Desenvolvimento de um dispositivo 3D Grafeno Eletrodo dieletroforética

Este protocolo demonstra procedimentos para fabricar um papel de grafeno laminado 3D, um microdispositivo eletrodo e métodos experimentais para manipular microesferas poliméricas ou células biológicas por eletróforese dielétrica ou DEP dentro do dispositivo. A partir de agora, nos referiremos à dieletroforese como DEP. A fabricação dos dispositivos é realizada primeiramente empilhando alternadamente camadas de papel de grafeno de 50 mícrons e N menos uma camadas de fita polimérica sensível à pressão de 100 mícrons, resultando em eletrodos meio sinal e meio terra.

As camadas são prensadas juntas, aparadas e, em seguida, o micropoço é perfurado através da estrutura. Por fim, dois fios de cobre são fixados nas duas extremidades do dispositivo usando epóxi prateado. O segundo passo é preparar o meio de DEP com a condutividade desejada.

As microesferas poliméricas são então suspensas nesta solução meio em uma determinada proporção de volume. O terceiro e último passo consiste em carregar o dispositivo com a suspensão de microesferas preparada, montá-lo na platina do microscópio, conectar o dispositivo a um gerador de funções e, finalmente, iniciar a DEP. No final, utiliza-se o microscópio para registrar as respostas de DEP e estudar as propriedades da célula ou partícula mediante análise adicional.

O grafeno é um material versátil utilizado por sua resistência, bem como por suas propriedades térmicas e elétricas. Este protocolo utiliza um papel de grafeno de baixo custo como camada eletrodo condutora em um microdispositivo tridimensional dielétrico que é capaz de distinguir partículas e células para aplicações como tipagem sanguínea ou diagnóstico médico de células doentes. As vantagens deste microdispositivo com eletrodo de papel de grafeno incluem fabricação mais fácil, maior terapêutica da amostra e versatilidade geométrica.

O campo elétrico tridimensional não uniforme pode manipular grandes volumes de amostra com forças DP que são únicas em sua capacidade de distinguir partículas e células polarizáveis com base em suas propriedades químicas e morfológicas intrínsecas. Monte o dispositivo laminado com papel de grafeno e fita. Aqui, utilizamos papel de grafeno hidrofóbico com espessura de 75 mícrons de um fabricante comercial e fita adesiva dupla face sensível à pressão com espessura de 100 mícrons.

Primeiro, corte o papel de grafeno com uma lâmina cirúrgica e uma régua de borda reta em retângulos de 6,7 centímetros por 1,5 centímetro e use tesoura para cortar fita adesiva dupla-face sensível à pressão em cinco tiras de 1,3 centímetro por aproximadamente cinco centímetros. Coloque a primeira camada de papel de grafeno sobre uma lâmina de vidro limpa. Cubra lentamente uma extremidade do papel de grafeno com uma tira de fita, deixando uma margem de aproximadamente dois milímetros para garantir um isolamento entre quaisquer duas camadas adjacentes de papel de grafeno.

Coloque a segunda camada de papel de grafeno sobre a fita. Desloque-a em relação à primeira camada de papel de grafeno. Aplique pressão moderada na parte superior para garantir uma boa aderência entre as camadas.

Repita os dois passos anteriores para as camadas restantes, garantindo que as camadas superior e inferior sejam ambas de papel de grafeno. Use uma tesoura para remover a fita em excesso das bordas do dispositivo, deixando uma pequena margem de aproximadamente um milímetro para garantir um isolamento selado entre as camadas de papel de grafeno. Realize um teste rápido de isolamento usando um multímetro, posicionando as pontas positiva e negativa nos terminais elétricos em lados opostos do dispositivo.

Alta resistência de aproximadamente centenas de kilo ohms indica bom isolamento entre camadas. Agora, a estrutura laminada está pronta para a perfuração do micropoço. Utilizamos uma micromandriladora para perfurar um micropoço na estrutura laminada.

Aqui utilizamos uma fresa micro e nil com diâmetro de 700 mícrons e comprimento da canaleta próximo a 2,1 milímetro. A escolha da fresa micro nil é feita com base no diâmetro do poço micro e na espessura do dispositivo. Imobilize a estrutura laminada na plataforma de perfuração micro com grampos, posicione a fresa bem próxima ao topo da estrutura com controles computadorizados e direcione ar pressurizado sobre o dispositivo. Inicie a rotação da fresa e, em seguida, abaixe lentamente a fresa até o centro e através da estrutura laminada.

Interrompa em uma distância ligeiramente maior que a profundidade da estrutura laminada para garantir a remoção completa de detritos do novo orifício. Mova o fresa para cima e para baixo várias vezes através do micropoço para suavizar a parede interna.

A superfície interna do micropoço deve ser o mais vertical e limpa possível para gradientes de campo elétrico ideais e passagem de luz através do micropoço. Corte fios de cobre padrão de calibre 32 em dois pedaços de três centímetros de comprimento e dobre dois ângulos retos a dois centímetros. Misture manualmente aproximadamente 0,75 mm da parte A e aproximadamente 0,75 mm da parte B do epóxi condutivo de prata.

Em um recipiente pequeno, fixe os fios aplicando cuidadosamente epóxi de prata nas pontas e entre as três camadas de papel de grafeno para garantir um bom contato entre as camadas. Em seguida, coloque o fio de um centímetro entre quaisquer duas camadas, pressionando suavemente as camadas para remover o excesso de epóxi e assegurar um bom contato elétrico. Repita o procedimento para o outro lado da estrutura laminada.

Coloque todo o dispositivo em uma estante e em uma estufa para secar durante a noite a 70 graus Celsius e pressão atmosférica. Retire o dispositivo da estufa e verifique o isolamento elétrico entre os terminais dos eletrodos. Aqui, preparamos meios de solução com uma faixa de condutividades, misturando diferentes proporções de uma solução pré-pronta de 290 miliosmolar por litro de minol e PBS.

Essas são soluções simples escolhidas para imitar de forma aproximada o tampão de cultura celular. Existe uma correlação linear entre a proporção volumétrica dessas duas soluções e a condutividade da solução resultante, misturando microesferas de poliestireno ou células biológicas com meio de condutividade preparado numa proporção de um para cem, volume por volume, por pipetagem. Adicione 10 microlitros de microesferas de poliestireno e um mililitro de solução do meio em um frasco amostra.

Agite bem a amostra por meio de vortex. Prenda o dispositivo em uma lâmina de vidro com pressão moderada usando grampos de papel modificados ou equivalentes. A base deve estar próxima o suficiente ao poço micro para selar a estrutura laminada à lâmina de vidro, evitando qualquer vazamento da amostra.

A firmeza da braçadeira deve ser controlada para não deformar negativamente o dispositivo, alterando a geometria do poço e o caminho óptico. Corte um lâmina de vidro com espessura de 0,5 milímetro com um cortador de vidro de ponta de diamante, com largura suficiente para cobrir apenas o micro poço. Quebre a lâmina de vidro no tamanho adequado e reserve. Usando esta seringa micro, injete lentamente aproximadamente um microlitro da suspensão de microesferas de poliestireno no micro poço. Para evitar a introdução de bolhas, repita a injeção caso apareçam bolhas e tenha cuidado para não danificar as paredes do micro poço com a agulha afiada. Encha ligeiramente mais que o volume do micro poço e imediatamente deslize a lâmina de vidro preparada sobre o micro poço para remover o excesso de fluido, prevenir evaporação e garantir volumes reprodutíveis.

Para cada experimento, fixe o microdispositivo laminado completo na platina do microscópio e conecte um gerador de funções. Prenda clipes de jacaré aos dispositivos e aos terminais de cobre, e ajuste o foco no software do microscópio para visualizar com clareza o micropoço. No centro da tela aqui, uma frequência de cem hertz a dez megahertz e quinze volts.

Sinais de pico foram aplicados ao dispositivo. As microesferas foram observadas no micropoço com aumento de 10 x, a uma distância de um a 200 mícrons acima da superfície da lâmina de vidro. Clique no botão para iniciar a gravação e a aquisição pela câmera.

Inicie o sinal do gerador de funções dois segundos após começar a gravação com a câmera. As imagens são salvas digitalmente de um a cinco quadros por segundo durante aproximadamente cinco minutos para análise posterior da intensidade. Após a conclusão do experimento, remova o dispositivo e desmonte as braçadeiras.

Limpe o porta-objetos de vidro e o dispositivo com água e sabão. Em seguida, enxágue bem. Na ausência de um campo elétrico, as partículas sedimentam unicamente no fundo do dispositivo devido à gravidade. Um campo elétrico em torno de um quilohertz provoca um comportamento de DEP positivo, indicado pelo movimento ascendente ao longo do gradiente do campo, em direção ao papel de grafeno.

Observa-se eletrodos nas bordas dos micropoços em campos elétricos acima de 100 quilohertz e na faixa de megahertz. A DEP negativa, indicada pelo movimento dos microesferas para baixo do gradiente do campo elétrico em direção ao centro do micropoço, é observada. Esse microdispositivo com eletrodo de papel de grafeno 3D gerou resultados experimentais em boa concordância tanto com o comportamento preditivo teórico quanto com resultados experimentais previamente relatados.

A fabricação do dispositivo é extremamente versátil. Os protocolos fornecidos podem ser facilmente adaptados para dispositivos com mais camadas ou outros materiais. Este vídeo detalha um microdispositivo DEP 3D fabricado em lotes.

No entanto, em aplicações futuras, suspensões de partículas ou células poderiam fluir continuamente através da microcavidade do dispositivo para alcançar maior produtividade. A separação por DEP, um exemplo de versatilidade, é que o papel de grafeno com capacidade de absorção de água poderia funcionar simultaneamente como eletrodo e filtro para concentradores de partículas ou células ou mesmo como sensores bioquímicos eletrocinéticos. Após assistir a este vídeo, os espectadores deverão ter uma boa compreensão de como fabricar um dispositivo microeletrodo de papel de grafeno multicamada, bem como de como operar o dispositivo para realizar experimentos com partículas ou células.