Migração lateral induzida por trilhos de partículas através de co intacto

Scientific Reports volume 12, Artigo número: 21775 (2022) Citar este artigo

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Este artigo apresenta um método guiado por trilho para aplicar um revestimento Camada por Camada (LbL) em partículas em um dispositivo microfluídico. A abordagem microfluídica passiva permite o manuseio de suspensões de partículas a serem revestidas no sistema. A trajetória das partículas é controlada por meio de trilhos gravados, induzindo o movimento lateral das partículas enquanto mantém o fluxo do líquido orientado axialmente (e a interface dos diferentes líquidos) intacto. A profundidade e o ângulo dos trilhos juntamente com a velocidade do líquido foram estudados para determinar uma geometria viável do dispositivo. Um procedimento de revestimento LbL descontínuo foi convertido em um processo contínuo, demonstrando que o chip pode executar sete etapas consecutivas normalmente conduzidas em operação em lote, facilmente extensíveis a números de ciclos maiores. O revestimento das partículas com duas bicamadas foi confirmado por microscopia de fluorescência.

A capacidade de manipular micropartículas é crucial para muitas aplicações em engenharia, química, biologia e física. Várias aplicações requerem processamento, classificação ou automontagem de partículas. O projeto de partículas avançadas requer o uso de processos de deposição para produzir blocos de construção nanoestruturados complexos. Uma das técnicas de deposição muito populares atualmente é o método de montagem camada por camada (LbL) 1,2 introduzido por Decher et al. Este método apresenta muitas vantagens: simplicidade de preparo, versatilidade, aprimoramento das propriedades do material, controle da estrutura do material, porosidade, robustez, possibilidade de aplicação de altas cargas de biomoléculas nos filmes3. O método LbL recebeu atenção considerável nas áreas de engenharia e biomédica e é aplicado, por exemplo, na distribuição de medicamentos, óptica integrada, sensores e revestimentos redutores de fricção. No método LbL clássico, filmes finos são formados pela deposição subsequente de polieletrólitos de carga oposta (eletrólitos poliméricos) em um substrato de qualquer formato, resultando em multicamadas de polieletrólitos. A adsorção do filme é principalmente o resultado de interações eletrostáticas que ocorrem entre eletrólitos policatiônicos e polianiônicos. A camada pode ser obtida de múltiplas maneiras, por exemplo, por revestimento por imersão, revestimento por centrifugação ou revestimento por pulverização. A automação dos processos LbL utilizando reatores convencionais de macroescala é altamente desejável, mas difícil de implementar. Estes processos demorados e não contínuos geralmente requerem equipamentos volumosos e caros. Além disso, são frequentemente encontrados problemas como a não uniformidade e agregação de microcápsulas, exigindo a aplicação de etapas de processamento a jusante, como centrifugação, lavagem e ressuspensão. Além disso, o consumo de reagentes é maior em processos descontínuos, o que pode ser um fator importante quando, por exemplo, está envolvido um medicamento caro.

O manuseio de partículas é essencial nas abordagens de fabricação de partículas. Entre muitas técnicas disponíveis, as pinças ópticas são extremamente poderosas para manipular objetos individuais. As pinças ópticas usam forças exercidas por um feixe de luz fortemente focado para capturar e mover partículas que variam em tamanho de dezenas de nanômetros a dezenas de micrômetros e podem ser usadas para organizar montagens planares de partículas coloidais, mas também para construir bombas ópticas e válvulas construídas de partículas coloidais em canais microfluídicos ativados com pinças ópticas . Outra técnica para manipular partículas utiliza ondas sonoras, exigindo uma densidade de potência menor do que as pinças ópticas. Ding et al. desenvolveram um dispositivo acústico, baseado em ondas acústicas de superfície estacionária que pode capturar e manipular micropartículas únicas com controle em tempo real7. Uma onda estacionária acústica de fluxo contínuo é usada para a separação de partículas em uma faixa de tamanho de dezenas de nanômetros a dezenas de micrômetros. A tecnologia de pinça acústica facilita o foco, a separação, o alinhamento e a padronização das partículas8,9,10. Uma onda acústica de superfície focada (FSAW) foi usada em um ambiente microfluídico para produzir microcápsulas com estrutura núcleo-invólucro . Partículas magnéticas podem ser manipuladas em canais microfluídicos com o uso de campo magnético . O magnetismo tem sido usado em microfluídica para atuação, manipulação e detecção. As forças envolvidas na micromagnetofluídica foram extensivamente descritas e são geralmente bem compreendidas . Muitas aplicações foram desenvolvidas até agora, tendo como exemplo proeminente a separação magnética de fluxo contínuo de partículas e células . Outro método ativo para controlar o movimento das partículas é a dieletroforese de ângulo inclinado . A trajetória em zigue-zague das partículas através de três fluxos laminares paralelos foi realizada por meio de pares de eletrodos paralelos inclinados adjacentes, dispostos em zigue-zague ao redor do canal microfluídico . Métodos para controlar o movimento de micropartículas em dispositivos microfluídicos já foram extensivamente estudados e relatados .

15 mm s−1 with a rail depth < 100 µm. Regime 2 was observed for velocities of the liquids > 15 mm s−1 and rails of the depth > 160 µm. Regime 3 was observed for low velocities of the liquids < 15 mm s−1 for all tested rails./p> > D0, and therefore Deff is determined by the roughness of the channel walls, Deff ≈ Rgvrg/4, while thermal diffusion is negligibly small in comparison to the random movements due to the wall imperfections. Using Stokes–Einstein formula, we can formally introduce an effective “temperature”, Teff, that characterizes the fluctuations of the particle motion due to the roughness of the channel wall, Deff = kBTeff/(6πηrp). We note that this quantity, Teff, has a different nature than usual T (which is a measure of thermal noise) and characterizes the intensity of the noise resulting from the collisions of a particle with the surface roughness: Teff = f(Rg)./p> 5 mm between them./p> > w, is related to the coordinate y by the simple analytical expression:/p>, measured experimentally, and therefore it is useful to express v(y) via this known quantity. The average velocity can be calculated by integrating Eq. (3) along the height, from −w/2 to w/2, and dividing by w, resulting in:/p>> w, and the maximum value,/p>, is related with vmax(x = 0) via the same relation as and vmax in Eq. (6):/p>