Migrazione laterale delle particelle indotta dalla rotaia attraverso il co intatto

Rapporti scientifici volume 12, numero articolo: 21775 (2022) Citare questo articolo

447 accessi

1 Citazioni

Dettagli sulle metriche

Questo articolo presenta un metodo guidato da rotaia per applicare un rivestimento strato per strato (LbL) su particelle in un dispositivo microfluidico. L'approccio microfluidico passivo consente di gestire sospensioni di particelle da rivestire nel sistema. La traiettoria delle particelle è controllata utilizzando binari incisi, inducendo il movimento laterale delle particelle mantenendo indisturbato il flusso del liquido orientato assialmente (e l'interfaccia di diversi liquidi). La profondità e l'angolo delle rotaie insieme alla velocità del liquido sono stati studiati per determinare una geometria praticabile del dispositivo. Una procedura di rivestimento LbL discontinua è stata convertita in un processo continuo, dimostrando che il chip può eseguire sette passaggi consecutivi normalmente condotti in operazioni batch, ulteriormente facilmente estensibili a numeri di cicli più grandi. Il rivestimento delle particelle con due doppi strati è stato confermato mediante microscopia a fluorescenza.

La capacità di manipolare le microparticelle è fondamentale per molte applicazioni in ingegneria, chimica, biologia e fisica. Varie applicazioni richiedono l'elaborazione, lo smistamento o l'autoassemblaggio delle particelle. La progettazione di particelle avanzate richiede l'uso di processi di deposizione per produrre elementi costitutivi complessi e nanostrutturati. Una delle tecniche di deposizione molto popolare al giorno d'oggi è il metodo di assemblaggio Layer-by-Layer (LbL) 1,2 introdotto da Decher et al. Questo metodo presenta numerosi vantaggi: semplicità di preparazione, versatilità, miglioramento delle proprietà del materiale, controllo sulla struttura del materiale, porosità, robustezza, possibilità di applicare carichi elevati di biomolecole nei film3. Il metodo LbL ha ricevuto notevole attenzione nei campi dell'ingegneria e della biomedicina e viene applicato ad esempio nella somministrazione di farmaci, nell'ottica integrata, nei sensori e nei rivestimenti per la riduzione dell'attrito. Nel metodo LbL classico, i film sottili vengono formati mediante successiva deposizione di polielettroliti con carica opposta (elettroliti polimerici) su un substrato di qualsiasi forma, risultando in multistrati di polielettroliti. L'adsorbimento del film è principalmente il risultato delle interazioni elettrostatiche che si verificano tra elettroliti policationici e polianionici. Lo strato può essere ottenuto in molteplici modi, ad esempio mediante rivestimento a immersione, rivestimento a rotazione o rivestimento a spruzzo. L'automazione dei processi LbL utilizzando reattori convenzionali su macroscala è altamente auspicabile ma difficile da implementare. Questi processi dispendiosi in termini di tempo e non continui richiedono generalmente attrezzature ingombranti e costose. Inoltre, si incontrano spesso problemi quali disuniformità e aggregazione delle microcapsule, che richiedono l'applicazione di fasi di lavorazione a valle come centrifugazione, lavaggio e risospensione. Inoltre, il consumo di reagenti è maggiore nei processi batch, il che può rappresentare un fattore importante quando, ad esempio, è coinvolto un farmaco costoso.

La manipolazione delle particelle è essenziale negli approcci alla produzione di particelle. Tra le molte tecniche disponibili, le pinzette ottiche sono straordinariamente potenti per manipolare singoli oggetti. Le pinzette ottiche utilizzano le forze esercitate da un fascio di luce fortemente focalizzato per intrappolare e spostare particelle di dimensioni variabili da decine di nanometri a decine di micrometri e possono essere utilizzate per organizzare assemblaggi planari di particelle colloidali, ma anche per costruire pompe e valvole ottiche costituite da particelle colloidali in canali microfluidici attivati con pinzette ottiche4,5,6. Un'altra tecnica per manipolare le particelle utilizza le onde sonore, che richiedono una densità di potenza inferiore rispetto alle pinzette ottiche. Ding et al. ha sviluppato un dispositivo acustico, basato su onde acustiche superficiali stazionarie in grado di intrappolare e manipolare singole microparticelle con controllo in tempo reale7. Un'onda stazionaria acustica a flusso continuo viene utilizzata per la separazione di particelle in un intervallo di dimensioni compreso tra decine di nanometri e decine di micrometri. La tecnologia delle pinzette acustiche facilita la messa a fuoco, la separazione, l'allineamento e la modellazione delle particelle8,9,10. Un'onda acustica superficiale focalizzata (FSAW) è stata utilizzata in un ambiente microfluidico per produrre microcapsule con una struttura core-shell11. Le particelle magnetiche possono essere manipolate in canali microfluidici con l'uso del campo magnetico12,13. Il magnetismo è stato utilizzato nella microfluidica per l'attuazione, la manipolazione e il rilevamento. Le forze coinvolte nella micro-magnetofluidica sono state ampiamente descritte e sono generalmente ben comprese14. Finora sono state sviluppate molte applicazioni, tra cui un esempio importante è la separazione magnetica a flusso continuo di particelle e cellule15. Un altro metodo attivo per controllare il movimento delle particelle è la dielettroforesi ad angolo inclinato16. La traiettoria a zig-zag delle particelle attraverso tre flussi laminari paralleli è stata realizzata mediante coppie di elettrodi paralleli inclinati adiacenti disposti a zigzag attorno al canale microfluidico16. I metodi per controllare il movimento delle microparticelle nei dispositivi microfluidici sono già stati ampiamente studiati e riportati17.

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>