, coloque cuidadosamente o microtubo no orifício de acesso do chip microfluídico.
2. Aplique uma pequena pressão no dispensador de epóxi para depositar epóxi nos orifícios de acesso ou coloque-o manualmente.
3. Deixe o epóxi curar usando as seguintes etapas:
   1. Epóxi curável por UV: Exponha o epóxi UV a uma fonte de UV por 3-10 min, dependendo da quantidade de epóxi usada. Para obter mais detalhes, consulte as especificações do epóxi.
   2. Epóxi padrão: Se o substrato microfluídico for usado apenas em RT, mantenha a cura do epóxi durante 24 horas em RT. Se o substrato for necessário para suportar altas temperaturas, solidifique rapidamente o epóxi expondo-o a 100 °C usando um forno ou aquecedor, dependendo da aplicação. Para obter mais detalhes, consulte as especificações do epóxi.

3. Técnica de montagem para chips microfluídicos reutilizáveis com interface elétrica¹⁷

1. Montagem dos componentes
   A Figura 2 mostra as ligações entre os conectores elétricos no PCB e as almofadas elétricas no chip microfluídico. Para montar os componentes de PCB/chip microfluídico/Plexiglas, siga estas etapas:
   cuidado: Evite pressão de compressão excessiva, que pode quebrar o chip microfluídico.
   1. Solde os conectores elétricos multipinos de montagem em superfície na placa de circuito impresso.
   2. Se houver contaminação da superfície nas almofadas elétricas do chip microfluídico, limpe com oxigênio plasmático; caso contrário, limpe as almofadas com etanol.
   3. Use uma lâmina afiada para cortar a fita condutora em pequenos pedaços com as mesmas dimensões das almofadas elétricas do chip microfluídico, conforme mostrado nas Figuras 1 e 2.
   4. Usando uma pinça, coloque a fita condutora nas almofadas elétricas da placa de circuito impresso.
   5. Alinhe e coloque o chip microfluídico no PCB.
      nota: Para precisão de posicionamento, use uma máquina de alinhamento.
   6. Coloque uma camada de isolamento (como papel) no PCB para evitar curtos-circuitos antes de instalar os suportes de metal, dependendo da localização dos traços do PCB.
   7. Prenda o suporte de metal usando parafusos e porcas de máquina.
2. Desmontagem
   1. Remova os parafusos da máquina, porcas e os suportes de metal.
   2. Separe suavemente o chip microfluídico e o PCB.
   3. Use etanol para remover o adesivo de fita condutora das almofadas elétricas no PCB e no chip microfluídico antes da remontagem.

Results

A Figura 3 ilustra um esquema detalhado da técnica de embalagem proposta. A solução de embalagem foi testada com várias espessuras e tamanhos de PDMS para caracterizar um processo de embalagem transparente e eficiente para microeletrônicos híbridos/microssistemas microfluídicos, conforme mostrado nas Figuras 4 e 5. As dimensões da camada de interconexão PDMS projetada são 6 mm x 6 mm e é usada para conectar dois orifícios de acesso. No entanto, com os principais conector...

Discussion

O interconector PDMS destina-se a aplicações de baixa pressão, deve-se evitar o vazamento de líquido no orifício de acesso do chip quando o interconector PDMS é posteriormente colocado no orifício de acesso. Portanto, a espessura recomendada do PDMS é inferior a 2 mm. Uma espessura maior pode induzir uma adesão fraca do PDMS à superfície do chip microfluídico e não é recomendada. Um teste sem sucesso foi feito usando uma espessura de 4 mm. Este trabalho tem como foco a aderência do interconector PDMS ao vidro enquanto as...

Materials

List of materials used in this article

Name	Company	Catalog Number	Comments
Epóxi 731	Epotek	731
PDMS	Dow Corning	SYLGARD 184
UV Epóxi	Epotek	OG159
Microbomba	Harvard Aparelho	PHD Ultra
PCB	Circuitos
Plexiglass	Ecole Polytechnique
Adesivo condutor filme plástico	3M	9703