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May 04, 2024

Fabricação de matriz de microválvulas usando ligação seletiva de PDMS (polidimetilsiloxano) através de Perfluorooctil

Scientific Reports volume 12, Artigo número: 12398 (2022) Citar este artigo 1048 Acessos 2 Citações Detalhes de métricas Para melhorar a versatilidade e robustez de dispositivos analíticos microfluídicos para

Scientific Reports volume 12, Artigo número: 12398 (2022) Citar este artigo

1048 acessos

2 citações

Detalhes das métricas

Para melhorar a versatilidade e robustez dos dispositivos analíticos microfluídicos para exploração espacial, uma matriz microfluídica programável (PMA) foi implementada para apoiar uma variedade de missões. Ao projetar um PMA, válvulas normalmente fechadas são vantajosas para evitar contaminação cruzada e vazamentos. No entanto, é necessário um método de fabricação estável para evitar que essas válvulas grudem e se colem ao longo do tempo. Este trabalho apresenta como o polidimetilsiloxano (PDMS) pode ser ligado seletivamente usando passivação química para superar o problema de aderência do PDMS durante a exploração espacial de longo prazo. Primeiro, em um selo PDMS, o perfluorooctil-triclorossilano (PFTCS) vaporizado é depositado sob condições de -80 kPa e 150 °C. O PFTCS foi então transferido para PDMS ou substratos de vidro controlando a temperatura e o tempo e 15 min a 150 °C fornece a transferência ideal de PFTCS para ligação seletiva. Com esses parâmetros caracterizados, demonstramos com sucesso a fabricação de PMA para apoiar missões espaciais de longo prazo. Para estimar a estabilidade do PFTCS estampado, um PMA foi testado regularmente durante três anos e não foi observada aderência ou alteração de desempenho. Um teste de voo foi feito com um foguete Cessaroni L1395 para teste de alta força G e vibração e não há diferença no desempenho do PMA após exposição às condições de lançamento e pouso. Este trabalho mostra-se promissor como uma técnica simples e robusta que irá expandir a estabilidade e capacidade do PMA para exploração espacial.

Instrumentos analíticos microfluídicos para exploração espacial foram desenvolvidos para determinar composições químicas de pequenas amostras de solo ou partículas . No entanto, para serem compatíveis com missões mais amplas, a programabilidade e a durabilidade requerem um maior desenvolvimento. Uma matriz microfluídica programável (PMA) é projetada para obter manipulação fluídica autônoma, como puxar, empurrar, misturar e distribuição de fluidos com alta precisão. O design da microválvula e os parâmetros operacionais podem ser definidos para atingir o volume de distribuição e a vazão desejados. O PMA foi demonstrado para preparação programada de amostras, ensaios fluorométricos e biossensor para mostrar a versatilidade do uso de microválvulas normalmente fechadas4,6,7,8,9,10,11,12. Válvulas normalmente fechadas típicas possuem uma estrutura de comporta no lado da membrana flexível ou no lado do microcanal para bloquear o fluxo sem atuação . Embora este seja um excelente aspecto para o controle fluídico, a fabricação de PMA requer procedimentos seletivos de ligação de PDMS para minimizar o problema de travamento da válvula após a exposição ao plasma . Além disso, o PDMS pode ligar-se fracamente ao vidro após contato prolongado. Evidências empíricas do PMA produzidas em nosso laboratório implicam que, se as válvulas permanecerem em repouso por mais de 6 meses, as portas das microválvulas aderem aos substratos de vidro e PDMS. O cronograma típico para alcançar planetas-alvo como Marte, Europa e Encélado é de cerca de sete meses16, cinco anos17 e sete anos18 de viagem, respectivamente, e assim, para usar o PMA para explorar esses planetas, a questão da estabilidade das microválvulas deve ser resolvida. resolvido para obter o desempenho esperado do PMA.

PMAs típicos são fabricados usando uma técnica de litografia suave com polidimetilsiloxano (PDMS)19,20 e embalados por plasma de oxigênio que trata todas as superfícies expostas19,21,22. Alguma ligação seletiva é possível através da aplicação manual de um produto químico passivante, bloqueando áreas manualmente ou tratando a superfície com PDMS não tratado23,24. No entanto, estes são limitados em escopo para fabricar estruturas 3D em vez de ligação seletiva com moldes de carimbo microfabricados complexos, sem investigar qualquer efeito e estabilidade a longo prazo .

O tratamento químico foi feito usando vários silanos para alterar as propriedades da superfície em dispositivos microfluídicos PDMS. Entre estes, o Perfluorooctil-triclorossilano (PFTCS) é frequentemente utilizado para formar superfícies super-hidrofóbicas, pois se deposita facilmente nas superfícies devido à sua baixa pressão de vapor. O PFTCS também forma camadas estáveis ​​em superfícies hidroxiladas, como a superfície do PDMS ou do vidro após tratamento com plasma de oxigênio, por meio de uma reação de condensação . Embora a passivação manual de PFTCS sem quaisquer métodos de padronização, como aplicação manual de líquido, possa ser usada para fabricação de baixa precisão, dispositivos acionáveis ​​com alta precisão requerem um método de ligação seletiva escalável.