Gaiolas pneumáticas microfluídicos: uma nova abordagem para In-chip de cristal Trapping, Manipulação e controlada Tratamento Químico

O objetivo geral desta abordagem é demonstrar o potencial deste dispositivo para aprisionar, direcionar o caminho de coordenação de um material molecular cristalino e controlar reações químicas em estruturas aprisionadas em chip. Este método pode ajudar a responder perguntas fundamentais na área de ciência dos materiais, como o efeito de tratamentos químicos controlados sobre as propriedades de estruturas auto-organizadas. E é importante enfatizar que o número de tecnologias que permitem tratamentos químicos controlados sob condições dinâmicas é atualmente muito limitado, tornando assim esta abordagem muito atrativa na área de materiais.

Para começar, prepare um molde-mestre silanizado utilizando fotolitografia com SU8. A partícula antiaderente é particularmente sensível ao tempo e à temperatura. Qualquer falha em seguir o intervalo de tempo e a temperatura descritos pode levar à fabricação de um dispositivo não ligado e, portanto, não funcional.

Prepare a mistura de PDMS combinando 50 gramas do elastômero e 10 gramas do agente de cura em um recipiente descartável para pesagem. Misture completamente os componentes usando uma espátula de plástico. Em seguida, coloque o PDMS bem misturado em um dessecador sob vácuo por 15 minutos para desgaseificar a mistura e remover as bolhas aprisionadas.

Enquanto o primeiro lote de PDMS está sendo desgaseificado, misture um segundo lote usando 10 gramas de elastômero e 0,5 gramas do agente de cura. Em seguida, fixe o molde-mestre contendo a camada de controle em uma moldura redonda de PTFE de 11 milímetros. Uma vez que a mistura de PDMS na proporção de cinco para um tenha sido desgaseificada, remova-a da câmara de vácuo.

Agora, despeje a mistura de cinco para um de PDMS sobre o molde mestre da camada de controle até que a mistura atinja o nível da parede vertical reta da estrutura de PTFE. Em seguida, coloque-a no dessecador. Ao mesmo tempo, coloque também a mistura de vinte para um de PDMS no dessecador e novamente aplique vácuo.

Desgase o molde-mestre revestido e a proporção de 20 para 1 de PDMS por mais 30 minutos. Em seguida, retire ambos do dessecador e coloque o molde-mestre da camada de controle em uma estufa previamente aquecida a 80 graus Celsius. Enquanto a camada de controle é aquecida, coloque o molde-mestre da camada fluidica em um espalhador rotativo.

Despeje cerca de 4 mililitros da mistura de 20 para 1 de PDMS sobre o molde mestre para a camada fluidica e faça o spin coating da pastilha por 40 segundos a 1200 rpm para obter uma camada com 60 micrômetros de espessura. Após uma hora de tempo total decorrido, abra o forno, coloque a pastilha com revestimento por spin ao lado da camada de controle e aqueça-as juntas por mais 15 minutos a 80 graus Celsius. Em seguida, após 75 minutos de tempo total decorrido, retire as duas pastilhas do forno.

Primeiro, retire a mistura cinco para um de PDMS para a camada de controle. Recorte os chips usando uma lâmina de barbear. Em seguida, faça os orifícios para as entradas utilizando um furador de biópsia de um milímetro.

Em seguida, utilize fita adesiva para remover qualquer resíduo das pastilhas cortadas da camada de controle. Uma vez que as pastilhas estejam limpas, use um microscópio estéreo para alinhar a pastilha da camada de controle sobre o molde mestre da camada fluidica. Depois, despeje e distribua o PDMS residual ao redor das pastilhas montadas.

E coloque todo o conjunto em um forno a 80 graus Celsius. Asse os dispositivos montados durante a noite. No dia seguinte, retire o conjunto curado do forno e deixe esfriar até a temperatura ambiente.

Em seguida, retire o conjunto de PDMS do molde mestre da camada fluidica. Uma vez liberado do molde mestre, corte os dispositivos fabricados de dupla camada com uma lâmina e use um furador de biópsia de 1,5 milímetro para formar as entradas e saídas fluidicas. A seguir, trate lâminas de vidro e a camada fluidica do dispositivo montado com descarga por corona por um minuto ou use plasma de oxigênio e, em seguida, una imediatamente as duas superfícies para completar o dispositivo microfluídico.

Asse os chips duplos laminados em um forno a 70 a 80 graus Celsius por pelo menos quatro horas. Para manipular o regime de fluxo usando uma bomba de seringa e um controlador pneumático, conecte primeiro as seringas previamente carregadas e colocadas na bomba de seringa às entradas fluidicas do dispositivo microfluídico e o sistema do controlador pneumático às entradas de controle do dispositivo microfluídico. Para visualizar o fluxo, carregue uma das seringas com um corante aquoso e faça-o fluir para a câmara a uma taxa de fluxo de 20 microlitros por minuto.

Em seguida, utilize o sistema controlador pneumático para fechar a válvula atuando-a a três bar. É importante observar que o fluido ainda pode fluir ao redor da válvula após seu fechamento, e essa característica é fundamental para alcançar um tratamento químico controlado da estrutura aprisionada, como polímeros de coordenação. Para abrir a válvula, basta utilizar o sistema controlador para liberar a pressão.

Enquanto a solução desmoldante flui pelo primeiro canal, injete outro fluido aquoso no segundo canal de entrada à mesma taxa de fluxo, formando uma interface entre os dois fluxos aquosos. Em seguida, feche a válvula atuando-a a três bar. A atuação da válvula durante o fluxo duplo altera a interface entre os dois fluxos aquosos.

A seguir, altere as taxas de fluxo dos dois êmbolos para 30 microlitros por minuto e 10 microlitros por minuto, respectivamente, a fim de deslocar a interface entre os dois fluidos. Para visualizar a capacidade da válvula de aprisionar micropartículas, prepare primeiro uma solução aquosa contendo 10% de micropartículas fluorescentes de poliestireno em peso. Introduza o fluido carregado com partículas nos dois canais de entrada a uma taxa de fluxo total de 20 microlitros por minuto.

Aguarde dois minutos até que um fluxo estável seja estabelecido. Em seguida, excite as microesferas fluorescentes utilizando uma fonte com comprimento de onda de 488 nanômetros para visualizá-las da melhor forma. Quando estiver pronto, acione a válvula a três bar para fechá-la.

Imagem a área da válvula para observar várias partículas aprisionadas sob a válvula e localizadas na superfície enquanto o fluxo é mantido. A injeção de gás através dos canais na camada de controle comprime a camada de fluido em direção à superfície. Isso pode ser usado para desviar os fluidos ao redor da região controlada pelo atuador, aqui indicada pela ausência de um corante de rodamina.

Esses atuadores pneumáticos também podem ser usados para aprisionar partículas ou células, como essas micropartículas fluorescentes que foram aprisionadas na superfície do microcanal. Outra característica deste dispositivo é sua capacidade de aprisionar polímeros de coordenação gerados por NC2 por meio da ativação da gaiola pneumática. Para esta configuração, são utilizados dois fluxos de reagentes e uma reação química controlada ocorre na interface entre os dois líquidos no fluxo laminar.

Uma vez aprisionados, os polímeros de coordenação podem ser tratados quimicamente de maneira controlada utilizando as válvulas pneumáticas. Se você está assistindo a este vídeo, deve ter um bom entendimento de como fabricar efetivamente um dispositivo microfluídico de dupla camada, que pode ser usado para conduzir reações químicas controladas em várias estruturas tubulares. Ao tentar este procedimento, é importante respeitar o intervalo de tempo e a temperatura relatados no presente protocolo.

Caso contrário, seu esforço pode resultar na fabricação de dispositivos não ligados, defeituosos e, portanto, não funcionais. Após seu desenvolvimento, essa técnica abre caminho para pesquisadores na área de ciência dos materiais explorarem diversos tipos de tratamentos químicos controlados dentro de tubos, com alta precisão, utilizando uma plataforma microfluídica de dupla camada.