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Jan 18, 2024

Die Schiene verursachte eine seitliche Wanderung von Partikeln über intakte Co

Wissenschaftliche Berichte Band 12,

Wissenschaftliche Berichte Band 12, Artikelnummer: 21775 (2022) Diesen Artikel zitieren

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In diesem Artikel wird eine schienengeführte Methode zum Auftragen einer Schicht-für-Schicht-Beschichtung (LbL) auf Partikel in einem Mikrofluidikgerät vorgestellt. Der passive mikrofluidische Ansatz ermöglicht die Handhabung von Partikelsuspensionen, die im System beschichtet werden sollen. Die Flugbahn der Partikel wird mithilfe gravierter Schienen gesteuert, die eine seitliche Bewegung der Partikel induzieren und gleichzeitig den axial ausgerichteten Flüssigkeitsfluss (und die Grenzfläche verschiedener Flüssigkeiten) ungestört halten. Die Tiefe und der Winkel der Schienen sowie die Flüssigkeitsgeschwindigkeit wurden untersucht, um eine funktionsfähige Geometrie des Geräts zu bestimmen. Ein diskontinuierliches LbL-Beschichtungsverfahren wurde in einen kontinuierlichen Prozess umgewandelt. Dies zeigt, dass der Chip sieben aufeinanderfolgende Schritte ausführen kann, die normalerweise im Batch-Betrieb durchgeführt werden, und sich zudem problemlos auf größere Zykluszahlen erweitern lässt. Die Beschichtung der Partikel mit zwei Doppelschichten wurde durch Fluoreszenzmikroskopie bestätigt.

Die Fähigkeit, Mikropartikel zu manipulieren, ist für viele Anwendungen in der Technik, Chemie, Biologie und Physik von entscheidender Bedeutung. Verschiedene Anwendungen erfordern die Verarbeitung, Sortierung oder Selbstorganisation von Partikeln. Das Design fortschrittlicher Partikel erfordert den Einsatz von Abscheidungsprozessen, um komplexe, nanostrukturierte Bausteine ​​herzustellen. Eine der heutzutage sehr beliebten Abscheidungstechniken ist die von Decher et al. eingeführte Layer-by-Layer-Assembly-Methode (LbL) 1,2. Diese Methode hat viele Vorteile: einfache Vorbereitung, Vielseitigkeit, Verbesserung der Materialeigenschaften, Kontrolle über die Materialstruktur, Porosität, Robustheit, Möglichkeit der Anwendung hoher Biomolekülbeladungen in den Filmen3. Die LbL-Methode erregte im Ingenieurwesen und in der Biomedizin große Aufmerksamkeit und wird beispielsweise bei der Arzneimittelabgabe, integrierten Optiken, Sensoren und reibungsmindernden Beschichtungen eingesetzt. Bei der klassischen LbL-Methode werden durch anschließende Abscheidung entgegengesetzt geladener Polyelektrolyte (Polymerelektrolyte) auf einem beliebig geformten Substrat dünne Filme gebildet, wodurch Polyelektrolyt-Mehrfachschichten entstehen. Die Adsorption des Films ist hauptsächlich das Ergebnis elektrostatischer Wechselwirkungen zwischen polykationischen und polyanionischen Elektrolyten. Die Schicht kann auf verschiedene Weise erreicht werden, beispielsweise durch Tauchbeschichten, Schleuderbeschichten oder Sprühbeschichten. Eine Automatisierung der LbL-Prozesse mithilfe herkömmlicher Makroreaktoren ist äußerst wünschenswert, aber schwer umzusetzen. Diese zeitaufwändigen und nicht kontinuierlichen Prozesse erfordern im Allgemeinen sperrige und teure Geräte. Darüber hinaus treten häufig Probleme wie Ungleichmäßigkeit und Aggregation von Mikrokapseln auf, die die Anwendung nachgelagerter Verarbeitungsschritte wie Zentrifugieren, Waschen und Resuspendieren erfordern. Außerdem ist der Reagenzienverbrauch bei Batch-Prozessen höher, was ein wichtiger Faktor sein kann, wenn es sich beispielsweise um ein teures Medikament handelt.

Der Umgang mit Partikeln ist bei Ansätzen zur Partikelherstellung von wesentlicher Bedeutung. Unter den vielen verfügbaren Techniken sind optische Pinzetten bemerkenswert leistungsfähig, um einzelne Objekte zu manipulieren. Optische Pinzetten nutzen die von einem stark fokussierten Lichtstrahl ausgeübten Kräfte, um Partikel mit einer Größe von mehreren zehn Nanometern bis zu mehreren zehn Mikrometern einzufangen und zu bewegen. Sie können zum Organisieren planarer Anordnungen kolloidaler Partikel, aber auch zum Bau optischer Pumpen und Ventile verwendet werden Kolloidale Partikel in mikrofluidischen Kanälen, aktiviert mit optischen Pinzetten4,5,6. Eine andere Technik zur Manipulation von Partikeln nutzt Schallwellen, die eine geringere Leistungsdichte erfordern als optische Pinzetten. Ding et al. entwickelte ein akustisches Gerät, das auf stehenden akustischen Oberflächenwellen basiert und einzelne Mikropartikel mit Echtzeitsteuerung einfangen und manipulieren kann7. Eine kontinuierlich fließende akustische Stehwelle wird zur Trennung von Partikeln in einem Größenbereich von mehreren zehn Nanometern bis zu mehreren zehn Mikrometern verwendet. Die akustische Pinzettentechnologie erleichtert die Fokussierung, Trennung, Ausrichtung und Strukturierung von Partikeln8,9,10. Eine fokussierte akustische Oberflächenwelle (FSAW) wurde in einer mikrofluidischen Umgebung verwendet, um Mikrokapseln mit einer Kern-Schale-Struktur herzustellen11. Magnetische Partikel können in mikrofluidischen Kanälen mithilfe eines Magnetfelds manipuliert werden12,13. Magnetismus wird in der Mikrofluidik zur Betätigung, Manipulation und Erkennung eingesetzt. Die bei der Mikromagnetofluidik beteiligten Kräfte wurden ausführlich beschrieben und sind im Allgemeinen gut verstanden14. Bisher wurden viele Anwendungen entwickelt, wobei ein herausragendes Beispiel die kontinuierliche magnetische Trennung von Partikeln und Zellen ist15. Eine weitere aktive Methode zur Steuerung der Partikelbewegung ist die Neigungswinkel-Dielektrophorese16. Die Zick-Zack-Flugbahn von Partikeln durch drei parallele laminare Ströme wurde mithilfe von Paaren benachbarter geneigter paralleler Elektroden realisiert, die im Zickzack um den Mikrofluidikkanal angeordnet waren16. Methoden zur Steuerung der Bewegung von Mikropartikeln in mikrofluidischen Geräten wurden bereits ausführlich untersucht und beschrieben17.

Die oben beschriebenen Technologien, die auf Optik, Akustik, Magnetismus oder Dielektrophorese basieren, erfordern zusätzliche externe Kräfte und wirken sich manchmal nur auf Partikel mit bestimmten (z. B. magnetischen) Eigenschaften aus. Darüber hinaus erfordern einige dieser Methoden eine sehr teure Ausrüstung.

Die passive Steuerung der Bewegung von Mikropartikeln in der Mikrofluidik ist eine Herausforderung, wurde jedoch erfolgreich durchgeführt. Es gibt Methoden, die auf Trägheitseffekten oder auf Führungsstrukturen basieren, wobei das Kanal- und Funktionsstrukturdesign das entscheidende Element ist, das die Partikelmanipulation ermöglicht.

Trägheitsmikrofluidik nutzt die Trägheit von Flüssigkeiten, um das Mischen zu verbessern und die Partikeltrennung und -fokussierung zu bewirken18. Durch die Integration gekrümmter Kanäle (z. B. spiralförmig) kann die Trägheitsmikrofluidik zur kontinuierlichen Trennung von Partikeln basierend auf ihrer Größe genutzt werden19. Sangupta et al. bemerkten, dass Kolloidpartikel Linien (Rillen) im Mikrofluidikchip folgen können20. Diese Defektlinien waren zufällig und die Flugbahnlinien wurden nicht absichtlich entworfen. Andere konzentrierten sich auf die Steuerung der Flugbahn der Partikel im Mikrofluidikchip mithilfe speziell entwickelter Führungsstrukturen. Park et al. untersuchten die Fähigkeit, maßgeschneiderte Partikel, die zur Schiene passen, nur dann zu sortieren, wenn sie eine bestimmte Ausrichtung haben21. Das Konzept der Schienen für speziell entworfene Partikel wurde ebenfalls nicht nur zu deren Führung, sondern auch zu deren Montage auf dem Chip22,23,24 genutzt.

Bei der Manipulation von Tröpfchen kann eine größere Vielfalt an Führungsstrukturen gefunden werden. Kantak et al. durch Hindernisse auferlegte Tröpfchenbahnen, um Tröpfchen LbL auf dem Chip zu beschichten25. Es wurde auch eine andere Methode entwickelt, bei der die Tröpfchen durch ein Kanaldach begrenzt und durch Schienen und Anker, die in die Kanaloberseite geätzt wurden, aufgefangen und geleitet werden. Um die Oberflächenenergie der Tröpfchen zu verringern, gelangen sie in eine lokale Vertiefung26. Ahn et al. stellten eine einfache Methode zum Führen, Verteilen und Speichern einer Tröpfchenfolge unter Verwendung von Seitenströmen, Hohlraumführungsbahnen und Speicherkammern vor27. Schienenkonstruktionen wurden auch zur Sortierung von Gasblasen in Flüssigkeiten verwendet28.

Eine andere Methode beinhaltet magnetische Wechselwirkung. Mit ferromagnetischen Schienen werden lokal magnetische Potentialtöpfe erzeugt. Wenn das Feld ausgeschaltet ist, folgen die magnetischen Tröpfchen dem Flüssigkeitsfluss. Durch das Einschalten des Magnetfelds erfahren Tröpfchen eine magnetische Kraft, die ihre Flugbahn beim Überqueren der magnetisierten Schiene29 beeinflusst. Eine Kombination aus aktiver (optischer) Lasermanipulation und passiver Manipulation durch Strukturen wie Schienen und Anker wurde in der Mikrofluidik verwendet, um 2D-Arrays mit Tröpfchen auf hochselektive Weise zu strukturieren30.

In der vorliegenden Arbeit stellen wir ein Konzept zur Manipulation der Partikelbahn in mikrofluidischen Kanälen vor. Wir stellen eine passive Methode vor, die weder eine äußere Kraft noch spezifische Eigenschaften der Mikropartikel erfordert. Wir zeigen den Einsatz einer Partikelführungsschiene mit dem Ziel, die Partikel mit mehreren parallel laufenden Flüssigkeiten in Kontakt zu bringen. Der Einfluss der Schienengeometrie (Höhe und Winkel der Schiene) auf die Stabilität der partikelgeführten Bewegung sowie der (Grenzfläche) der mitströmenden Flüssigkeiten wird untersucht. Die Verwendung von Schienen am Boden des Kanals ist praktischer als die Verwendung von Strukturen im Mikrofluidikkanal (z. B. Säulen), da diese weniger anfällig für Verstopfungen während der LbL-Beschichtung sind, was sich auf die Gewährleistung der Stabilität multilaminarer Strömungen auswirkt.

Anschließend erstellen wir eine Betriebskarte der erhaltenen Flüssigkeitsregime und wenden dieses Wissen an, um einen mikrofluidischen Chip zu entwerfen und zu validieren, der sieben aufeinanderfolgende Schritte in einer LbL-Beschichtungsmethode ersetzt. Die On-Chip-Beschichtung erfolgt schnell und dauert nur wenige zehn Sekunden.

Der Chip wurde im eigenen Haus durch Mahlen von Polymethylmethacrylat (PMMA) als Substrat hergestellt. Der Chip-Umriss ist in Abb. 1 dargestellt. Der Chip besteht aus drei verschiedenen Schichten, die anschließend zusammengesetzt und verklebt wurden. Der Chip hat drei Einlässe und drei Auslässe und die Abmessungen der oberen Schicht betragen 6 mm × 50 mm (2 mm dick). Die mittlere Schicht ist 1 mm dick und hat einen 4 mm breiten und 30 mm langen Kanal. Der untere Teil des Chips ist 2 mm dick und auf seiner Oberfläche ist eine Nut (Schiene) eingefräst. Am Anfang der Schiene befindet sich ein Rillenbereich in Form eines Dreiecks, um das Einfangen der während des Experiments mit der Flüssigkeit eingebrachten Partikel zu erleichtern. Die Breite der Schiene beträgt 300 µm und die Tiefe der Schiene beträgt je nach Chipdesign 45 bis 310 µm. Die Tiefe der Schiene wurde mit einem Profilometer (Filmetrics Profilm 3D) bestimmt. Vor dem Bonden des Chips wurden für jede Schiene Messungen an fünf verschiedenen Positionen durchgeführt (Abb. 2). Die gleiche Methode wurde zur Messung der Rauheit Rg der Unterseite des Chips und der Schiene angewendet. Nach dem Testen verschiedener Schienenwinkel: 0°, 5°, 10°, 15°; Es wurde ein Zick-Zack-Chip entworfen und hergestellt (Abb. 1d). Der Zick-Zack-Chip wurde für die LbL-Beschichtung von Partikeln auf dem Chip entwickelt und besteht ähnlich wie die vorherigen Chips aus drei Schichten, ist jedoch länger (die obere Schicht hat die Abmessungen 6 mm × 20 cm, die mittlere Schicht hat die Abmessungen 6 mm × 20 cm). (ein 4 mm breiter und 18 cm langer Kanal) und seine Schiene besteht aus 0°- und 5°-Schienen, die in Zick-Zack-Form miteinander verbunden sind. Der Zick-Zack-Chip kann daher vier Schienensegmente im 5°-Winkel zur Kanalrichtung aufnehmen (siehe Abb. 1d). Als Beispiel für einen Zick-Zack-Chip ist in Abb. 1S ein Bild eines PMMA-Chips mit Zick-Zack-Stufenkanal dargestellt.

Schema des Chips: (a) Draufsicht, (b) Teile des Chips, (c) Seitenansicht, (d) ein Zick-Zack-Chip [nicht maßstabsgetreu: Der Zick-Zack-Chip ist länger als ein Single-Rail Span in (c) (50 mm)].

Profilometermessung der Schienentiefe vor dem Bonden der Chipteile: (a) 3D-Ansicht, (b) Linienprofil.

Ethanol wurde aus mehreren Gründen als Trägerflüssigkeit ausgewählt, um das Verhalten des Flüssigkeitsflusses im Chip zu untersuchen. Der wichtigste Grund ist, dass es ein ausgezeichnetes Lösungsmittel für viele Chemikalien ist. Darüber hinaus benetzt es PMMA, was eine einfache Entfernung von Gasblasen gewährleistet und verhindert, dass Partikel an der Oberfläche haften bleiben.

Durch die drei Einlässe wurde Ethanol in den Chip eingeführt. Der mittlere Strom war rein, während die angrenzenden Ströme mit blauem Farbstoff gefärbt waren, um den Fluss sichtbar zu machen, siehe Abb. 3a. Die Fließgeschwindigkeit aller drei Flüssigkeiten wurde mit einer Spritzenpumpe gesteuert. Die Flüssigkeiten wurden immer mit der gleichen Flussrate im Bereich von 20 bis 240 ml h−1 mit entsprechenden linearen Flüssigkeitsgeschwindigkeiten von 4,2 bis 50 mm s−1 eingeführt. Beachten Sie, dass sich diese Werte auf durchschnittliche Flüssigkeitsgeschwindigkeiten im Chip beziehen. Die Flüssigkeitsgeschwindigkeit ist im zentralen Teil der Strömung maximal und nimmt an der Grenze auf Null ab. Daher ist die Flüssigkeitsgeschwindigkeit auf der Ebene der Partikel, die sich in der Nähe der Unterseite des Chips bewegen, wesentlich kleiner als der Durchschnittswert. Die tatsächlichen Flüssigkeitsgeschwindigkeiten auf Partikelebene werden unten unter „Methoden“, „Fluidgeschwindigkeitsprofil“ geschätzt.

(a) Schema des Experiments: (i) Draufsicht auf den Chip, (ii) Querschnitt durch den Chip. (b) Drei Regime beobachtet für eine Schiene in einem Winkel von 15°, Maßstabsbalken 1 mm.

Bei der Durchführung der Experimente wurden drei Verhaltensweisen der Flüssigkeitsströmung beobachtet, die im Folgenden als Regime 1, 2 und 3 bezeichnet werden, siehe Abb. 3b.

Es werden drei deutliche Streifen in blau-transparent-blauen, mitströmenden Flüssigkeiten beobachtet. Die Flüssigkeit im gesamten Bereich des Mittelstrahls ist transparent. Das bedeutet, dass sich (transparentes) Ethanol in der Schiene und im Kanal über der Schiene befindet. Abhängig von der Position der Schiene im Chip wird die Schiene mit den unterschiedlichen Flüssigkeiten gefüllt. Es wird durch die darüber fließende Flüssigkeit gefüllt.

Obwohl der Gleichstrom der drei Flüssigkeiten erkennbar ist, ist entlang der gesamten Länge der Schiene blau gefärbtes Ethanol vorhanden. Dies ist im Chip sichtbar, wo transparentes Ethanol in der Mitte des Kanals fließt, während unten blau gefärbtes Ethanol innerhalb der Schiene fließt. Der Anfang der Schiene befindet sich am Eingang des Chips, wo blau gefärbtes Ethanol eingeführt wird. Diese Flüssigkeit dringt in die Schiene ein und füllt sie über ihre gesamte Länge aus.

Klare Grenzen zwischen mitströmenden Flüssigkeiten sind nicht mehr erkennbar. Blauer Farbstoff bedeckt den Bereich des Mittelstroms.

Das Auftreten der drei Regime des Flüssigkeitstransports in der Schiene als Funktion der Schienentiefe und der Flüssigkeitsgeschwindigkeit ist in Abb. 4 zusammengefasst. Regime 1 wurde für Geschwindigkeiten der Flüssigkeiten > 15 mm s−1 bei einer Schienentiefe < 100 µm beobachtet . Regime 2 wurde für Geschwindigkeiten der Flüssigkeiten > 15 mm s−1 und Schienen mit einer Tiefe > 160 µm beobachtet. Regime 3 wurde für niedrige Geschwindigkeiten der Flüssigkeiten < 15 mm s−1 für alle getesteten Schienen beobachtet.

Karte, die zeigt, wo die drei Regime des Flüssigkeitstransports in einer Schiene als Funktion der Schienentiefe und der Flüssigkeitsströmungsrate beobachtet werden.

Mit dem Ziel, Bedingungen für wiederholte chemische Behandlungen von Partikeln zu schaffen, werden nur die Bedingungen, die zu Regime 1 führen, als angemessen angesehen, da jeder Partikel, der sich in der Schiene bewegt, mit der Flüssigkeit in Kontakt stehen muss, die von derselben Art ist wie die Flüssigkeit über der Schiene. Bei LbL-Beschichtungsverfahren müssen sich die Partikel beispielsweise durch drei verschiedene Flüssigkeiten bewegen, um eine Doppelschichtbeschichtung zu erhalten, dh: Flüssigkeit mit erstem Beschichtungsmittel, dann Spülflüssigkeit, dann Flüssigkeit mit zweitem Beschichtungsmittel.

Um zu testen, wie die Partikel der Schiene folgen, wurden Kugeln mit einem Durchmesser von 89 µm als Suspension in blau gefärbtem Ethanol in den Chip eingebracht. Die Suspension wurde am Einlass eingeführt, der mit dem Anfangsteil der Schiene verbunden ist. Die Geschwindigkeit der in den Chip eingebrachten Partikel nimmt schnell ab, sobald die Partikel die Unterseite des Chips berühren. Es ist entscheidend, dass die Partikel die Oberfläche der Unterseite des Chips berühren, damit sie in der Schiene verbleiben können. Der Bereich des Chips (4 mm breit × 10 mm lang), in dem die Schiene den Flüssigkeitsstrom kreuzt, wurde überwacht, um zu bewerten, ob die Partikel der Schiene folgen und dabei drei Flüssigkeitsströme kreuzen (siehe Abb. 5). Das Partikel muss der Schiene folgen, ohne mit anderen Partikeln zu kollidieren. Andernfalls kann es zu Stößen und anschließendem Austritt eines oder beider Partikel kommen. In der vorliegenden Studie wurden nur Einzelpartikelereignisse berücksichtigt.

(a) Partikel folgen der Schiene von 10°, Tiefe 45 µm, Flüssigkeitsgeschwindigkeit 12,5 mm/s; (b) Partikel, die aus der Schiene austreten, 15°, Tiefe 73 µm, Flüssigkeitsgeschwindigkeit 12,5 mm/s. Maßstabsbalken sind 1 mm.

Untersucht wurde das Verhalten der Partikel auf den Schienen bei folgenden Winkeln zur Kanalachse: 0°, 5°, 10° und 15° (siehe Abb. 6). Das Schema der Chips ist in Abb. 6d dargestellt. Die Tiefen der Schiene betrugen 45 ± 1 µm und 70 ± 1 µm. Der Bereich der untersuchten Flüssigkeitsströmungsgeschwindigkeit betrug 4,2–42,0 mm s−1. Es wurde beobachtet, dass bei einer linearen Flüssigkeitsgeschwindigkeit unter 6,5 mm s−1 Partikel nicht ungestört durch den Chip wandern und oft an der Oberfläche des Chips anhalten.

Fraktion der Partikel mit ø 89 µm, die der Schiene mit einer Tiefe von (a) 45 ± 1 µm und (b) 72 ± 1 µm folgen. (c) Geschwindigkeit von Teilchen, die einer Schiene folgen. Stabilität und Geschwindigkeit der Partikel hängen von der Schienentiefe, dem Winkel und der Durchflussrate der Trägerflüssigkeit ab. (d) Schema der Chips.

Wir haben die sich in der Schiene bewegenden Partikel aufgezeichnet und ihre Geschwindigkeit mit GDPTlab v1.2 und Matlab GUI31 gemessen. Zunächst wurden die Farben von Schwarz-Weiß-Bildern mithilfe eines Matlab-Codes invertiert, da GDPTlab nur mit Dunkelfeldbildern (dunkler Hintergrund und helle Partikelbilder) funktioniert. Anschließend analysierten wir die Positionen jedes Partikels mit GDPTlab und maßen seine Verschiebung für eine bestimmte Zeit (Abb. 6c). Jeder Punkt repräsentiert die Messung von mindestens 10 Partikeln. Die relative Standardabweichung (RSD) der Partikelgeschwindigkeit betrug 15 %. Die durchschnittliche Flüssigkeitsgeschwindigkeit wurde berechnet, indem die Zeit gemessen wurde, in der die Flüssigkeit am Auslass des Chips in einem Messzylinder gesammelt wurde. Der RSD der Flüssigkeitsgeschwindigkeit betrug 5 %. Die Geschwindigkeit des Teilchens, das der Schiene folgt, ist viel geringer als die des Teilchens außerhalb der Schiene. Insgesamt war die Partikelverschiebung in der Schiene (in Schienenrichtung) etwa zehnmal langsamer als die durchschnittliche Flüssigkeitsgeschwindigkeit (in axialer Richtung) im Kanal (siehe „Methoden“, „Fluidgeschwindigkeitsprofil“).

Die beobachtete Verringerung der Lineargeschwindigkeit ist einerseits auf eine geringere lokale Geschwindigkeit als die Durchschnittsgeschwindigkeit im gesamten Kanal und andererseits auf das Auftreten der auf das Partikel wirkenden (Rotations- und Reibungs-)Kräfte zurückzuführen. Um das Ausmaß des Geschwindigkeitseffekts abzuschätzen, wurden COMSOL-Simulationen bei verschiedenen Rillenwinkeln von 0° bis 15° durchgeführt, unter der Annahme einer festen durchschnittlichen axialen Strömungsrate von 25 mm (s−1 Re = 18,4). Die Größe des Axialgeschwindigkeitsfeldes ist in Abb. 7a dargestellt. Wie zu erkennen ist, hat das Vorhandensein der flachen Rille nur einen geringen Einfluss auf das axiale Geschwindigkeitsfeld im Mikrofluidikkanal. Um die beobachtete Geschwindigkeit der Partikel in der Rille zu vergleichen, wurde die lokale Flüssigkeitsgeschwindigkeit in Rillenrichtung auf einer Höhe des Partikelradius (44,5 µm) gemessen. Aus Abb. 7b ist ersichtlich, dass bei einer flacheren Rille etwas höhere Geschwindigkeiten beobachtet werden. Darüber hinaus nimmt die Geschwindigkeit mit zunehmendem Winkel leicht ab. Mit 25 mm s−1 ist die Flüssigkeitsgeschwindigkeit auf der Ebene des Partikelzentrums (5,4 ± 0,1 mm s−1 für eine 70 µm tiefe Rille und 6,3 ± 0,1 mm s−1 für eine 40 µm tiefe Rille) viel kleiner als der Durchschnitt Strömungsgeschwindigkeit (25 mm s−1), aber immer noch erheblich größer als die beobachtete Partikelgeschwindigkeit (3,0 ± 1,0 mm s−1). Die lokale Geschwindigkeit kann je nach Position der Schiene leicht variieren. Es wurde angenommen, dass das Partikel nahe der Mitte der Rille bleibt, während es in Wirklichkeit zur Rillenwand gedrückt wird, wo die Geschwindigkeit etwas geringer ist (d. h. 3,2 ± 0,1 mm s−1 für die 70 µm tiefe Rille und 4,9 mm s−1 für die 70 µm tiefe Rille). ± 0,1 mm s−1 für die 40 µm tiefe Rille). Der verbleibende Geschwindigkeitsunterschied kann auf Reibungs- und Rotationskräfte zurückgeführt werden (weitere Einzelheiten finden Sie im Abschnitt unten).

COMSOL-Simulation bei einer Flüssigkeitsströmungsrate von 25 mm s−1. (a) Querschnitt des Mikrofluidikkanals, der das axiale Geschwindigkeitsfeld zeigt. (b) Lokale Flüssigkeitsgeschwindigkeit in Richtung der Rille für verschiedene Rillenwinkel und -tiefen, in der Mitte der Rille (Quadrate) und nahe der Rillenwand (Kreise).

Abbildung 6a zeigt den Anteil der Partikel, die der Schiene mit einer Tiefe von 45 ± 1 µm folgen. Es wird beobachtet, dass mit zunehmender Geschwindigkeit der Flüssigkeit mehr Partikel aus der Schiene austreten. Bemerkenswert ist, dass auch der Winkel der Schiene ein wichtiger Faktor ist. Alle Partikel bewegen sich innerhalb der Flugbahn der Schiene von 0° und 5° bis zu einer Flüssigkeitsgeschwindigkeit von 25 mm s−1. Zum Vergleich: Bei derselben Flüssigkeitsgeschwindigkeit von 25 mm s−1 verbleibt keines der Partikel in der Schiene mit den Winkeln 10° und 15°. Je größer der Winkel der Schiene ist, desto höher ist der Anteil der Partikel, der bei einer bestimmten Flüssigkeitsgeschwindigkeit entweicht. Ein weiterer wichtiger Faktor für die Partikelstabilität ist die Tiefe der Schiene. Der Anteil der von der Schiene geführten Partikel ist bei gleicher Flüssigkeitsgeschwindigkeit und gleichem Schienenwinkelzustand viel größer, wenn die Schiene tiefer ist (Abb. 6a, b).

Natürlich spielt auch die Definitionsqualität der Schiene eine entscheidende Rolle. Die CNC-gefrästen Schienen (siehe „Verwendete Materialien und Chemikalien“) weisen kleine Mängel auf. Die mit einem Profilometer (Filmetrics Profilm 3D) bestimmte lokale Rauheit (ausgedrückt als Rg) lag für alle getesteten Kanäle immer im Submikronbereich (siehe Abb. 2b für ein charakteristisches Rauheitsdiagramm). Unterschiede in der Kanaltiefe entlang eines einzelnen Kanals, gemessen an fünf verschiedenen Orten, waren deutlich größer und erreichten bis zu 7 µm zwischen den Maximalwerten (höchster und niedrigster Punkt) innerhalb eines einzelnen Kanals. Die Chip-zu-Chip-Variation in der Tiefe, ausgedrückt als Standardabweichung, betrug 1,0 µm und 2,3 µm für 43,8 µm bzw. 71,0 µm tiefe Kanäle (n = 4).

Obwohl die Linien, die den Anteil der Partikel in der Schiene als Funktion der Flüssigkeitsgeschwindigkeit für ähnliche Chips darstellen, nicht identisch sind, ist es bemerkenswert, dass sie alle die gleiche Position des Schwellenwerts aufweisen, bei dem die Partikel in der Schiene instabil werden Flucht.

Unvollkommenheiten der Oberfläche der Seitenwände und des Schienenbodens können Fluchtereignisse auslösen. Wenn die Oberflächen der Schiene perfekt wären, würde das Kräftegleichgewicht bestimmen, ob ein Teilchen von der Schiene entweicht oder nicht. Beispielsweise würden bei einer ausreichend tiefen Schiene Partikel so lange in der Schiene verbleiben, bis die Auftriebskräfte nicht ausreichen, um den Austritt zu bewirken, und zwar über die gesamte Länge der Schiene. Ist das Kräftegleichgewicht hingegen umgekehrt, wie z. B. bei einer sehr flachen Schiene, würden die Partikel aus der Schiene austreten. Wie jedoch im Experiment beobachtet wurde, beginnen die Fluchtereignisse mit zunehmender Geschwindigkeit an verschiedenen, d. h. zufälligen Positionen der Schiene aufzutreten, wenn der Winkel der Schiene in Bezug auf die Strömungsrichtung zunimmt: Manchmal entweichen Partikel an der Ganz am Anfang der Schiene und manchmal geschieht dies an unterschiedlichen Positionen oder überhaupt nicht (dh das Partikel bleibt innerhalb der Schiene). Dieses Verhalten impliziert, dass der Fluchtvorgang durch Hinzufügen einer zufälligen Kraft in die Bewegungsgleichungen modelliert werden kann, ähnlich der thermischen Kraft im Fall von Brownschen Teilchen. Diese zufällige Kraft kann so interpretiert werden, dass sie durch zufällige Unvollkommenheiten oder Rauheiten an der Schienenoberfläche verursacht wird.

Im Allgemeinen folgt die Bewegung eines Partikels, das in einer Schiene durch die entlang des Kanals fließende Flüssigkeit in dem in Abb. 8 gezeigten Aufbau angetrieben wird, der folgenden Bewegungsgleichung:

Dabei ist m die Masse des Teilchens, \(\ddot{r}\) die zweite Ableitung der Koordinate r nach der Zeit t und die Kräfte \({F}_{g},{F}_{ b},{F}_{l},{F}_{dr},{F}_{w},{F}_{d}\) und \({F}_{wf}\) stehen für die Schwerkraft, der Auftrieb, die Auftriebskraft(en), die Antriebskraft, die Wandreaktionskraft, der Stokes-Widerstand bzw. die Wandreibungskräfte.

(a) Die Bewegung eines Partikels, angetrieben durch den Flüssigkeitsstrom, in der Schiene. Lange blaue Pfeile zeigen den Flüssigkeitsfluss im Chip und kurze blaue Pfeile zeigen den Fluss in der Schiene an. Hauptkräfte und Geschwindigkeiten (im überdämpften Bereich): Die Schwerkraft, Fg, wird durch die Reaktionskraft von der Unterseite der Schiene Frb kompensiert, die Partikelgeschwindigkeit in der Schiene, vpr, proportional zur Fluidgeschwindigkeit in der Schiene, resultierend aus die Flüssigkeitsgeschwindigkeit am Boden des Chips, vfcb, und die Wandreaktionskraft Frw. (b) Imperfektionen am Boden und an den Seitenwänden der Schiene werden durch eine zufällige Kraft modelliert. (c) Beispiele für simulierte Partikelbahnen: Partikel entkommen der Schiene (blaue und grüne Kreise) und folgen der Schiene (rote Kreise).

Wie im Experiment beobachtet, bewegen sich Partikel mit konstanter Geschwindigkeit entlang nahezu gerader Flugbahnen innerhalb der Schiene, was bedeutet, dass die maßgebenden Kräfte in Gl. (1) gleichen sich gegenseitig aus und die Bewegung der Teilchen wird überdämpft. Dadurch können wir die Beschreibung erheblich vereinfachen.

Somit bewegen sich die Partikel mit einer konstanten Geschwindigkeit proportional zur Fluidgeschwindigkeit auf der Ebene des Partikels (siehe „Methoden“, „Fluidgeschwindigkeitsprofil“). Darüber hinaus wird ihre Bewegung aufgrund der Unvollkommenheiten durch eine zufällige Kraft beeinflusst. Diese Bewegung kann durch einfache überdämpfte Gleichungen vom Langevin-Typ in zwei Dimensionen modelliert werden.

Dabei ist v0 die Geschwindigkeit des von der Flüssigkeitsströmung angetriebenen Teilchens (bei Fehlen anderer Kräfte), θ die Richtung der Strömung in Bezug auf den Spankanal, \({\xi }_{0}\left(t \right)=({\xi }_{0, x}\left(t\right),{\xi }_{0, y}\left(t\right))\) ist ein zweidimensionales nicht- korreliertes thermisch ähnliches Gaußsches Rauschen (aufgrund der Imperfektionen) mit Korrelationsfunktionen: \(\langle {\xi }_{0,i}\left(t\right)\rangle =0\) und \(\langle {\ xi }_{0,i}\left(t\right){\xi }_{0,j}\left(0\right)\rangle =2{D}_{0}{\delta }_{ij }\delta \left(t\right)\), wobei (i, j) = (x, y), D0 der Diffusionskoeffizient und δij und δ(t) das Kronecker-Delta-Symbol bzw. die Delta-Funktion sind . Beachten Sie, dass Gl. (2) ähnelt den Langevin-Gleichungen, die die Bewegung angetriebener oder selbstangetriebener Partikel32,33,34,35 beschreiben, wobei die Antriebsgeschwindigkeit v0 der selbstangetriebenen Geschwindigkeit selbstangetriebener Partikel entspricht. Die Zufallskraft \({\xi }_{0}\left(t\right)\) in Gl. (2) ist gaußverteilt und das Maß seiner durchschnittlichen Amplitude ist die „effektive Temperatur“, Teff, die im Allgemeinen die „Rauschintensität“36 oder ein Maß für Schwankungen35 ist. Im Fall der Brownschen Bewegung ist Teff die Temperatur T, die über die Stokes-Einstein-Formel mit dem Diffusionskoeffizienten D0 zusammenhängt: D0 = kBT/(6πηrp), wobei kB die Boltzmann-Konstante ist, η die Flüssigkeitsviskosität ist und rp ist der Radius des Teilchens. Im Allgemeinen ist Teff ein Maß für Schwankungen, nicht nur für thermische Schwankungen, sondern für Schwankungen jeglicher Art, z. B. Schwankungen der Position (z. B. aufgrund der Rauheit der Schienenoberfläche).

Der Effekt der Rauheit der Kanalwände kann durch die Renormierung des effektiven Diffusionskoeffizienten Deff wie folgt eingeführt werden. Wenn ein Teilchen eine Zufallswanderung ausführt, die durch die Verweildauer τrw und die Geschwindigkeit vrw gekennzeichnet ist, kann der entsprechende Deff als Deff = D0 + Drw dargestellt werden, wobei Drw = τrw(vrw)2/4 der Beitrag aufgrund der Zufallswanderung ist33,37 . Der Effekt der Rauheit führt zu zufälligen Bewegungen eines Partikels mit der Geschwindigkeit vrg, die in der Größenordnung der Antriebsgeschwindigkeit der Strömung liegt, d. h. vrg ~ vflow ∙ cos(θ), und mit der Verweildauer τrg = Rg/vrg, wobei Rg charakterisiert die räumliche Rauheit der Wände. Daher können wir Deff wie folgt approximieren: Deff = D0 + Rgvrg/4. Beachten Sie, dass für ausreichend große Partikel mit einem Rp ~ 100 μm und einer Rauheit der Kanalwände im Submikrometerbereich Rg ~ 0,1 μm ist, Rgvrg/4 > > D0 und daher Deff durch die Rauheit der Kanalwände bestimmt wird, Deff ≈ Rgvrg/ 4, während die thermische Diffusion im Vergleich zu den zufälligen Bewegungen aufgrund der Wandfehler vernachlässigbar klein ist. Mithilfe der Stokes-Einstein-Formel können wir formal eine effektive „Temperatur“ Teff einführen, die die Schwankungen der Partikelbewegung aufgrund der Rauheit der Kanalwand charakterisiert, Deff = kBTeff/(6πηrp). Wir stellen fest, dass diese Größe, Teff, eine andere Natur hat als das übliche T (das ein Maß für thermisches Rauschen ist) und die Intensität des Rauschens charakterisiert, das aus den Kollisionen eines Partikels mit der Oberflächenrauheit resultiert: Teff = f(Rg).

Die Simulationsergebnisse für den Winkel θ = 15° und Rg ~ 0,1 µm für ein 89 µm großes Partikel sind in Abb. 8 dargestellt, wo drei typische Trajektorien dargestellt sind. Eine Trajektorie entspricht dem Fall, dass das (zufällige) Fluchtereignis ganz am Anfang der Bewegung eines Teilchens in der Schiene auftritt. Das andere zeigt eine Flucht in der Mitte der Schiene. Nach dem Entweichen bewegen sich die Partikel entlang der Unterseite des Chips und folgen dabei der Richtung der Flüssigkeit. Schließlich ist in der Abbildung der Fall dargestellt, dass ein Partikel nicht entweicht und in der Schiene verbleibt. Die vorgestellten simulierten Flugbahnen ähneln denen, die im Experiment beobachtet wurden. Beachten Sie, dass alle in Abb. 8 gezeigten Trajektorien für denselben Parametersatz berechnet wurden und die Fluchtereignisse durch eine zufällige Kraft bestimmt werden, die die Unvollkommenheiten der Kanalwand modelliert.

Nach der Definition der optimalen Geometrie der Schiene und des Bereichs der Flüssigkeitsgeschwindigkeit wurden die oben beschriebenen Bedingungen auf einen Zick-Zack-Chip angewendet, siehe Abb. 1d. Der Zick-Zack-Chip hat eine Schiene von 70 ± 1 µm, die aus abwechselnden Schienen mit Winkeln besteht: –5°, 0°, 5°, 0° (erster Zick-Zack) und wiederum –5°, 0°, 5°, 0° (zweiter Zickzack). Die ersten drei Ethanolströme wurden mit einer Geschwindigkeit von 25 mm s−1 eingeleitet. Zur Visualisierung des Flüssigkeitsflusses wurden die Seitenströme mit Patentblau eingefärbt. Die Partikel werden in den mittleren (Ethanol-)Strom eingebracht. Die seitlichen Flüssigkeitsströme enthalten blau gefärbtes Ethanol. Über die gesamte Länge des Zick-Zack-Chips folgt das Flüssigkeitsverhalten Regime 1. Dies ist in Abb. 9a und Abb. 2S zu sehen. Darüber hinaus ist die Diffusion des Farbstoffs von den Seitenströmen in den Mittelstrom über die gesamte Chiplänge vernachlässigbar.

(a) Optisches Mikroskopbild von (a) dem Kanal an verschiedenen Positionen im Chip; (b) Die Partikel folgen der Schiene im ersten Zickzack. Nebenflüssigkeiten: EtOH mit blauem Farbstoff, mittlere Flüssigkeit: EtOH. Alle drei Flüssigkeiten werden mit einer Flüssigkeitsgeschwindigkeit von 25 mm s−1 eingebracht. Der Maßstabsbalken beträgt 1 mm.

Durch den Mittelstrahl wurden Partikel in den Chip eingebracht. Dadurch besteht die Möglichkeit, dass sie in der Schiene hängen bleiben, während sie noch in der Spüllösung vorhanden sind. Dadurch ist gewährleistet, dass alle Partikel die gleiche Zeit im Seitenstrom verbringen. Die Partikel folgten der Schiene, die in Abb. 9b, dem ersten Zickzack, und Abb. 3S (dem ersten und zweiten Zickzack) dargestellt ist. Der Abstand zwischen den Partikeln ändert sich abhängig von der Position im Chip. Näher an der Seite (Schiene 0°) bewegen sich die Partikel etwas langsamer und nähern sich einander an. Daher ist es bevorzugt, dass Partikel mit einem Abstand von > 5 mm zwischen ihnen in den Chip eingebracht werden.

Es wurden eine Lösung von Poly(acrylsäure) PAA (0,033 % Gew./Gew.) in Ethanol und eine Lösung von Poly(ethylenimin), markiert mit Rhodamin PEI-Rh (0,033 % Gew./Gew.), in Ethanol verwendet. Bei jedem Beschichtungsschritt wurden die Partikel abwechselnd mit Ethanol gespült (Abb. 10). Die Ablagerung der PAA/PEI-Rh-Doppelschicht wurde mittels Fluoreszenzmikroskopie verifiziert.

Schematische Darstellung eines PMMA-NH2-Partikels, abgeschieden mit Poly(acrylsäure) (PAA) und Poly(ethylenimin), markiert mit Rhodamin (PEI-Rh)-Doppelschichten durch die Schicht-für-Schicht-Technik (LbL). Die Schritte 1–4 zeigen die Abscheidung einer Doppelschicht aus PAA/PEI-Rh (LbL-1-PMMA-NH2) auf einem PMMA-NH2-Partikel. Die Schritte 5–8 zeigen die Abscheidung der zweiten Doppelschicht aus PAA/PEI-Rh (LbL-2-PMMA-NH2) auf einem Partikel.

Zur Abscheidung der ersten Schicht wurden 0,5 ml einer PAA-Lösung in ein Glasfläschchen mit positiv geladenem PMMA-MAG-NH2 gegeben. Man ließ die Adsorption 10 Minuten lang ablaufen, gefolgt von leichtem Schütteln. Danach wurden die Partikel mit Hilfe eines Magneten am Boden des Fläschchens gehalten, dann wurde die Lösung entfernt und die Partikel zweimal mit Ethanol gewaschen. Anschließend wurden 0,5 ml PEI-Rh-Lösung zu den PAA-beschichteten Partikeln gegeben und 10 Minuten lang interagieren gelassen, anschließend wurde die Lösung entfernt und mit Ethanol gewaschen. Der Vorgang wurde wiederholt und führte zur Abscheidung einer zweiten PAA/PEI-Rh-Doppelschicht.

Anschließend erfolgte die Beschichtung der Partikel mit dem Zick-Zack-Chip, der eine Schiene von 75 ± 1 µm aufweist. Die Nebenströme bestehen aus einer PAA-Ethanollösung (Polyanionlösung) und einer PEI-Rh-Ethanollösung (Polykationlösung). Als Spüllösung wird im Mittelstrom Ethanol eingeleitet. Positiv geladene PMMA-MAG-NH2-Partikel (98,5 µm Durchmesser) werden in den mittleren Strom eingeführt und nacheinander von der PAA-Lösung, dem Ethanol und dem PEI-Rh-Strom getragen, um die Abscheidung der ersten Doppelschicht (der ersten Zick-Zack-Linie) zu durchlaufen. . Nachdem man der Flugbahn des zweiten Zickzacks gefolgt ist, wird die zweite Doppelschicht abgeschieden, siehe Abb. 11a. Die Partikel wurden am Auslass des Chips in einem Glasbecher mit Ethanol gesammelt. Nachdem die Partikel sedimentiert waren, wurde die Flüssigkeit durch zweimaliges Waschen der Partikel mit Ethanol entfernt. Fluoreszenzmikroskopische Bilder bestätigten das Vorhandensein von zwei Doppelschichten, siehe Abb. 11e. Die Fluoreszenzintensität war vergleichbar mit der der Partikel mit zwei im Batch beschichteten Doppelschichten.

(a) Schematische Darstellung von PMMA-NH2-Partikeln, abgeschieden mit Poly(acrylsäure) (PAA) und Poly(ethylenimin), markiert mit Rhodamin (PEI-Rh)-Doppelschichten, durch die Schicht-für-Schicht-Technik (LbL) auf dem Chip. (b–e) Fluoreszenzaufnahmen von magnetischen PMMA-NH2-Partikeln: (b) Partikel ohne Beschichtung (Kontrolle), (c) Partikel mit einer Doppelschicht (LbL-1-PMMA-NH2), im Batch beschichtet, (d) Partikel mit zwei Doppelschichten (LbL-2-PMMA-NH2), im Batch beschichtet, (e) mit zwei Doppelschichten (LbL-2-PMMA-NH2), auf Chip aufgetragen. Maßstabsbalken sind 200 µm.

In Abb. 11b–e sind Fluoreszenzmikroskopbilder von PMMA-MAG-NH2-Partikeln mit (b) null, (c) einer und (d) zwei Doppelschichten dargestellt. Partikel ohne Beschichtung zeigen keine Fluoreszenz. Partikel mit zwei Doppelschichten zeigen eine höhere Intensität als Partikel mit einer Doppelschicht.

Der gesamte Prozess der Beschichtung der Partikel mit vier Unterschichten erforderte sieben aufeinanderfolgende Schritte: 1-PAA, 2-Waschen, 3-PEI-Rh, 4-Waschen, 5-PAA, 6-Waschen, 7-PEI-Rh und dauerte etwa 1 Mindest.

Erwähnenswert ist, dass die Zeit, die die Partikel den einzelnen Beschichtungslösungen ausgesetzt waren, und dass die Waschlösung kurz war (ein Dutzend Sekunden), was ausreichte, um die Abscheidung einer Unterschicht durchzuführen. Es ist möglich, dass die Tatsache, dass die Flüssigkeit innerhalb der Schiene kontinuierlich aufgefrischt wird und die Partikel während der Bewegung sowohl gleiten als auch rotieren, zur effizienten Partikelbeschichtung beiträgt. Dies ist wiederum von Vorteil, um LbL auf dem Chip durchzuführen.

Die LbL-Beschichtung erfolgt normalerweise schnell, wenn jedoch eine längere Reaktionszeit erforderlich ist, können die Durchflussraten der eingeführten Flüssigkeiten verringert werden. Dies muss sorgfältig so erfolgen, dass sich das System immer noch in Regime 1 und nicht in Regime 3 befindet. Um in Regime 1 zu bleiben, ist es möglich, die Geometrie des Chips zu ändern: z. B. den Kanal verlängern oder verbreitern, oder schließlich Mauern zwischen Bächen einführen. Unser System kann auf Partikel unterschiedlichen Durchmessers angewendet werden. Dies erfordert eine Anpassung der Schienentiefe. Eine sorgfältige Abschätzung der optimalen Dimension wird Gegenstand unserer nächsten Studie sein. Da keine äußere Kraft ausgeübt wird, ist unser System universell für Partikel und möglicherweise auch für schwere oder schwebende Tröpfchen geeignet (in letzterem Fall wird der Chip umgedreht). Relativ hohe Partikelkonzentrationen können kontinuierlich verarbeitet werden.

Unser System kann in mehreren chemischen und biologischen Tests (z. B. Immunoassays) verwendet werden, die zahlreiche flüssige Reagenzien und Waschvorgänge erfordern, die nacheinander eingeführt werden. Wir sehen den Vorteil der Verwendung der gravierten Schiene darin, dass unser System weniger anfällig für Verstopfungen ist als Führungsstrukturen, die den Fluss und die von ihm transportierten Partikel behindern, was zu einer Filterwirkung führt.

PMMA-Chips wurden intern mithilfe einer Hochgeschwindigkeits-CNC-Fräsmaschine (Datron Neo, Datron AG, Deutschland) entworfen und hergestellt. Die Tiefe der Rillen wurde mit einem Profilometer (Filmetrics Profilm 3D) gemessen. Die Teile des Chips wurden unter Verwendung von Ethylacetat, das in einer diskreten Menge zwischen die Schichten des Chips eingebracht wurde, zusammengebaut und verbunden38. Glaskapillaren (Innendurchmesser (ID) 450 µm, Außendurchmesser (OD) 670 µm, Polymicro, Achrom) wurden auf die Chipein- und -auslässe geklebt, um die Flüssigkeiten mit Hilfe von Spritzenpumpen oder Druckpumpen (Fluigent) einzubringen. Für die Partikelsuspension wurde ein Vortexmischer (VWR) verwendet, um das Falcon-Rohr, das die Partikelsuspension enthielt, in Schwingungen zu versetzen, um eine Sedimentation der Partikel am Boden des Falcon-Rohrs zu verhindern.

In unserer Arbeit verwendeten wir magnetische Polystyrolpartikel (PS-MAG-AR110, 89 µm, SD = 1,2 µm, Eisenoxid = 10 %, Microparticles GmbH) und magnetische Amino-funktionalisierte Poly(methylmethacrylat)-Partikel (PMMA-MAG-NH2, 98,5). µm, Microparticles GmbH). Die magnetischen Eigenschaften der Partikel sind für unsere Experimente nicht erforderlich, aber in der Phase der Optimierung des Aufbaus waren sie für die Regeneration des Geräts praktisch.

Die Experimente wurden in technischem Ethanol durchgeführt. Als Farbstoff wurde Patentblau (Aldrich) verwendet, um die Strömungen im Chip sichtbar zu machen.

Polyethylenimin (PEI, verzweigt, durchschnittlich 25 kDa nach LS, durchschnittliches Mn 10 kDa nach GPC) und Poly(acrylsäure) (PAA) (35 Gew.-%ige Lösung in Wasser, typisches MW 100 kDa) wurden von Aldrich gekauft. Rhodaminisothiocyanat wurde von Cayman Chemical Company bezogen.

PEI wurde in Dimethylsulfoxid, DMSO (Sigma-Aldrich) zusammen mit Rhodamin-B-Isothiocyanat (RITC, gemischte Isomere, Cayman Chemical Company) gelöst. Die Mischung wurde 5 Stunden lang gerührt. Danach wurde Ethanol hinzugefügt, um das PEI auf 1 % zu verdünnen. Die Mischung wurde eine Woche lang gegen Ethanol (Dialysebeutel mit einem Cut-off von 12–15 kDa) dialysiert, um DMSO und nicht reagiertes RITC zu entfernen. Die Konzentration der dialysierten PEI-Rhodamin (PEI-Rh)-markierten Lösung wurde mit 0,87 % berechnet und als Stammlösung verwendet.

Wie von J. Pazourek und J. Chmelik39 gezeigt, hängt die Flüssigkeitsgeschwindigkeit in einem Kanal mit rechteckigem Querschnitt, bei dem eine Seite viel größer als die andere ist, h > > w, durch den einfachen analytischen Ausdruck mit der Koordinate y zusammen :

Dabei ist \(\Delta p\) der Druckabfall zwischen den gegenüberliegenden Seiten des Kanals, \(\mu\) die dynamische Viskosität der Flüssigkeit, L die Länge des Kanals und w die Höhe des Kanals in y-Richtung.

Die Flüssigkeitsgeschwindigkeit kann direkt aus Gl. berechnet werden. (3). Wir kennen jedoch die experimentell gemessene durchschnittliche Geschwindigkeit der Flüssigkeit und daher ist es nützlich, v(y) über diese bekannte Größe auszudrücken. Die Durchschnittsgeschwindigkeit kann durch Integration von Gl. berechnet werden. (3) entlang der Höhe, von −w/2 bis w/2, und Division durch w, was zu Folgendem führt:

Und

Dieses Ergebnis, Gl. (5) gilt für einen Kanal mit rechteckigem Querschnitt, bei dem die Breite viel größer als die Höhe h >> w ist und der Maximalwert

wird entlang der Linie y = 0 erreicht.

Der Chip hat einen rechteckigen Querschnitt mit vergleichbarer Breite und Höhe, 4 mm × 1 mm. Daher ist es vernünftig anzunehmen, dass das Fluidgeschwindigkeitsprofil in beiden Richtungen, in x-Richtung (Breite) und y-Richtung (Höhe), parabolisch ist und die maximale Geschwindigkeit an einem Punkt (x = 0, y = 0) erreicht wird ). Das bedeutet, dass vmax in Gl. (6) wird zu einer Funktion von x, und ihr Durchschnitt, , steht mit vmax(x = 0) über die gleiche Beziehung wie und vmax in Gleichung in Beziehung. (6):

Somit beträgt die durchschnittliche Geschwindigkeit in einem Kanal mit parabolischem Geschwindigkeitsprofil in beide Richtungen 2/3 ihres Wertes für einen Kanal mit unendlicher Breite [Gl. (3)–(5)]. Um die Fluidgeschwindigkeit v(y) für x ≈ 0 zu ermitteln, muss daher die rechte Seite von Gl. (5) sollte um den Faktor 3/2 korrigiert werden.

Für ein Teilchen mit einem Durchmesser von 89 μm beträgt die Flüssigkeitsgeschwindigkeit also etwa auf Höhe des Teilchenzentrums

Dieses Analyseergebnis stimmt auch mit der Schätzung des Fluidgeschwindigkeitsprofils überein, die aus COMSOL-Simulationen ermittelt wurde.

Innerhalb der Schiene kann die Strömung näherungsweise als Couette-Strömung betrachtet werden, wobei die obere Schicht durch die Strömung nahe der Unterseite des Chips angetrieben wird und die Geschwindigkeit am unteren Ende der Schiene Null ist. Daher nimmt die Flüssigkeitsgeschwindigkeit in der Schiene weiter ab, und für ein Partikel von 89 μm in einer Schiene mit einer Tiefe von etwa 100 μm wird die Geschwindigkeit auf ≈ 0,1 des Durchschnittswerts im Chip geschätzt.

Partikelherstellung, Beschichtung oder biologische Tests sind mühsame und zeitaufwändige Verfahren, bei denen Reaktions- und/oder Waschlösungen einzeln und nacheinander nacheinander geladen werden müssen.

In diesem Artikel stellen wir eine neuartige, passive Methode zur Führung hoher Partikelkonzentrationen in mikrofluidischen Kanälen vor. Darüber hinaus haben wir gezeigt, dass die schichtweise Beschichtung von Partikeln mithilfe einer schienengeführten Methode erfolgreich auf dem Chip durchgeführt werden konnte. Wir haben einen LbL-Beschichtungsprozess in einen kontinuierlichen Prozess automatisiert und gezeigt, dass der Chip sieben aufeinanderfolgende Schritte im Batch ersetzen kann. Die Verwendung einer Schiene ermöglicht die Kontrolle über die Flugbahn der Partikel und stellt sicher, dass alle Partikel derselben Route folgen. Die Tiefe und der Winkel der Schienen sowie die Flüssigkeitsgeschwindigkeit wurden untersucht, um eine geeignete Kanalgeometrie bereitzustellen.

Darüber hinaus haben wir gezeigt, dass beim Einleiten laminarer Gleichströme in den Kanal, der am Boden eine Rille mit einem Winkel ungleich Null enthält, drei verschiedene Verhaltensweisen der Flüssigkeit (Regime) beobachtet werden, die durch die Rillentiefe und die Flüssigkeitsgeschwindigkeit bestimmt werden.

Wir haben die Funktionalität unseres Geräts durch die On-Chip-Beschichtung von Partikeln mit zwei Doppelschichten (vier Unterschichten) demonstriert, was durch Fluoreszenzmikroskopie bestätigt wurde. Alle Schritte, die im Batch mehrere Manipulationen der Partikel erfordern (sieben aufeinanderfolgende Schritte), wurden in einem einzigen Gerät durchgeführt, was nur etwa eine Minute dauerte.

Dies ebnet den Weg für vielfältige Anwendungen, bei denen Multilayer in einem einzigen kontinuierlichen Prozess aufgebracht werden können. Wenn viel größere Schichtzahlen erforderlich sind, begrenzt die Diffusion zwischen den Strömen die Verweilzeit in den Kanälen und damit die erreichbaren Schichten, da die verschiedenen Beschichtungs- und Waschströme schließlich in einem einzigen (teilweise) gemischten Strom verschmelzen. In einer zukünftigen Studie werden wir Hindernisstrukturen integrieren, um die Diffusion zwischen den Schichten zu minimieren und so die Verweilzeit zu erhöhen, was den Auftrag von Dutzenden von Schichten ermöglicht. Dies ermöglicht die anspruchsvollsten optischen Anwendungen, bei denen große Schichtzahlen mit genau definierten Schichtdicken von entscheidender Bedeutung sind. Maßgeschneiderte Partikel für die kontrollierte Arzneimittelabgabe mit Auslösemechanismen für die erweiterte Freisetzung sind eine weitere attraktive Perspektive für das in der vorliegenden Arbeit vorgestellte Konzept.

Während in der vorliegenden Arbeit PMMA als Kanalsubstrat verwendet wurde, ist es chemisch weniger beständig als das üblicherweise in der chemischen Industrie verwendete Glassubstrat. Für den Betrieb unter chemisch rauen Bedingungen können beispielsweise alternative Formate wie strukturiertes Glas (oder Silizium, auf das im letzten Schritt eine Oxidschicht aufgetragen wurde) verwendet werden, wobei die Rillen durch tiefes reaktives Ionenätzen erhalten werden (was zu sehr vertikalen Wänden führt). . Dies ermöglicht die Beibehaltung der Variation sowohl im Nah- als auch im Fernbereich im Submikrometerbereich, was für eine weitere Erhöhung der Partikelstabilität von Vorteil ist und somit eine größere Flexibilität hinsichtlich der Durchflussrate und der Kontrolle der Verweilzeit in den Strömen ermöglicht .

Die im Rahmen dieser Studie generierten und analysierten Daten sind in diesem veröffentlichten Artikel und in den ergänzenden Informationsdateien enthalten.

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Wir danken Prof. Ruslan Efremov für die Nutzung des Profilometers und Prof. Guy van Assche und Dr. Raphael Marques für fruchtbare Diskussionen. Diese Arbeit wurde teilweise von der Forschungsstiftung Flandern (FWO-Vl), Zuschuss Nr. G029322N, Zuschuss Nr. 1512018N und von Innoviris (Projekt vom Typ „Colores“-Brücke) unterstützt.

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Dominique Maes

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Korrespondenz mit Wim De Malsche.

Die Autoren geben an, dass keine Interessenkonflikte bestehen.

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Eingegangen: 02. September 2022

Angenommen: 14. Dezember 2022

Veröffentlicht: 16. Dezember 2022

DOI: https://doi.org/10.1038/s41598-022-26387-5

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