Noțiuni introductive [311422]
Capitolul 1.
Noțiuni introductive
Despre mecatronică
Mecatronica este un domeniu transdisciplinar al ingineriei, o [anonimizat], realizării, punerii în funcțiune și exploatării de sisteme automate inteligente.
Termenul de MECATRONICĂ a fost brevetat de către japonezi la inceputul deceniului al 8-lea al secolului trecut și a fost utilizat pentru prima dată în anul 1972 [anonimizat] o prescurtare a cuvintelor Mecanicã-Electronicã-Informaticã.
Acest termen a fost rezultatul mișcărilor de înnoire în domeniul tehnologiei ca urmare a celei de-a doua revoluții industriale și anume revoluția în domeniul informatic și în prezent se poate defini ca fiind știința mașinilor inteligente.
Conceptul de mecatronică este sugestiv ilustrat în figura 1.1
Din figurã observăm cã integrarea componentelor principale se realizeazã [anonimizat] a produce, dar totodată se poate observa că nu se poate face o individualizare a celor trei domenii/[anonimizat]. Dezvoltarea microelectronicii a permis integrarea electromecanicã, iar în urmãtoarea etapã, [anonimizat], astfel s-a ajuns la mecatronicã, așa cum se aratã în figura 1.2.
Tehnologia mecatronicã [anonimizat] dãtãtoare de ton în raport cu materialul și energia. Aceastã poziție a informației este motivatã de cãtre japonezi prin urmãtoarele argumente [1] :
– informația asigurã satisfacerea nevoilor spirituale ale omului;
– numai informația crește valoarea nou adãugatã a tuturor lucrurilor;
– informația înseamnã culturã.
Ca o concluzie, se poate spune cã mecatronica este o sferã interdisciplinarã a științei și tehnicii care se ocupã [anonimizat], totuși, [anonimizat]ã [anonimizat]ã [anonimizat]: electrotehnica, energetica, [anonimizat]ã[anonimizat]ãrii, tehnologii biomedicale și altele.
[anonimizat]-o sferă nelimitată de domenii dintre care putem reaminti:
[anonimizat];
Aparatură pentru controlul și evidența parametrilor mediului.
[anonimizat]-video
Aparatură de cercetare.
[anonimizat], imunologie, microbiologie, farmacologie – informațiile, descoperirile și realizările se succed și circulă cu o viteză amețitoare. [anonimizat], au fost posibile datorită dezvoltării tehnologiei și invers, pe măsură ce mijloacele tehnice și metodele moderne de investigare se dezvoltă, sporește și volumul datelor, al informațiilor și al cunoștințelor dintr-un domeniu sau altul.
Figura 1.3. Componentele ingineriei biomedicale [11]
Progresele recente în tehnologia circuitului integrat de siliciu au produs îmbunătățiri drastice pentru o varietate de domenii tehnologice, inclusiv pentru biotehnologie. Fabricarea de dispozitive mai mici, mai ieftine și mai precise, cum ar fi pompele de dimensiuni mici, separatoarele și detectoarele sunt doar un detaliu a posibilităților pe care le-a furnizat microfabricarea.
O importanță deosebită o are microfluidica sau utilizarea dispozitivelor miniaturale microfabricate pentru controlul și manipularea volumelor mici de lichid. Aceste dispozitive minuscule, denumite și "lab-on-a-chip", pot fi utilizate, de exemplu, pentru a manipula microorganismele, celulele, proteinele și chiar ADN-ul. Cu alte cuvinte, o serie de experimente efectuate anterior într-un laborator întreg pot fi acum realizate folosind un singur cip microfabricat.
Domeniile de aplicabilitate ale microfluidicii în domeniul medicinei sunt:
Dermatologie – identificarea, diagnosticarea și ajutarea refacerii țesutului cutanat, îndepărtarea celulelor moarte, curățarea în profunzime a pielii;
Stomatologie – metode de eliminare a tartrului, injecție si refacere a structurilor calciului la nivel dentar și identificarea compatibilităților unor implanturi
Imunologie – capacitatea de identificare a bacteriilor și virușilor și diagnosticarea bolilor cauzate de acestea;
Hematologie – separarea, diferențierea si identificarea diverselor tipuri de celule prezente in sânge dar si a prezenței unor agenți patogeni etc.
Oncologie – identificarea unor procese tumorale, concomitent cu oferirea unor informații referitoare la volumul tumorei, cantitatea rămasă, cantitatea distrusă, natura ei etc.
Farmacologie – identificarea acțiunii unor substanțe medicamentoase în anumite regiuni ale corpului, bine definite dar și schimbul de informații referitoare la statusul lor în fiecare moment.
Introducere în microfluidică și Lab-on-chip
Microfluidica implică fluide la volume foarte mici, de ordinul microlitrilor. Se compune dintr-o zonă a mecanicii fluidelor care se ocupă de volume suficient de mari pentru a se numi în continuare un continuum, dar suficient de mici încât tensiunea superficială, disiparea energiei și rezistența fluidelor încep să domine sistemul. Microfluidica studiază modul în care se schimbă comportamentul fluid și modul în care se poate lucra cu acesta dar și modul în care poate fi exploatat pentru aplicații noi.
Dispozitivele microfluidice sunt construite utilizând aceleași instrumente de fabricație ca și cip-urile computerizate, inclusiv polimerii fotosensibili, care sunt utilizați pentru a modela direct un dispozitiv în siliciu sau pentru modelarea în siliciu a unei matrițe pentru turnarea sau conceperea unui dispozitiv dintr-un elastomer cum ar fi polidimetilsiloxanul (PDMS).
Primul dispozitiv microfluidic a constat dintr-un cromatograf de gaze cu lucru pe o placă de siliciu de către S. Terry și colaboratorii 1979[12]. La începutul anilor 90 a început un interes major în fabricarea unui sistem de analiză totală de mărime micronică (μTAS)[13]. Acest μTAS putea efectua toate tipurile de funcții, inclusiv prepararea probei, separarea, amestecarea, reacțiile chimice și detectarea într-un circuit microfluidic integrat. Crearea unor astfel de dispozitive este un domeniu de cercetare important în zilele noastre.
Aceste dispozitive utilizează unele dintre avantajele pe care le oferă tehnologia de reducere a mărimii. Modificările rapide ale temperaturii, ușurința în aplicarea câmpurilor electrice mari, reducerea costurilor de fabricare și utilizarea mai ușoară, sunt toate posibile într-un dispozitiv microfluidic.
Separarea celulelor reprezintă un set important de aplicații ale dispozitivelor microfluidice. Tehnicile pentru separarea celulelor joacă un rol important în biologie. Amestecurile biologice constă adesea dintr-o mare varietate de tipuri de celule individuale, în diferite concentrații. Necesitatea în diagnostic, dar totodată și în domeniul cercetării biomedicale face ca identificarea acestor componente individuale și a tipurilor de celule să fie cerută.
O tehnică ideală de separare ar trebui să diferențieze rapid o mare varietate de componente individuale, având un volum de probă mic, dar și cu un impact biologic scăzut asupra eșantionului sau a probei.
Tehnologia "Lab-on-a-Chip" se îndreaptă spre o separare mai rapidă a celulelor și o analiză mai precisă a acestora, cu dispozitive mai ușor accesibile. Aceste dispozitive au o gamă largă de aplicații biologice începând cu detectarea armelor biologice dar și efectuarea de analize medicale mai rapide. [14].
Pe măsură ce volumele de probă analizate devin tot mai mici, metodele de determinare Lab-on-Chip ar putea fi capabile să treacă de la analiza unei populații de celule , la analiza unei singure celule[15].
Capitolul 2.
Tehnologii de fabricare, etanșare și conectare în microfluidica
Dispozitivele de tip Lab-on-a-chip (LOC) sunt utilizate în general pentru cercetarea științelor vieții, ingineriei biomedicale dar și a diagnosticării și reprezintă un câmp de dezvoltare foarte rapid. Dispozitivele LOC sunt proiectate, prototipate și asamblate utilizând numeroase strategii și materiale, dar unele tendințe fundamentale sunt ca aceste dispozitive în mod tipic să fie:
sigilate și etanșate,
umplute cu lichide, reactivi și/sau probe
interconectate cu componente microelectronice.
În general, etanșarea și conectarea acestor laboratoare în miniatură la dispozitive externe a rămâne o provocare, indiferent de tipul de aplicație urmărită. După cum urmează, o să facem o analiză asupra metodelor și tehnologiilor de fabricație, sigilare/etanșare și conectare a dispozitivelor LOC utilizând abordări standard, dar si urmărind metode recente, de ultimă generație. Această trecere în revista procedeelor și abordărilor folosite ne oferă exemple ușor de înțeles și vizează înțelegerea proceselor și constrângerilor întalnite în cercetarea, crearea și implementarea acstor dispozitive LOC.
Acest capitol este împărțit în patru subcapitole care se concentrează asupra:
notiunii de Lab-on-chip și înțelegerea constrângerilor în tehnologia de fabricare;
tehnicilor si metodelor de etanșare și încapsulare;
tehnicilor de efectuare a conexiunilor fluidice;
tehnicilor de efectuare a conexiunilor electrice;
dezvoltate pentru dispozitivele Lab-On-Chip.
Primul subcapitol este dedicat unui scurt istoric dar și înțelegerii constrângerilor apărute în procesele de proiectare și fabricare.
Al doi-lea subcapitol se referă la metodele de creare și etanșare și conține diverse metode de lipire bazate pe metode clasice (PDMS), lipirea polimerilor non-conformați (polimeri, materiale plastice), lipirea/sudarea materialelor dure precum sticlă și siliciu, straturi adezive intermediare, vedem tehnologiile de prototipare recent apărute dar explică și tehnicile de etanșare reversibile.
Al trei-lea subcapitol se referă la conexiunile fluidice și oferă o prezentare detaliată și exemple recente de interfețe fluidice reversibile (pe bază de conectori), permanente (pe bază de adeziv) și monolitice integrate.
Al patru-lea subcapitol se referă la conexiunile electrice, vedem conectorii utilizați în mod obișnuit (mufe și contacte cu arc), unele dintre tehnicile de încapsulare avansate, dezvoltate pentru integrarea CMOS / microfluidică hibridă și tehnicile de interconectare emergente.
Despre „Lab-on-Chip”
Tehnicile de miniaturizare modelează continuu tehnologia microelectronică și abilitatea acesteia de a produce dispozitive pentru o gamă largă de aplicații. La sfârșitul anilor '50, au fost introduse procese "planare" pentru fabricarea circuitelor integrate. În timp, reducerea dimensiunilor tranzistorilor a fost riguros urmărită în industrie, pentru a satisface cererea tot mai mare de sisteme electronice cu dimensiuni cât mai mici, mai rapide și mai eficiente din punct de vedere energetic [12]. În plus față de procesele convenționale utilizate în microelectronică, s-au dezvoltat noi tehnici de fabricare a structurilor de tip „high-aspect ratio” și a anulat metodele planare, astfel sau deschis noi posibilități, în special pentru aplicațiile de detectare.
La începutul anilor 1970, a fost posibilă fabricarea microsenzorilor pe fragmente de siliciu. Odată cu progresul tehnologiilor de procesare și integrare a materialelor neconvenționale (meteriale care nu au la bază siliciul), a apărut un nou domeniu numit sisteme micro-electro-mecanice (MEMS) [13]. După exemplele timpurii ale senzorilor de presiune pe bază de siliciu și ale accelerometrelor la mijlocul anilor 1970, s-au dezvoltat matricele de duze pentru tipărirea cu jet de cerneală utilizând gravarea anizotropă a siliciului [14]. Primele implementări ale capurilor de imprimare cu jet de cerneală au demonstrat că pot fi manipulate cantități minime de lichide în canalele microfluidice. Următoarele studii au demonstrat, de asemenea, ca este posibilă manipularea unor volume mici de lichide și a fost lucrarea de pionierat a lui Manz și colaboratorii, astfel în 1990 s-a stabilit a fost introdus și conceptul de sisteme de analiză chimică totală miniaturizată (μTAS) [13,15]. Curând după aceea, au fost înființate companii pentru a utiliza aceste sisteme pentru aplicațiile în domeniul medical.
Prototiparea rapidă și replicarea pe baza polimerilor ca alternativă la procesarea cu siliciu au stimulat cercetarea academică și au apărut noi terminologii precum "microfluidica" și "lab-on-a-chip" (LOC) (aici o să folosim ambii termeni interschimbabil) .
În ultimii 20 de ani, dispozitivele LOC și-au demonstrat potențialul și beneficiile pentru multe aplicații, inclusiv diagnosticarea „point-of-care”, cercetarea genomică și proteomică, chimia analitică, monitorizarea mediului și detectarea pericolelor biologice.
Aceste sisteme miniaturizate oferă numeroase avantaje în comparație cu instrumentele analitice clasice, si anume:
sprijină controlul precis al lichidelor care curg în mod obișnuit sub regim laminar;
minimizează consumul de reactivi și probe;
favorizează timpii scurți de reacție;
permit analiza paralelă și multiplexată;
necesită mai puțină enerie pentru a funcționa;
sunt portabile;
au potențial datorită costurilor scăzute de producție.
În prezent, structurile pot fi fabricate cu o precizie nanometrică, iar fluxul de lichide poate fi asigurat și controlat precis prin folosirea unor pompe și supape integrate sau a unor pompe si supape externe, iar detectarea cantitativă a diferiților analiți poate fi realizată bazat pe tehnici cu o sensibilitate ridicată prin utilizarea unor sisteme optice, electrice/electronice sau magnetice.
Două provocări practice importante pe care le avem de luat in vedere asupra modului de construcție sunt: sigilarea și interfațarea dispozitivelor LOC. Aceste provocări sunt comune la aproape toate dispozitivele LOC și afectează modul în care sunt concepute și realizate aceste dispozitive. În prezent, dispozitivele microfluidice și microelectronice nu respectă aceleași reguli de scalare și de fabricare: microfluidica încorporează un set foarte divers de materiale și tehnici de fabricație și poate cuprinde numeroase elemente funcționale diferite, cu toate acestea, ambele tipuri de dispozitive împart o provocare comună si anume procesul de miniaturizare.
Atât dispozitivele microfluidice cât și dispozitivele microelectronice necesită interfețe fiabile, ieftine și convenabile pentru conectarea la dispozitivele exterioare dar și o împachetare adecvată pentru o funcționare eficientă.
Industria microelectronică se confruntă deja cu problema interconectării, deoarece viteza de funcționare eficientă a sistemelor a început să fie limitată de metodele de interconectare “on-chip” și ”off-chip”, care anterior au fost limitate de tranzistori sau de dispozitiv în sine. Cantitatea de căldură care poate fi scoasă din încapsulare a început, de asemenea, să limiteze performanțele circuitelor, ceea ce face ca tehnicile de lipire și materialele utilizate la împachetare să fie mai importante decât oricând.
Cercetătorii au căutat o schimbare în paradigma modului în care sunt amplasate și conectate blocurile funcționale. De exemplu, interconexiunile optice/electrice hibride și circuitele prin intermediul siliciului se dezvoltă ca soluții promițătoare pentru înlocuirea conexiunilor convenționale de cupru și a cablurilor. În mod similar, complexitatea I / O (intrare/ ieșire) a sistemelor microfluidice a crescut de-a lungul anilor, deoarece multe aplicații necesită acum interconexiuni fluide și / sau electrice de înaltă densitate.
Există și alte provocări legate de împachetare și încapsulare, care putem zice că sunt unice pentru sistemele LOC si anume plăcile de tip microfluidic au adesea nevoie de manipulare manuală și conectarea de către operator, ceea ce provoacă constrângeri suplimentare asupra modului de împachetare și încapsulare finală din motive practice. În plus, spre deosebire de majoritatea sistemelor electronice, reutilizabilitatea sau disponibilitatea sunt esențiale pentru unele aplicații LOC. Acest lucru necesită interconectări care să fie fiabile, eficiente din punct de vedere al costurilor de fabricare și care pot fi conectate în mod reversibil la dispozitivele LOC. Dezvoltarea și cercetarea asupra acestor dispozitive a demonstrat îmbunătățiri semnificative în ceea ce privește performanța dispozitivelor dar și crearea de noi metode de detectare, dar totuși se poate spune că metodele de încapsulare în microfluidica și metodele de interfațare rămân o provocare tehnică semnificativă pentru comercializarea și utilizarea pe scară largă a dispozitivelor microfluidice.
În figura 2.1 .se ilustrează un dispozitiv microfluidic etanș care are conexiuni fluidice și electrice iar în mod obișnuit, după fabricarea structurilor microfluidice și a electrozilor, sunt necesare diferite procese „back-end”pentru a realiza un dispozitiv complet funcțional [15].
Figura 2.1. Exemplu de dispozitiv LOC, aceste dispozitive microfluidice trebuie sigilate, conectate la periferice de pompare și au adesea conexiuni electrice. Cu alte cuvinte, "conectarea" și "închiderea" acestor mici laboratoare este o provocare generală. [15]
Luând exemplul din figura 2.1, structurile microfluidice pot fi:
sigilate (etanșate) cu un strat de acoperire, care este gravat sau modelat astfel încât să se
creeze orificii pentru interfețele fluidice si/sau electrice;
tratate chimic pentru reglarea proprietăților de umectare a suprafețelor și modularea
interacțiunilor proteine-suprafață;
indentată sau complet cubată pentru a produce cipuri individuale;
conectate la dispozitive periferice, cum ar fi pompele și supapele, utilizând orificiile de
admisie / evacuare.
Deși aceste procese back-end sunt, uneori, neglijate în procesul de proiectare a dispozitivelor microfluidice, ele au un impact mare asupra costurilor de producție și a performanțelor dispozitivelor.
Metode de creare, etanșare și încapsulare
Dispozitivele LOC sunt în mod tipic etanșate pentru a:
limita solvenții, probele și reactivii în volume diferite față de cele definite,
împiedica răspândirea necontrolată a lichidelor de-a lungul zonelor umede,
reduce contaminarea și pericolele biologice,
minimaliza evaporarea probelor și a reactivilor
proteja structurile sau moleculele sensibile și fragile, de praf sau de impactul fizic.
În funcție de materialele și de constrângerile impuse de către aplicație, sunt disponibile multe tehnici de lipire
Încapsularea și etanșarea prin utilizarea metodelor clasice
PDMS-ul (Polidimetilsiloxan) a devenit de departe cel mai popular material deoarece este ieftin și procedeele de fabricație sunt facile, prin replicarea matrițelor realizate folosind prototipuri rapide sau alte tehnici, flexibil, transparent optic, biocompatibil și tehnologia de fabricație nu necesită investiții de capital ridicate și condiții pentru încăperi sterile.
Tehnicile adoptate pentru fabricarea structurilor microfluidice în PDMS, sunt: gravura umedă și uscată, modelarea fotolitografică a unui PDMS fotosensibil, gravarea laser[16] și nu numai. Totuși tehnicile "litografice moi" introduse de Whitesides și colab.[17], au permis utilizarea pe scară largă a PDMS și au deschis epoca microfluidicii bazate pe PDMS la sfârșitul anilor 1990.
Tehnologia replicării prin turnare (matriță), care se face prin turnarea prepolimerului peste o matriță și generarea unei replici în PDMS, a devenit o tehnică standard de fabricare disponibilă în aproape toate laboratoarele de cercetare.
În prezent, multe instrumente dedicate acestui scop sunt disponibile și pot fi achiziționate ca set complet (de exemplu, SoftLithoBox furnizat de Elveflow (SUA) [18]), în plus, companii precum FlowJEM [19], și Microfluidic Innovations (SUA) [20] furnizează servicii rapide de prototipare pentru dispozitive LOC bazate pe PDMS. Pe lângă utilizarea ușoară și rapidă, una dintre proprietățile cheie ale PDMS este că poate fi etanșat pe sine sau pe alte substraturi atât în mod reversibil, cât și ireversibil, fără un adeziv. Acest contact conformant spontan pe care PDMS îl stabilește cu substraturi și cu el însuși a făcut acest elastomer un material utilizat pe scară largă pentru etanșarea cip-urilor microfluidice.
La mijlocul anilor 1990, Kim și colaboratorii au folosit proprietatea de etanșare reversibilă a PDMS la structuri cu materiale polimerice de dimensiuni submicrometrice [21]. Metoda a fost denumită MIMIC (micro-molding in capillaries) și sa bazat pe umplerea capilară a prepolimerilor prin canalele închise între substrat și stratul microfluidic PDMS, așa cum este ilustrat în figura 2.2. Un strat PDMS care este expus la diferite tratamente de suprafață poate fi utilizat pentru etanșarea permanentă.
Figura 2.2. Etanșarea prin turnare de polimeri într-un elastomer PDMS modelat (matriță) [21]
Curând după aceea, Delamarche și colaboratorii au introdus conceptul de rețele microfluidice detașabile (μFN) pentru modelarea simultană a diferite biomolecule pe suprafețe și pentru teste biologice miniaturizate (Figura 2.3) [22].
Figura 2.3. Rețele microfluidice [22]
Rețelele microfluidice complexe, supapele și pompele au fost fabricate folosind o auto-etanșare ireversibilă a PDMS. Quake și colaboratorii au introdus pentru prima dată supape pneumatice integrate și pompe bazate pe integrarea multistrat a elastomerilor [23]. Această metodă a permis integrarea pe scară largă a miilor de valve și a camerelor microfluidice adresabile individual în dispozitivele LOC și a furnizat conceptul de "procesoare microfluidice".
Ulterior, alte cip-uri microfluidice bazate pe PDMS au fost fabricate pentru numeroase aplicații, iar într-un flux normal de procesare, straturile fabricate cu ajutorul matriței sunt expuse pe o plasmă O2 și plasate în contact, apoi, lipirea permanentă este realizată prin aplicarea căldurii într-un cuptor sau pe o placă fierbinte. Folosind această tehnică, Chang-Yen și colaboratorii au fabricat un microspotter având o matrice 4 x 12 cu orificii de spumare formate din 5 straturi de PDMS iar mai recent, Juncker și colaboratorii au dezvoltat circuite complexe și elemente capilare în PDMS [24]. În plus, s-au utilizat metode de transfer-transfer pentru rețelele microfluidice 3D având straturi multiple de PDMS conectate prin intermediul microfluidicii.
Straturile de PDMS fie ca sunt structurate sau plate pot etanșa și alte substraturi plane, cum ar fi siliciul, sticla sau materialele plastice. Această abordare a fost larg adoptată, în special pentru testarea ușoară și rapidă a dispozitivelor LOC, în special a celor care au electrozi metalici pe substraturile lor. Deoarece PDMS poate fi turnat în aproape orice formă și deschiderile pot fi perforate sau tăiate după întărire, este ușor de realizat modelarea deschiderilor pentru conexiunile fluidice și electrice. Ca un prim exemplu de dispozitive LOC cu electrozi integrați, Fujii și colab. a lipit polimetacrilat de metil (PMMA) și substraturi de sticlă cu un strat microfluidic de PDMS [25]. Ulterior, legarea permanentă a PDMS și a materialelor plastice a devenit, de asemenea, atractivă, Lee și colaboratorii au utilizat organofunctional silanes pentru a lega o membrană din PDMS într-un strat microfluidic din policarbonat (PC) [26] iar Vlachopoulou și colaboratorii au demonstrat legătura ireversibilă (rezistență de lipire de până la 1 MPa) între PDMS și PMMA modificat chimic, polistiren, SU-8, și substraturi cu bandă epoxidică [27]. Un promotor de aderență pe suprafață pe bază de siloxan a fost introdus de Cai și colaboratorii pentru a obține o etanșare ireversibilă între PDMS și o placă de circuite imprimate pe bază de FR4 (PCB), ca substrat rentabil pentru aplicațiile LOC [28]. Baraket și colab. au format grupuri de silanol pe PDMS și pe substraturile polimerice și au raportat canale microfluidice flexibile lipite fără aplicarea presiunii și căldurii [29]. Ca un exemplu notabil legat de dispozitive flexibile, Jamal și colab. a creat un dispozitiv microfluidic SU-8 / PDMS auto-asamblat hibrid (figura 2.4) [30]. În tehnica lor, suporții diferențiali SU-8 foto-reticulați au fost folosiți pentru a curba spontan rețelele microflidice PDMS în căile de curgere cilindrice, permițând noi posibilități pentru dispozitivele LOC bazate pe PDMS.
Figura 2.3. Exemplu de microfluidica flexibila auto-asamblată [47].
Lipirea polimerilor non-conformați
PDMS este un material excelent pentru prototipuri rapide și sigilare ușoară a multor dispozitive LOC, dar cu toate acestea, există unele dezavantaje, cum ar fi adsorbția moleculelor hidrofobe, stabilitatea pe termen scurt după tratamentul de suprafață, umflarea solvenților organici, permeabilitatea la apă și incompatibilitatea cu operațiunile la presiuni foarte înalte în plus, PDMS nu este un material de ales pentru fabricarea pe scară largă, deoarece are nevoie de matrițe, un timp semnificativ pentru întărire și necesită destulă forță pentru a se dezlipi din matriță după întărire. Din aceste motive, PDMS nu a câștigat aceeași popularitate în industrie ca și în mediul academic și în cercetare.
Materialele termoplastice au fost preferate ca variante alternative la PDMS, precum și ca variante alternative la siliciu și sticlă. Multe companii utilizează în prezent materiale termoplastice în produsele lor comerciale de tip LOC de exemplu companii cum ar fi Acamp (Canada) [31], , ALine (SUA) [32], și Microfluidic ChipShop (Germania) [33], oferă servicii de producție. Materialele termoplastice prezintă o mare varietate de proprietăți materiale care sunt atractive pentru aplicațiile LOC, multe dintre proprietățile lor, inclusiv elasticitatea, rezistența mecanică, transparența optică, autofluorescența, stabilitatea chimică și biocompatibilitatea, pot fi adaptate în funcție de constrângerile impuse de procesul de fabricație și de aplicație. Modelarea structurilor cu dimensiuni micrometrice poate fi realizată utilizând diverse metode, printre care gravarea la cald și turnarea prin injecție sunt cele mai utilizate pe scară largă pentru producția de serie.
Strategiile majore de etanșare dezvoltate pentru termoplastice [34] sunt:
lipirea prin fuziune termică;
lipirea cu solvenți;
sudarea cu ultrasunete;
lipirea după modificarea suprafeței.
Îmbinarea termică prin fuziune implică aplicarea simultană a presiunii și a căldurii. Substraturile sunt încălzite la temperaturi apropiate sau superioare temperaturii de tranziție vitroasă (Tg) a unuia sau a ambelor materiale de substrat. Această tehnică este simplă, poate fi aplicată multor materiale termoplastice și oferă rezistențe relativ mari după lipire; totuși, temperaturile și presiunile ne-optimizate sau utilizarea materialelor cu Tg diferite pot duce la deformarea și colapsul canalului microfluidic. Tehnicile de lipire bazate pe solvenți promit să relaxeze constrângerile asupra temperaturii și timpului de lipire. Un solvent compatibil poate fi aplicat pe substraturi în fază lichidă sau vapori înainte de a fi îmbinate sub presiune. Mair și colab. au dezvoltat cipuri rezistente la presiuni de până la 34,6 MPa, folosind lipirea la temperatura camerei, pe bază de solvenți, a substraturilor copolimerului olefinic ciclic (COC)[35].
O altă tehnică de lipire la temperatură joasă frecvent utilizată este sudarea localizată. Sudarea se poate face prin aplicarea la nivel local a unui fascicul laser sau a microunde, dar aceste tehnici necesită de obicei un strat absorbant la interfață, în schimb, sudarea cu ultrasunete, care implică aplicarea unei energii cu ultrasunete pentru a suda suprafețele elementelor termoplastice, a apărut ca fiind o soluție mai convenabilă. Truckenmüller și colab. folosesc sudarea pieselor polimerice pentru o pompă cu micro-membrană și cu acționare piezo-electrică [36]. Ulterior, Luo și colab. folosesc sudura multistratificată a PMMA utilizând un instrument comercial de lipire cu ultrasunete (Figura 2.4) [37].
Figura 2.4. Exemplu de sudura între straturi polimerice pentru fabricarea microfluidelor, bazată pe lipirea ultrasonică asistată termic sau solvent[37]
Alternativ, sunt disponibile diferite tehnici de modificare a suprafeței, cum ar fi tratamente cu plasmă, UV sau UV/ozon. Kettner și colab. a comparat legarea substraturilor PMMA-PMMA și COC-COC după tratamentele cu plasmă ale diferitelor gaze (O2, N2, H2, He și Ar) [38] și au raportat o rezistență de legare de 100 Pa la o temperatură de lipire de 50 ° C aplicată după tratamentul cu plasmă O2.
Saharil și colab. a dezvoltat o tehnică de lipire uscată și biocompatibilă, pe substraturile de siliciu, la temperaturi sub 37 ° C [39]. Straturile fine de înveliș din termoplastic au devenit din ce în ce mai atractive în producerea LOC, în special pentru dispozitive microfluidice flexibile, și anume "Lab-on-a-Foil". Ca un exemplu recent în acest context, Miserere și colab. au folosit un proces simplu de laminare pentru a crea cip-uri flexibile în COC (Figura 2.5) [39].
Figura 2.5. Cip-uri microfluidice flexibile obținute prin procesul de laminare[37]
Metodele de gravare și de etanșare la cald au permis soluții mai atractive din punct de vedere comercial si financiar, în special pentru aplicațiile biologice unde sunt necesare cip-uri de unică folosință. Proprietățile termoplastice ale polimerilor au permis, de asemenea, utilizarea tehnologiei de micro-termo-formare 3D pentru fabricarea canalelor microfluidice complexe cu micro- sau nano-structuri, iar Chen și colab. au introdus conceptul de "Shrinky-Dink" microfluidics ca o metodă alternativă de prototipare rapidă în favoarea tehnicilor menționate mai sus. În această tehnică, ei au folosit proprietățile de contracție ale peliculelor termoplastice pretensionate biaxial și suprapunerea straturilor pentru fabricarea ușoară și rapidă a canalelor 3D pentru cip-urile microfluidice (Figura.2.6) [41].
Figura 2.6. Lipirea la temperaturi înalte a peliculelor termoplastice pretensionate biaxial [41].
Sudarea/lipirea materialelor dure, cum ar fi siliciul și sticla
Primele exemple de dispozitive LOC au fost fabricate în special pe substraturi de sticlă și siliciu, utilizând tehnologia derivată din microelectronică. Deși PDMS și materialele termoplastice domină domeniul în zilele noastre, microfabricarea pe bază de siliciu și sticlă este încă atractivă pentru unele aplicații care pot necesita structuri robuste, stabile din punct de vedere chimic (de exemplu compatibile cu solvenții) și structuri microfluidice reproductibile, potențial având structurile cu electrozi de înaltă rezoluție și / senzori integrați.
Cea mai obișnuită tehnică pentru fabricarea canalelor este gravarea substraturilor. Gravarea umedă anizotropă a siliciului a fost deja cunoscută în anii 1950, însă invenția de gravare pe baza ionilor reactivi de profunzime (DRIE) (cunoscută sub numele de "Procesul Bosch") la mijlocul anilor 1990 a revoluționat întregul domeniu microelectronic / MEMS [42].
Această tehnologie a făcut posibilă gravarea foarte adâncă și cu rezoluție ridicată în structurile pe bază de siliciu. În primele zile ale acestei tehnologii, a fost posibilă fabricarea microstructurilor pe mai multe nivele, structuri cu pereți laterali verticali, utilizând combinații de gravură dură și moale cu ajutorul DRIE. În prezent, multe cip-uri microfluidice care au structuri extrem de precise, și la adâncimi de câteva sute de micrometri, pot fi fabricate cu viteze de gravare care variază de obicei de la 5 la 10 μm / min).
Au fost adoptate tehnici de lipire directă pentru a etanșa structurile microfluidice, de exemplu, sudura prin fuzionarea siliciu-siliciu permite o rezistență foarte bună la lipire, cu toate acestea, nu este cea mai preferată tehnică pentru producția dispozitivelor LOC, deoarece transparența optică este dorită pentru multe aplicații sau pentru inspecție vizuală în general, în schimb, lipirea anodică a siliciului și a sticlei permite atât o lipire de înaltă calitate, cât și un strat transparent. De exemplu, în 1999, Gray și colab. au fabricat structuri microfluidice complexe utilizând o combinație intre lipirea prin fuziune și lipirea anodică, iar mai recent, Lovchik și colab. au utilizat DRIE și lipirea anodică pentru fabricarea capetelor de sondă microfluidică multistrat și verticale pentru chimia localizată la suprafață. Figura 2.7 reprezintă procesul de lipire și un instrument de lipire anodică. În mod similar, versatilitatea tehnicilor de lipire DRIE și lipire anodică a fost utilizată de Lopez-Martinez și colab. pentru tehnologia de producție a unei micropipete [43].
Figura 2.7. Dispozitiv microfluidic sigilat permanent produs prin lipirea anodică a unei pelicule de siliciu cu o placă de sticlă[43].
Alternativ, sudarea prin fuziune a sticlei cu sticla a fost, de asemenea, studiată intens deoarece siliciul este un material relativ scump, iar sticla este disponibilă în gamă largă de formate și grosimi (chiar și pelicule flexibile), iar compoziția chimică poate fi adaptată în funcție de aplicație. Canalele microfluidice și orificiile pentru conexiunile fluidice / electrice pot fi structurate utilizând gravarea cu laser, găurirea, sablarea cu nisip, tăierea și procesele de gravare umedă / uscată, deși vitezele de gravare și rezoluția gravurii sunt în mod obișnuit mai mici decât la cele obținute prin prelucrarea siliciului. Aplicațiile pe bază de sticlă sunt, de asemenea, compatibile cu multe instrumente dezvoltate pentru microelectronică, prin urmare, electrozii pot fi modelați pe substraturi din sticlă plană sau structurată cu rezoluție micrometrică utilizând procedee standard prin depunere metalică și fotolitografie. De exemplu, figura 2.8 prezintă un dispozitiv microfluidic din sticlă etanșat prin fuziunea a doua straturi de sticlă, având toți electrozi interconectați pentru o pompă electroosmotică[44].
Figura 2.8. Dispozitiv microfluidic sigilat permanent, etanșat prin fuziunea unei pelicule de sticlă cu o placă de sticlă[44].
Tehnicile de lipire a sticlei cu sticla și a sticlei cu siliciul, necesită, în general, suprafețe extrem de curate, condiții de mediu steril, și evitarea contaminării cu particulele de praf care afectează randamentul, uneltele specializate și etape și proceduri de lipire sau recoacere la temperaturi ridicate (de regulă peste 500°C). Pentru a ușura aceste condiții s-au introdus diferite abordări de lipire la temperaturi scăzute (sub 200 C), cum ar fi sudarea prin fuziune asistată de HF și lipirea prin fuziune la presiune ridicată. Zhi-Jian și colab. au dezvoltat o tehnică de lipire la temperatura camerei prin aducerea suprafețelor curățate ale substraturilor din sticlă în contact strâns în timpul curgerii unui flux continuu de apă demineralizată, Howlader și colab. au raportat rezistențe la lipire de până la 20 MPa prin tratarea substraturilor printr-un proces secvențial cu activare cu plasma în pași (O2, RIE și tratament cu azot) înainte de lipirea la temperatura camerei. Recent, tratamentul cu plasmă O2 / CF4 și lipirea asistată cu silicat de sodiu au fost folosite pentru lipirea substraturilor din sticlă la temperaturi joase [45].
Sticla și siliciul asigură proprietăți de suprafață bine caracterizate, etanșare de înaltă calitate și randament ridicat pentru dispozitivele LOC; cu toate acestea, ele nu sunt la fel de atractive ca PDMS și materialele termoplastice, datorită costurilor si investițiilor ridicate.
Etanșarea prin utilizarea straturilor adezive
Tehnicile de etanșare anterioare necesită în mod obișnuit, cel puțin una dintre următoarele condiții:
capacitatea de a adera la o suprafață conformă (de exemplu, PDMS);
chimia de suprafață personalizată;
temperaturi înalte;
materiale similare pentru canale și stratul de acoperire;
suprafețe extrem de curate și un mediu fără praf;
unelte specializate.
Utilizarea straturilor adezive pentru lipirea și etanșarea straturilor componente ale cip-urilor microfluidice elimină unele dintre aceste cerințe și permite integrarea hibridă a unei varietăți de materiale standard și neconvenționale. În această abordare, un strat intermediar de material adeziv este aplicat pe stratul de acoperire sau pe substrat cuprinzând structurile microfluidice înainte de etanșare. În mod alternativ, stratul de adeziv poate fi modelat pentru a forma stratul microfluidic. Unele dintre cele mai frecvente materiale care pot fi utilizate ca adezivi sunt adezivii pentru vulcanizare UV, SU-8 și parilen, precum și materiale adezive care au apărut în ultimii ani. Una dintre cele mai utilizate tehnici de lipire adezivă se bazează pe aplicarea adezivilor lichizi (cleiuri) care se întăresc prin evaporarea unui solvent, prin reticulare după expunerea la UV sau prin amestecarea cu un agent catalizator.
Principalele provocări legate de utilizarea unor astfel de adezivi lichizi sunt dificultatea obținerii unei grosimi uniforme de-a lungul suprafețelor mari, modelarea adezivilor pe anumite zone și evitarea obturării canalelor microfluidice în timpul lipirii. Adezivii durificați cu UV, în special familia de rășini NOA (Norland Optical Adhesive), au devenit din ce în ce mai populare pentru etanșarea dispozitivelor LOC datorită proprietăților lor fizice și optice excelente, compatibilității cu solvenții și capacității de a se întări la temperaturi scăzute sub expunerea la radiații UV. Ca un exemplu cuprinzător, în 2008, Bartolo și colab. au introdus conceptul de "autocolante microfluidice" care permit stivuirea și etanșarea straturilor formate din NOA 81, ulterior, Dupont și colab. au fabricat cip-uri microfluidice având stratul cu canal structurat prin turnarea NOA 63 și etanșat de o membrană de NOA 63 [46].
Pentru a evita înfundarea canalelor cu adeziv, Arayanarakool și colab. au dezvoltat o tehnică prin transferul unui strat subțire de NOA 81 pe un strat microfluidic utilizând o rolă, mai recent, un dispozitiv LOC fabricat prin lipirea unui substrat de PCB de o peliculă de sticlă având un adeziv UV a fost dezvoltat de Li și colab. (Figura 2.9) [47].
Figura 2.8. Materiale care au proprietăți adezive – adezivii durificați cu UV permit o lipire de înaltă rezistență a straturilor în procesul de producție a echipamentelor microfluidice. Aici, un strat de sticlă este lipit de stratul cupru la un PCB [47].
Acest exemplu demonstrează că diferite substraturi, cum ar fi un PCB standard având gravat Cu ca strat microfluidic, poate fi sigilat folosind adezivi și fără a necesita tratamente sau unelte speciale.
Deși adezivii cu întărire prin expunere la UV sunt potriviți pentru etanșarea dispozitivelor LOC la temperaturi scăzute, modelarea și aplicarea unei grosimi uniforme este încă o provocare. Astfel, SU-8 a devenit materialul potrivit pentru a fi ales în formarea structurilor de înaltă rezoluție în tehnologia de fabricație a dispozitivelor microfluidice și MEMS. SU-8 este o rășină epoxy fotorezistentă cu tonuri negative și a fost dezvoltat de IBM la mijlocul anilor 1990. A fost inițial utilizat ca o alternativă ieftină pentru crearea matrițelor folosind litografia cu raze X și galvanizarea cu Nichel (proces cunoscut sub denumirea de "LIGA"), la scurt timp după aceea, a fost folosit pentru fabricarea straturilor rezolutie înaltă în MEMS [48], iar mai târziu, a devenit un material utilizat pe scară largă în microfluidică, în special pentru formarea matrițelor din PDMS sau a altor polimeri.
SU-8 este, de asemenea, folosit ca material structural sau strat intermediar pentru lipirea adezivă. La începutul anilor 2000, au fost dezvoltate dispozitive microfluidice folosind SU-8 expus ca strat microfluidic și SU-8 neexpus pe Pyrex ca strat adeziv. Au urmat multe alte abordări, inclusiv lipirea directă a SU-8 și a capacului de sticlă tratat cu plasmă, depunerea selectivă a SU-8 pe suprafața de lipire utilizând un cilindru și laminarea unei pelicule din PET având un strat netratat de SU-8. Recent, a fost demonstrată o rezistență ridicată la lipire, de aproximativ 45 MPa prin aditivarea straturilor SU-8 modelate la temperaturi de peste 125 ° C.
O problemă importantă la modelarea și întărirea SU-8 pentru lipirea adezivă este aceea că SU-8 necesită creare de legături puternice. Are o bună calitate de lipire dacă este lipit la temperaturi scăzute. Recent, această problemă a fost abordată și a fost dezvoltat un protocol de lipire cu SU-8 care implică expunerea la lumină pe lungimi de undă de 254 nm a straturilor de SU-8 modelat, pentru degajarea legăturilor epoxidice din rășină, creând astfel condiții de lipire bune la o temperatură și o presiune mai joasă [48].
În defavoarea tehnicii de lipire cu SU-8, tehnicile de lipire adezive la temperatură scăzută bazate pe poliamidă și benzociclobutenă (BCB) au câștigat o popularitate tot mai mare în tehnologiile de fabricație microelectronică / MEMS la începutul anilor 2000 [49].
Au fost dezvoltate dispozitive microfluidice bazate pe poliamidă, folosind straturi din poliamidă fotosensibilă și ne-fotosensibilă, modelate prin turnarea prin centrifugare. Mai recent, straturi subțiri de parilen depus sub formă de vapori au fost folosite ca straturi biocompatibile de pasivare, încapsulare sau ca adeziv pentru dispozitivele LOC. Pe lângă buna stabilitate chimică și uniformitatea grosimii, compatibilitatea cu multe procese efectuate în mediu steril (de exemplu, modelarea cu O2 RIE după fotolitografie) face din parilen un material atractiv pentru fabricarea și sigilarea canalelor microfluidice. De exemplu, Ciftlik și colab. a raportat o rezistență între 10 și 23 MPa a lipiturii după sudarea plăcilor de Pyrex de straturile de Parylene C depuse pe oxid de siliciu și, respectiv, de nitrat de siliciu (Figura 2.9) [50].
Tehnica de lipire dezvoltată în această lucrare a fost ulterior utilizată la fabricarea unui cip microfluidic compatibil cu lucrul la presiuni înalte pentru aplicații imunohistochimice.
Figura 2.9. Materiale care au proprietăți adezive – adezivi pe baza Parylene C care permit o lipire de înaltă rezistență a straturilor în procesul de producție a echipamentelor microfluidice. Aici, un Pyrex este lipit de stratul de oxid de siliciu și nitrat de siliciu la PCB [50].
Au fost folosite multe alte tehnici și materiale adezive pentru a preveni obturarea de către materialul adeziv a canalelor microfluidice și pentru a reduce temperatura și timpul necesar unei lipituri fiabile. În 2005, Wu și colab. a introdus o tehnică numită "stamp-and-stick", în care un strat subțire de adeziv, cum ar fi un PDMS netratat sau un adeziv UV, este transferat selectiv pe stratul microfluidic folosind un procedeu de ștanțare, apoi lipit de un substrat. Curând după aceea, Carroll și colab. a folosit această tehnică pentru lipirea la temperatura camerei a peliculelor pentru electroforeză capilară. Ulterior, Bart și colab. a introdus o nouă tehnică de lipire la temperatura camerei pe bază de etilenă propilenă fluorurată activată chimic, ca strat adeziv intermediar pentru substraturile din sticlă și siliciu tratate cu APTES. Kontakis și colab. a legat structurile microfluidice SU-8 de un strat PMMA folosind un adeziv PMMA, depus în strat subțire pe structurile SU-8 prin turnare centrifugală [51].
Poliprolactona, un poliester biodegradabil, a fost utilizat ca strat intermediar de adeziv pentru lipirea straturilor pe bază de polimeri și a fost constatată o compatibilitate cu aplicațiile care au presiuni de lucru de până la 10 MPa pentru cip-urile microfluidice etansate la o temperatură de 60 ° C[52].
Ca o alternativă la materialele descrise mai sus un exemplu notabil a fost fabricarea în 2008, de dispozitive microfluidice 3D prin lipirea straturilor de hârtie ștanțată cu bandă dubluadezivă [53].
Noi tehnici de prototipare și inovații în tehnologia de
etanșare a structurilor microfluidice
În domeniul microfluidicii s-au căutat mereu modalități mai facile și mai rapide de fabricare și sigilare a cipurilor, astfel că tehnologiile anterioare necesită în mod obișnuit crearea de șabloane pentru fotolitografie sau matrițe pentru turnare și ștanțare, iar aceste etape intermediare generează timpi suplimentari și un costuri ridicate de producție, chiar și pentru producerea unui prototip de cercetare unic.
Pentru a reduce timpul dintre proiectare și experimentare și pentru a avea mai multă flexibilitate în arhitectura finală a dispozitivului, în ultimii 10 ani au apărut noi materiale și tehnici de prototipare rapidă, cum ar fi peliculele de film uscat-laminat (DFR), utilizarea tăietorilor laser și imprimarea 3D.
DFR este o peliculă de polimer care a fost inițial dezvoltată pentru fabricarea PCB, dar mai târziu, sa constatat că este interesant pentru aplicațiile MEMS ca o alternativă la SU-8 [54]. Pelicula poate fi aplicată cu ușurință prin laminare, indiferent de forma, dimensiunea și topografia suprafeței substratului. Uniformitatea grosimii, prelucrarea rapidă și simplă, aderența excelentă la multe tipuri de suprafețe fac din DFR un material structural atractiv pentru etanșare atât pentru prototipuri rapide, cât și pentru producția în masă a dispozitivelor LOC.
La mijlocul anilor 2000, a fost demonstrat ca se pot fabrica structuri microfluidice la scară largă, cu electrozi integrați folosind laminarea multistrat a DFR și lipirea unui capac de sticlă (Figura 2.10) [55]. Mai recent, diferite tipuri de DFR-uri au fost utilizate de mai de către mai mulți cercetători pentru diverse aplicații de bioanaliză.
Figura 2.10. Etanșarea eficientă a dispozitivelor LOC folosind laminarea multistrat a DFR [55].
Cutter-plotterul cu tăiere pe contur permite fabricarea rapidă a structurilor submilimetrice direct dintr-o structură proiectată pe calculator și permite producerea de dispozitive microfluidice flexibile. Tehnologiile prin tăiere cutter-plotter sunt utilizate în principal în industria de fabricare a modelelor pe foliile adezive de vinil, dar a fost adoptată această tehnologie și pentru a crea canale microfluidice în mai multe tipuri de folii din diverse materiale, iar ca prim exemplu în 2005, au fost fabricate structuri microfluidice cu mai multe straturi modelate prin tăierea diferitelor folii polimerice cu dimensiuni de până la 20 μm, iar mai recent, a fost folosit un tăietor de birou care avea o lamă de 50 μm lățime pentru a grava canalele microfluidice în hârtie, acestea fiind ulterior etanșate folosind o bandă adezivă [56].
Producția rapidă de dispozitive complexe și personalizate a reprezentat întotdeauna un interes tehnologic semnificativ astfel odată cu apariția dispozitivelor de imprimare 3D, s-a permis crearea rapidă a materialelor utilizate pentru producția în mai multe domenii, de la implanturi medicale la pantofi personalizați. Pentru aplicațiile microfluidice, această tehnologie permite prototiparea și producția de serie cu volume reduse ale dispozitive LOC monolitice care nu necesită un proces suplimentar de etanșare sau încorporare a traseelor microfluidice. La începutul anilor 2000, a fost concepută fabricarea rețelelor microvasculare 3D utilizând imprimarea directa cu ajutorul unor materiale organice, iar în prezent, imprimarea 3D devine din ce în ce mai accesibilă si cu rezoluții de printare mai bune dar și cu o varietate mai mare de materiale[57].
Dintre variantele de imprimare 3D, stereolitografia este o tehnică-cheie pentru prototiparea dispozitivelor transparente care au caracteristici dimensionale suficient de mici pentru multe aplicații microfluidice (Figura 2.11)[58].
Aspectele privitoare la tehnologiile de fabricare a dispozitivelor LOC prin imprimare 3D le vom detalia pe larg în capitolul următor.
Figura 2.11. Crearea dispozitivelor LOC folosind procedeul de stereolitografie[58].
Astăzi, multe companii oferă servicii de "stereolitografie prin poștă" prin procedee de litografie cu laser pentru prototiparea de dispozitive microfluidice
Procedeele de fabricare prin stereografie a dispozitivelor microfluidice a dus la apariția structurilor reconfigurabile, prin încorporarea diverselor elemente funcționale din PDMS (de exemplu, joncțiunea T, focalizor de flux, mufe de intrare / ieșire etc.) în schele microfluidice bazate pe PMMA.
Etanșarea reversibilă a cipurilor microfluidice
Se dorește, în general, o etanșare permanentă și cu rezistență ridicată a lipiturii la dispozitivele microfluidice, cu toate acestea, etanșarea reversibilă poate fi esențială sau benefică pentru anumite tipuri de aplicații, cum ar fi modelarea elementelor biologice pe suprafețe plane sau în studiile asupra celulelor utilizând structurile microfluidice.
Reutilizarea unui cip microfluidic după îndepărtarea reziduurilor și curățarea acestuia este, de asemenea, atractivă în special pentru laboratoarele de cercetare atunci când numărul de dispozitive microfluidice este limitat sau fabricarea lor este costisitoare și necesită mult timp (de exemplu, dispozitive LOC care cuprind electronica activă).
Tehnicile de lipire directă care sunt menționate anterior nu permit separarea, fără deteriorare, a straturilor lipite iar adezivii care creează legaturi foarte tari și care se utilizează la interfețe, sunt foarte greu de îndepărtat, mai mult, nu este practic să se reaplice adezivii sau să se utilizeze alte tehnologii de lipire pentru foliile care sunt deja uzare.
Cip-urile microfluidice dezvoltate având pereții canalelor hidrofili și o suprafață a cip-ului hidrofobă datorită acoperirii temporare cu o folie de sticlă tratată cu polistiren pentru a evita scurgerile de lichid în timpul umplerii capilare a canalelor au fost folosite pentru aplicațiile unde nu sunt folosite presiuni mari ale lichidelor, dar unde sunt necesare presiuni mari ale lichidelor, este posibil ca acoperirea hidrofobă să nu fie suficientă și astfel, este preferată o etanșare pe bază de PDMS asistată de strângere mecanică.
O configurație magnetică de fixare a fost dezvoltată de Tkachenko și colab. pentru etanșarea reversibilă a cip-urilor microfluidice PDMS cu folia de acoperire care cuprinde culturi celulare (Figura 2.12) [59]. Această tehnică de prindere a permis exercitarea unei forțe de presare uniforme pe cipul microfluidic, rezultând o etanșare sigură pentru presiuni ale lichidelor de până la 40 kPa.
Figura 2.12. Etanșarea reversibilă a cip-urilor microfluidice folosind un strat PDMS elastomeric și o prindere magnetică [59].
În plus față de reversibilitate, unele aplicații, cum ar fi studiile pe celule, pot necesita o etapă de etanșare atunci când structurile microfluidice deschise sunt deja într-un mediu umed., iar această provocare a fost combătută prin modelarea unor microstructuri umectabile în jurul camerelor PDMS iar, în timpul etanșării se îndepărtează excesul de mediu de cultură din camerele cipului și acest procedeu a dus la introducerea noțiunii de "rețele microfluidice cu exces" (Figura 2.13) [60].
Figura 2.12. Etanșarea reversibilă a cip-urilor microfluidice folosind zone care pot găzdui lichidul în exces care trebuie să fie deplasat în timpul etanșării [60].
Celulele pot fi depozitate cu ușurință în medii de cultură deschise și cultivate in vitro pentru multe zile iar pentru schimbarea directă a mediului de cultură se poate utiliza o pipetă, această metodă flexibilă și versatilă a permis accesul facil la celule pentru experimente utilizând o configurație patch-clamp sau o stimulare chimică directă a celulelor (cip deschis), urmată de o investigare precisă a interacțiunilor dintre populațiile celulare din camerele învecinate (chip închis).
Când nu este necesară etanșarea
Comunitatea care lucrează cu cip-uri microfluidice a dezvoltat de asemenea dispozitive LOC care nu necesită etanșare, adică microfluidică cu canal deschis. De exemplu, dispozitive microfluidice cu canal deschis pentru studii de celule și mai recent dispozitive microfluidice pentru manipularea picăturilor discrete pe suprafețe deschise, și anume "microfluidica digitală" deschisă [61]. Alte aplicații ale cip-urilor microfluidice cu canal deschis, utilizează o acțiune capilară pentru transportul lichidelor, astfel Feng și colab. a testat recent un dispozitiv openchannel bazat pe PDMS care are proprietăți direcționale, un fel de "diodă microfluidică" [62]. O tehnică modelată prin umectabilitare pentru transportul fluidelor fără pompă pe platforme microfluidice deschise și neplane a fost introdusă de Ghosh și colab. [63]. Tehnica foloseste substraturi versatile, cum ar fi metalele, polimerii, hârtia, pentru a demonstra manipulări complexe ale lichidelor și picăturilor. Mai mult, dispozitivele de diagnostic pe bază de hârtie, cum ar fi testele dipstick (Figura2.13 a) și testele cu curgere laterală(Figura 2.13 b), de obicei nu sunt sigilate și se bazează, de asemenea, pe fluxul capilar pentru transportul fluidelor.
Figura 2.13. Dispozitive de diagnostic pe bază de hartie de tip (a) Dipstick și (b)teste cu curgere laterală.[61]
Dispozitivele LOC care utilizează hârtia ca formă de substrat au un potențial ridicat ca și alternative accesibile, rapide și ușor de utilizat față de dispozitivele fabricate din sticlă / siliciu, materiale plastice și PDMS.
Conexiuni Fluidice
Pe lângă o etanșare de înaltă calitate, un element la fel de important pentru un dispozitiv LOC funcțional este o interfață fluidică sigură între cip și periferice (de exemplu pompe externe, supape, tuburi etc.). Aceste interfețe fluide sunt denumite în mod obișnuit interfețe de "interconectare fluidică", "interfață mono-chip" sau "macro-la-micro" și aici folosim acești termeni interschimbabil. Deși importanța interconexiunilor fluidice este uneori neglijată, acestea sunt, de obicei, cele mai puțin fiabile componente ale unui dispozitiv LOC și limitează performanța generală a acestor dispozitive. Procesele back-end necesare pentru integrarea conexiunilor fluidice contribuie semnificativ la costul dispozitivului.
O problemă cheie pentru utilizarea pe scară largă a dispozitivelor LOC este standardizarea acestor conexiuni fluidice. Există câteva standarde pentru interfața fluidă, cum ar fi Luer Lock și Luer Cone, dar acestea sunt potrivite pentru un număr mic de aplicații, nu sunt compatibile cu majoritatea tehnicilor de fabricare și nu există o conexiune fluidică universal acceptată, s-au dezvoltat o mare varietate de tehnici specifice conexiunilor fluidice cu aplicația țintă.
În mod ideal, o interconectare fluidică ar trebui:
– să aibă un volum minim de mort,
– să evite contaminarea probelor,
– să fie ușor de conectat,
– fie detașabilă și reutilizabilă,
– să fie fiabilă la presiuni înalte,
– să fie suficient de mică pentru a permite conexiuni cu densitate mare,
– să fie făcută utilizând tehnici simple și ieftine,
– să fie inertă chimic
– să fie compatibilă cu tuburile și accesoriile comerciale.
Există diferite interfețe de conectare care au unele dintre aceste caracteristici și pot fi clasificate pe baza orientării de conectare (de exemplu în plan sau în afara planului), a materialului dispozitivului microfluidic (de exemplu PDMS, plastic, sticlă / siliciu etc.), capacitatea de rezistență la presiuni și numărul maxim de conexiuni care pot fi realizate simultan.
Vom clasifica interconectările utilizând ca și criterii următoarele:
(a) introducerea reversibilă a micro-acelor sau micro-tuburilor în găuri perforate sau gravate pe suprafața sau marginea chipului,
(b) conexiune fluidică reversibilă cu contact direct pe suprafața dispozitivului, cu etanșare prin comprimare,
(c) aplicarea unui adeziv pentru a obține o interfață permanentă și rezistență ridicată,
(d) integrarea monolitică a porturilor microfluidice.
Unele dispozitive LOC, cum ar fi sistemele capilare flexibile microfluidice, dispozitivele microfluidice cu canal deschis și testele pe bandă de hârtie bazate pe debitul capilar, necesită în mod obișnuit doar un buffer de încărcare sau un rezervor pentru adăugarea unei probe lichide, nu discutăm în mod special astfel de dispozitive în acest subcapitol.
Conexiuni fluidice fără adeziv și reversibile
Una dintre cele mai simple tehnici de interfațare fluidică se bazează pe introducerea unui tub într-o deschidere, efectuată pe stratul de acoperire sau pe substratul unui dispozitiv microfluidic. Primele exemple de astfel de interconexiuni microfluidice au fost compatibile cu cip-uri pe bază de sticlă și siliciu. La sfârșitul anilor 1990, a fost dezvoltată o tehnică pentru introducerea tuburilor capilare standard într-un cip de microfluidic de siliciu utilizând un cuplor cu injecție de plastic, astfel au fot testate conexiuni etanșe la lichide cu presiuni de până la 414 kPa. Mai târziu, o altă tehnică de interconectare fără adeziv pentru cip-uri de siliciu a fost demonstrată de Pan și colab., fabricând flanșele din siliciu, folosind o combinație de DRIE și gravură izotropică, astfel au conectat tuburile elastomerice folosind o manșon tubular cu contracție termică și a fost dovedită o etanșare până la o presiune maximă de 200 kPa[63].
Alte conexiuni fluidice pe bază de inserție au fost utilizate pentru cip-uri din plastic, de exemplu, au fost testate capacități de presiune de până la 40 MPa folosind un ac filetat din oțel inoxidabil introdus într-un cip de COC [64].
Cu popularitatea crescândă a PDMS la începutul anilor 2000, au apărut noi studii și tehnici pentru a obține interfețe fiabile și reversibile de la macro la micro la cip-urile microfluidice bazate pe PDMS, în special cele care cuprind arhitecturi fluidice cu complexitate mai mare la I / O (de exemplu, un procesor microfluidic). Pentru astfel de aplicații, conectorii cu presare pe care se bazează etanșarea prin comprimare a fost folosit între PDMS și tubul introdus (sau acul) și au fost preferați deoarece sunt mai ușor de conectat / deconectat și sunt compatibili cu lucrul la presiuni moderate. Ca un exemplu, a folosit acest tip de conexiuni într-un procesor de acid nucleic la scară de nanolitri, care este capabil să proceseze diferite probe în paralel (Figura 2.14) [65].
Figura 2.14. Conexiunea fluidică la dispozitive microfluidice realizată utilizând tuburi inserate în straturi PDMS turnate[65].
Mai recent, Lee și Park au introdus o tehnică de interconectare în plan care permite o curgere laterală a lichidului pentru a preveni pierderea particulelor (datorită sedimentării)[66].
Datorită proprietății sale de sigilare și etanșare, PDMS este, de asemenea, utilizat pe scară largă ca material de garnitură pentru interconexiunile reversibile fluidice introduse în dispozitivele LOC care sunt fabricate din alte materiale, cum ar fi materiale plastice, sticlă și SU-8. S-a dezvoltat o tehnică de turnare a PDMS pentru a realiza conexiuni în plan cu volum mort minim la cip-urile microfluidice de sticlă. Mai târziu, un alt tip de tehnică de interconectare "plug and play" a fost testat, astfel, au fost integrate inele PDMS personalizate în cip-uri microfluidice PMMA și s-a demonstrat capacitatea de a rezista la o de presiune de 750 kPa și reutilizabilitatea pentru tuburile metalice inserate.
Evander și Tenje au integrat O-ringuri din PDMS în cipuri PMMA pentru a introduce capilare rectangulare (Figura 2.15) [67].
Figura 2.15. Conexiunea fluidică la dispozitive microfluidice realizată utilizând capilare rectangulare introduse în deschideri găurite. [67]
Deși tehnicile menționate mai sus permit interconexiuni reversibile și fiabile pentru numeroase aplicații, injectarea și manipularea unor volume foarte mici (1-20 μl) rămân încă o provocare, astfel a fost abordată recent această problemă și au fost dezvoltați conectori reutilizabili care au recipienți pentru menținerea probelor cu volum mic (figura 2.16) [68].
Figura 2.16. Conexiunea fluidică la dispozitive microfluidice realizată printr-un conector hibrid și compact de tip PEEK cu micro rezervor [68]
Conexiunile fluidice cu inserție sunt de obicei conectate manual la porturile de conectare, ale căror locații variază de la design la design, astfel, inspirat din conectorii USB la dispozitivele electronice, Chen și Pan au dezvoltat un conector microfluidic, interconectat "F2F", care permite legături auto-aliniate și reversibile la cip-urile microfluidice (Fig. 2.17) [69].
Figura 2.17. Conexiunea fluidică nu se limitează la introducerea tubulaturilor în dispozitive LOC, ci poate fi analogă inserării cartelelor în prize electronice [69]
Ei au inserat tuburile într-o priză PDMS și au introdus cipul microfluidic în soclu. Conectarea fluidică a fost realizată fie prin aderența interfacială dintre PDMS și suprafața cipului (la o presiune maximă de 58,6 kPa) sau prin aplicarea unei presiuni negative (adică a vidului) în jurul interconectărilor (presiunea maximă negativă de 336 kPa). Mai recent, Scott și colab. a introdus un alt standard pentru interfațarea între cip-uri, care se bazează pe un conector convențional (Figura 2.18) [70]. Aceștia au fabricat conectori tată și mamă folosind modelul de replică a PDMS și au testat conectorii la presiuni de până la 103 kPa.
Figura 2.18. Conexiune fluidică analogă unei mufe de conectare a cablurilor [70]
Conexiuni fluidice reversibile cu contact direct si etanșare prin comprimare
Interconectările reversibile bazate pe inerție permit interfața ușoară și rapidă cu dispozitivele LOC deoarece nu necesită elemente de fixare sau metode personalizate pentru aplicarea unei forțe de compresie și pentru a asigura conexiuni fără scurgere. Aceste conexiuni nu sunt de obicei fiabile la presiuni ridicate și nu sunt compatibile cu conectarea simultană a conexiunilor cu densitate mare, în schimb, au fost dezvoltate conexiuni bazate pe contact, în special pentru a fi utilizate în unelte automate cu porturi I / O cu densitate mare. Acest tip de interfețe inter-cip cuprinde un element intermediar moale, cum ar fi un O-ring, o garnitură PDMS sau un tub de silicon și un mecanism de fixare pentru a comprima tuburile pe o suprafață plană a cipului microfluidic.
La începutul anilor 2000 a fost dezvoltată o metodă de conectare fluidică având un mecanism de blocare pentru comprimare/etanșare (Figura 2.19) [71].
Figura 2.19. Conexiune fluidică pe bază de contact pentru interfațarea unui cip utilizând un cadru care poartă tuburi și o blocare mecanică[71]
Soclul a susținut simultan conectarea a 10 tuburi de silicon, iar fiecare poate rezista la o presiune de 200 kPa. În plus față de contactul direct al tuburilor cu silicon, tehnicile bazate pe comprimarea unei garnituri PDMS au fost, de asemenea, utilizate în mod extensiv. Ca un exemplu în 2001, a fost dezvoltat un ansamblu microfluidic care a permis cuplarea nepermanentă a tubulaturilor capilare la cip-ul de siliciu/sticlă folosind un elastomer ca strat de etanșare intermediar. Cooksey și colab. au creat o varietate de cip-uri microfluidice cu conexiune bazată pe vacuum, care permite conectarea simultană a sute de interfețe fluidice (Figura 2.20) [71].
Figura 2.20. Conexiune fluidică pe bază de contact pentru interfațarea unui cip utilizând un cadru elastomeric având tuburi și un colector de vid [71]
În model, se realizează contactul între distribuitorul din PDMS și cipul din PMMA. Apoi, se aplică o presiune negativă asupra rețelei de distribuție.
În mod alternativ la straturile de etanșare PDMS, inelele O-ring sunt de asemenea, utilizate în mod obișnuit atât pentru interconexiunile fluidice simple, cât și pentru cele multiple.
Kortmann și colab. au dezvoltat un conector cu arc care poate aplica o forță variabilă asupra interfeței fluidice având o etanșare cu O-ring. Această tehnică a permis interconexiuni fiabile la un cip PMMA pentru presiuni de până la 2 Mpa.
Mai recent, a fost introdusă o tehnică de conectare fluidică de înaltă densitate bazată pe tuburi PTFE cu flanșă în loc de O-ring-uri sau garnituri. (Figura 2.21) [72], astfel a fost demonstrată o conexiune simultană a 100 de interfețe chimice inerte și fără volum mort, care suportă presiuni de până la 630 kPa.
Figura 2.21. Conexiune fluidică pe bază de contact pentru interfațarea unui cip utilizând conecțiune cu flanșă[72].
Ca o alternativă la mecanismele de conectare prin compresie care utilizează șuruburi, blocuri de vid sau elemente mecanice, Atencia și colab. au dezvoltat un concept nou numit "conectori magnetici" (figura 2.22) [73]. Această tehnică de conectare fluidică este ușor de utilizat și este reversibilă și utilizează un magnet inelar pe o parte a cipului microfluidic și un magnet de disc pe cealaltă față, asigurând o forță de conectare interfacială în intervalul 2-15 N.
Figura 2.22. Conexiune fluidică pe bază de contact pentru interfațarea unui cip utilizând conecțiune magnetică[73].
Conexiuni fluidice permanente
Conexiunile fluidice care se bazează pe introducerea unui tub sau a contactului cu presiune folosind o garnitură, sunt ușor de utilizat, reversibile și permit conexiuni multiple. Cu toate acestea, aceste conexiuni nu suportă în mod obișnuit aplicații în care se produc presiuni înalte (mai mult de 1 MPa). Pentru a spori robustețea și fiabilitatea conexiunilor fluidice, au fost dezvoltate diferite tehnici de lipire a conectorilor, tehnici care implică adezivi. Principalele provocări legate de utilizarea adezivilor constau în riscul de înfundare a conductelor și canalelor microfluidice cu adeziv, timpul necesar pentru aplicarea și întărirea adezivului și compatibilitatea limitată a unor adezivi cu substanțele chimice și solvenții. Sunt utilizate pelicule adezive uscate pentru a elimina riscul de înfundare.
Ca un exemplu, s-au folosit benzi dublu-adezive puternice pentru a etanșa conexiunile microfluidice la un dispozitiv microfluidic pe bază de hârtie (Figura 2.23) [56].
Pentru aplicații care necesită presiuni mai mari IDEX Health & Science oferă inele adezive epoxidice, preformate și de înaltă calitate pentru lipirea conectorilor Nano-Port ™ (presiuni de până la 6,9 MPa) pe suprafețe rigide ale cip-urilor [74 ].
Figura 2.23. Conectarea tubulaturii cu o banda adezivă care acoperă un ansamblu microfluidic pe bază de hârtie[56].
La sfârșitul anilor 1990, Bings și colab. au perforat marginile plăcilor de sticlă utilizând o mașină de găurit cu carbură de tungsten cu diametru de 200 μm și au lipit tuburi capilare în găuri folosind adezivul termoplastic CrystalBond ™. Curând după aceea, a fost introdus conceptul de cuple de silicon pentru a standardiza conexiunile la dispozitivele fluidice MEMS și pentru a crește randamentul și eficiența procesului de asamblare fluidică.
Pentru a evita colmatarea microcanalelor cu adezivi lichizi, au fost introduse tehnici și materiale noi, de exemplu a fost dezvoltată o tehnică de conectare tub-chip pe bază de lipire pentru aplicații cu presiune înaltă (Figura 2.24) [75], în această metodă, au format modele metalice circulare în jurul deschiderilor fluidice ale dispozitivelor din siliciu / sticlă lipite anodic și conectorilor metalici lipiți la aceste modele folosind un strat intermediar de lipici.
Figura 2.24. Conectarea tubulaturii la un ansamblu microfluidic de siliciu prin lipire [75].
Dispozitivele microfluidice asamblate cu această tehnică au fost utilizate la temperaturi cuprinse între 78 și 160 ° C și presiuni de până la 20 MPa.
Parylen-ul depus sub formă de vapori a fost, de asemenea, utilizat pentru fixarea conexiunilor fluidice în plan. Johnson și colab. demonstrează că interfețele dintre tuburile de poliamidă și cip-urile de siliciu / sticlă etanșate cu Parylene C pot rezista la presiuni de până la 827 kPa (Figura 2.25) [76].
Figura 2.25. Conectarea tubulaturii la un ansamblu microfluidic prin inserție în plan a tubulaturii, urmată de lipirea capacului. [76].
A fost dezvoltată o nouă tehnologie de interfațare macro-micro (Figura 2.26) [77]. În acest caz, conductele sunt introduse pe un alezaj conic, înainte de a lipi capacul la un substrat care poartă structurile microfluidice. După lipirea capacului la substrat în prezența conductelor, se aplică un epoxy pentru a asigura o interfață fără scurgeri între conducte și cip.
Figura 2.26. Conectarea tubulaturii la un ansamblu microfluidic prin lipire și interblocare mecanică a tubulaturii conice. [77]
Integrarea monolitică a conexiunilor fluidice
Interconectările fluidice din descrierile anterioare, necesită în mod obișnuit deschideri care sunt gravate sau găurite în substratul microfluidic sau în stratul de acoperire sau necesită suprafețe plane pentru interfața pe bază de contact sau adezivi pentru o asamblare permanentă și robustă.
În mod alternativ, porturile microfluidice 3D pot fi integrate în monolit folosind turnarea prin injecție, sudarea sau imprimarea 3D. Aceste tehnici au potențialul de a reduce costul și timpul necesar etapelor post-procesare pentru integrarea porturilor de conexiune fluidică .
Unul dintre principalele avantaje ale turnării prin injecție este acela că permite fabricarea unui volum mare de structuri care sunt de obicei, mult mai groase decât cele obținute prin alte tehnici de microfabricare și permite integrarea monolitică a conectorilor suficient de groși care sunt compatibili cu fitingurile fluidice comerciale. Ca un exemplu, cip-uri fabricate prin injecție din COC având orificii filetate și integrate, rezistă la presiuni maxime de curgere de până la 15,6 MPa. Tehnici similare de turnare pentru integrarea monolitică a conectorilor au fost ulterior aplicate la cip-uri microfluidice bazate pe PDMS și polimer OSTE [78].
Au fost de asemenea utilizate tehnologiile de sudare și lipire, de exemplu, a fost folosită sudarea cu ultrasunete pentru a conecta conectorii PMMA la cip-uri din PMMA și s-a atașat permanent o tubulatură deformabilă la cip-uri microfluidice din PMMA în timpul lipirii termice asistate cu UV a straturilor de PMMA [38].
Tehnicile de prototipare rapidă, în special tehnologia de imprimare 3D, oferă o mai mare flexibilitate în forma finală a modelelor microfluidice și a materialelor utilizate. A fost utilizată o tehnică de imprimare 3D multi-material pentru fabricarea interconexiunilor microfluidice cuprinzând un material plastic rigid pentru corpul principal și un elastomer flexibil pentru garnitura O-ring (Figura 2.27) [79].
Figura 2.27. Tehnicile de prototipare pe baza de imprimare 3D, pot crea mai mulți conectori fluidici direct la o interfață a cip-ului microfluidic [79]
Acest conector personalizabil și ușor de utilizat a fost testat și a rezistat la presiuni care depășesc 400 kPa. De asemenea, recent, Dentry și colab. au dezvoltat o cameră acustico-fluidică imprimată în 3D cu porturi integrate pentru a interconecta un dispozitiv de undă acustică de suprafață (SAW) direct cu fluidul de lucru (figura 2.28) [80].
Figura 2.28. Tehnicile de prototipare pe baza de imprimare 3D, pot crea o cale fluidică având orientări arbitrare[80].
Astfel de tehnologii de imprimare promit fabricarea ușoară a dispozitivelor microfluidice cuprinzând porturi integrate care sunt compatibile cu fitinguri și tuburi comerciale.
Conexiuni electrice
Multe dispozitive microfluidice LOC utilizează tehnici de control al lichidelor sau tehnici de detectare bazate pe principii optice, magnetice sau electrice și prin urmare, aceste dispozitive au nevoie de conexiuni electrice și electronice. Aplicațiile LOC bazate pe principii electrice, cum ar fi senzorizarea pe bază de electrochimie sau impedanță, manipularea particulelor pe bază de dielectroforeză, separarea electrokinetică, generarea fluxului electroosmotic, manipularea prin picurare prin electroerozare, utilizarea electrozilor integrați, care sunt modelate în interiorul structurilor microfluidice. Deși sunt disponibile diferite tehnici de fabricare pentru modelarea electrozilor pe substraturi comune utilizate în microfluidice (de exemplu, siliciu, sticlă, plastic, PDMS și hârtie), necesitatea interfeței electrice în plus, față de conexiunile fluidice aduce probleme de fiabilitate suplimentare, și costuri mărite de fabricație. Mai mult decât atât, pentru multe aplicații LOC, cip-urile sunt utilizate o singură dată pentru a evita contaminarea încrucișată între eșantioane și evitarea etapelor de curățare înainte de reutilizare, acest lucru implică faptul că conexiunile electrice, precum și conexiunile fluidice, ar trebui să fie de preferință nepermanente și ușor de conectat.
În industria MEMS/microelectronică, sunt adesea preferate conexiunile electrice permanente, cum ar fi cele bazate pe conectarea prin sârmă, îmbinarea flip-chip, lipirea sau aplicarea unei paste/film conductiv, dar interconexiunile temporare sunt de dorit pentru cercetare și testare sau pentru cip-uri și placi de circuite care trebuie schimbate sau conectate / deconectate frecvent. Astfel de interconectări reutilizabile constituie o piață mare în industria electronică și există numeroase standarde bine stabilite, precum USB, Ethernet, HDMI și PCMCIA. Cu toate acestea, nu există încă standarde pe scară largă acceptate pentru conexiunile electrice în dispozitivele LOC.
În cele ce urmeaza voi face o sinteză a conectorilor de tip card și a contactelor cu arc, a unora dintre tehnicile avansate de încapsulare dezvoltate pentru integrarea senzorilor activi și tehnologiile recent dezvoltate pentru conexiunile electrice.
Conectori și prize de margine
Conectorii sau prizele de margine sunt utilizați în aproape toate dispozitivele electronice care au nevoie de o conexiune prin cablu de date. Diferite standarde acceptate la scară largă sunt disponibile pentru conectarea dispozitivelor mici și portabile, cum ar fi cardurile de memorie SD și microSD și cartelele SIM utilizate în telefoanele mobile. Astfel de conectori sunt convenabili pentru unele dispozitive LOC, deoarece permit conectarea ușoară și sigură.
În mod tipic, cipul este introdus în priză prin alunecare în timp ce alinierea mecanică este realizată prin marginile cipului. Plăcuțele de contact de pe cipul microfluidic sunt efectuate pe o parte a dispozitivului. Majoritatea conectorilor comerciali au un pas standard de contact de 1,27 mm sau 2,54 mm, dar unii conectori speciali au contacte cu distanțe mai mici, de exemplu, conectorii HSEC8 de la Samtec (SUA) au distanțe între contacte de 0.8 mm, iar conectorii pentru cartele microSD au un pas de 1,1 mm pentru 8 contacte. Există de asemenea și alte tipuri de conectori cu distanțe mai mici între pini (de exemplu, 0,5 mm), dar acestea necesită grosimi de substrat mai subțiri (de exemplu sub 0,3 mm), care se poate să nu fie compatibile cu grosimea standard a substraturilor de siliciu, sticlă sau plastic. Conectorii de margine au fost utilizați în mai multe aplicații LOC. De exemplu, Temiz și colab. au folosit un conector de margine cu 20 pini pentru a interconecta un cip microfluidic din siliciu cu circuitele electronice externe folosite pentru generarea și simularea semnalelor în analiza clinică(Figura 2.29) [81].
Figura 2.29. Conexiune electrică cu conector de margine pentru simularea semnalelor ciclice în analiți [81]
Misiakos și colab. a dezvoltat un dispozitiv bioanalic portabil pentru detectarea proteinei în timp real, aceștia au așezat în cartușe reutilizabile platforme microfluidice având contacte electrice, au introdus conexiuni fluidice utilizând o garnitură PDMS și au introdus cartușul asamblat la un conector de margine pentru interfațare electrică. Novo și colab. au dezvoltat un modul microfluidic pentru imunotestare, care utilizează presiunea capilară pentru curgerea lichidului și fotodiode integrate pentru detectarea optică, care sunt legate prin liță la un PCB și conectate la dispozitivul principal folosind un conector de margine [82].
Figura 2.30. Conexiune electrică, pentru detectarea prin impedanță a glucozei si a altor compusi și folosind un glucometru comercial și un cip microfluidic [82]
Principii similare de conectare electrică sunt de asemenea utilizate în dispozitive comerciale, cum ar fi glucometre de mână care funcționează pe baza senzorilor electrochimici. Nie și colab. a dezvoltat dispozitive analitice fabricate pe hârtie și având electrozi tipăriți și plăcuțe de contact compatibile cu astfel de glucometre comerciale (Figura 2.30) [82].
Contacte cu arcuri (POGO Pins)
Conectorii de margine standard sunt foarte convenabili pentru implementarea rapidă pe dispozitivele LOC și pentru unele dispozitive comerciale care necesită câteva conexiuni electrice și fluide, dar numărul de conexiuni este limitat de lățimea soclului și de obicei nu este posibilă distribuirea plăcuțelor de contact pe celelalte laturi ale structurilor microfluidice, alternativ, contactele cu arc (sau contacte Pogo) permit montarea electrozilor de contact și a conexiunilor fluidice în orice format, ceea ce simplifică rutele firelor de interconectare.
Contactele Pogo sunt în general montate pe carcase din plastic care sunt de asemenea utilizate pentru interfața cu orificiile fluidice, ca exemplu notabil în 2006, au fost folosite contacte Pogo montate pe un inel de plexiglas pentru a studia semnalul electric generat de biomoleculele de pe suprafețe conductive anorganice (Figura 2.31) [83], s-au modelat electrozi din aur și microcanale din SU-8 pe o placă Pyrex și au sigilat structurile microfluidice prin presarea unui capac care avea o garnitură PDMS.
Figura 2.31. Conectare rapidă și reversibilă efectuată cu contacte Pogo inserate pe un capac cu montare prin etanșare [83]
Această tehnică de etanșare și tehnică de interconectare fluidică/electrică a permis să se testeze simultan 6 dispozitive pe o placă.
Contactele Pogo pot fi puse și pe PCB-uri, astfel, Kanagasabapathi și Kaler au fabricat cip-uri microfluidice din sticlă având electrozi metalici, pentru a studia diferite materiale pentru electrozi și a învelițului dielectric pentru acționarea dielectroforetică a lichidului într-un spațiu deschis [84]. Pentru o interfațare ușoară, au fabricat un PCB cu o zonă pentru inspecție vizuală și conectare cu 24 contacte Pogo (Figura 2.32).
Figura 2.32. Conectare rapidă și reversibilă intre dispozitive LOC își PCB, efectuată cu contacte Pogo [84]
O altă interfață electrică cu 90 de contacte Pogo a fost testată pentru un sistem cu platformă microfluidică digitală automată (Figura 2.33) [85], astfel s-a demonstrat că zeci de electrozi independenți pot fi conectați la un dispozitiv periferic într-un mod ușor și automat.
Figura 2.33. Conectare rapidă și reversibilă intre dispozitive LOC își PCB, efectuată prin 90 de contacte Pogo [85]
Structuri avansate și integrarea senzorilor.
Majoritatea cipurilor microfluidice sunt pasive electric, în sensul că acestea nu cuprind tranzistori pentru comutarea sau prelucrarea activă a semnalelor electrice. Generarea, detectarea sau prelucrarea semnalelor electrice se realizează cu ajutorul circuitelor electronice externe, care sunt conectate la cipuri prin contacte. Acești conectori limitează performanța generală a sistemului și a numărului de electrozi integrați.
De la introducerea conceptului μTAS la începutul anilor 1990 s-au făcut eforturi de cercetare pentru integrarea funcțiilor de detecție și prelucrare a semnalelor on-chip la dispozitivele LOC[15].
O parte semnificativă a acestor cercetări a cuprins utilizarea tehnologiei ISFET (ion-sensitive-field-effect-transistor) pentru detecție și tehnologia CMOS (complementary metal-oxide-semiconductor ) pentru detecție și procesarea semnalelor.
Integrarea hibridă a cipurilor CMOS în cipurile microfluidice poate fi favorabilă pentru multe aplicații de detectare biologică și chimică care necesită măsurări, paralele și sensibile. Pentru rețelele fluidice cu densitate mare, numărul de conexiuni I / O externe poate fi minimizat utilizând tehnici de adresare electronică (de exemplu, selectarea rândului și a coloanei). În ciuda acestor avantaje, materialele utilizate în fabricarea CMOS nu sunt întotdeauna compatibile cu substanțele chimice și reactivii implicați, deci trebuie aplicate diferite etape de procesare post-CMOS. Mai mult împachetarea și integrarea de senzori CMOS pe cip-ul microfluidic este o provocare majoră, deoarece conexiunile fluidice și canalele trebuie să fie pe o suprafață foarte mică (cip-urile CMOS sunt de obicei mult mai mici decât dispozitivele LOC) și conexiunile electrice I / O trebuie să fie protejate de lichide.
Cele mai multe prototipuri de cercetare promițătoare ale dispozitivelor LOC cu circuite active nu au putut fi comercializate, cu excepția câtorva exemple utilizate cu succes în aplicații specifice, cum ar fi sistemul de analiză a sângelui I-STAT de la Abbott Point of Care ™ (USA)[86] și Ion Torrent de la (Life Technologies, Thermo Fisher Scientific) dispozitiv de secvențiere a ADN [87].
Îmbinarea microfluidicii cu electronica CMOS promite să permită o nouă generație de sisteme LOC care au funcționalități de adresare/multiplexare, detectare și prelucrare a datelor pe cip-ul microfluidic. Pe lângă problemele legate de încapsulare și etanșare, un factor cheie pentru utilizarea pe scară largă a unor astfel de sisteme, în special în domeniul științelor biologice, este disponibilitatea substratului de testare (reactiv)la un cost redus.
Temiz și Guiducci au abordat această problemă dezvoltând cipuri de unică folosință cu microcontacte care pot fi aliniate și atașate temporar la electronică prin interconexiuni flexibile (Figura 2.34 ) [88]. Această abordare permite conexiuni electrice de înaltă densitate într-un format matrice, ceea ce nu este posibil să se realizeze utilizând conexiuni standard. În fabricarea acestor cip-uri de unică folosință, microcontactele flexibile au fost realizate prin depunerea straturilor de metal și parilen în interiorul canalelor gravate într-un substrat de siliciu.
Figura 2.34. Conexiune electrică temporară a unei matrice de microelectrozi la electronicele CMOS refolosibile, prin intermediul microcontactelor flexibile. [88]
Au fost dezvoltate și alte tehnici promițătoare și avansate de încapsulare cu integrare a senzorilor, ca un exemplu notabil bazat pe integrarea unui senzor optic de imagine, a fost dezvoltat un dispozitiv integrat la un point-of-care, care îmbină un cip microfluidic cu o platformă de imagistică fără lentilă, utilizând un senzor de imagine CCD (charge-coupled device) (Figura 2.35) [89].
Figura 2.35. Conexiune electrică temporară a unui senzor de imagine CCD la o platformă microfluidica, prin intermediul contactelor standard. [89]
În această tehnică, conexiunile electrice ale senzorului CCD au fost conectate la un PCB folosind un ansamblu de contacte standard, iar cipul microfluidic cuprinzând o cameră cu deschideri de intrare / ieșire a fost montat pe ansamblu folosind o sticlă de protecție cu grosime de 760 μm.
Beneficiile integrării hibride au fost demonstrate în multe centre de cercetare, dar comercializarea și utilizarea pe scară largă a unor astfel de sisteme avansate de tip LOC se poate face doar prin dezvoltarea de noi materiale și tehnici în tehnologiile de creare și încapsulare.
Concepte emergente
Recent, au apărut noi tehnologii de interconectare pentru dispozitivele microfluidice, cum ar fi legăturile fără fir, conversia energetică și utilizarea conexiunilor de tip „through-silicon-vias” (TSV) ca alternative la firele metalice convenționale. În 2011, a fost conceput un dispozitiv LOC care putea fi alimentat fără conexiuni pe fir [90], cip-ul microfluidic era încapsulat într-un substrat plastic flexibil care avea o antenă RF și a fost creat folosind o tehnologie de tipărire 3D. S-a transmis un semnal pe o undă radio de 13,56 MHz iar cu ajutorul unui cititor RFID (Radio Frequency Identification) comercial au fost generați 10 V DC pe dispozitiv, astfel s-au putut manipula molecule și proteine folosind electroforeza. O altă tehnică nouă de livrare a energiei bazată pe conversie a fost dezvoltată prin integrarea unor elemente piezoelectrice pe un dispozitiv microfluidic și au generat ieșiri de tensiune de peste 40 V prin acționarea mecanică a elementelor piezoelectrice.
Dezvoltarea unor astfel de tehnici de utilizare a energiei pentru dispozitivele LOC va elimina constrângerile legăturilor electrice clasice și va deschide calea pentru sistemele microfluidice autonome și eficiente din punct de vedere energetic.
Utilizarea metalelor lichide este, de asemenea, o alternativă la microelectrozi și contacte electrice convenționale.
Ca un exemplu pentru utilizarea metalelor lichide în interconectări, a fost introdusă o nouă tehnologie de încapsulare pentru integrarea hibridă a CMOS și a microfluidicii, astfel s-a încorporat un cip CMOS într-un strat PDMS având structuri microfluidice separate pentru interconexiuni electrice și pentru probe biologice / chimice. Galinstan-ul, un aliaj comercial, metalic lichid, a fost injectat prin tuburi din oțel inoxidabil pe canalele microfluidice aliniate la lamelele de contact ale cipurilor CMOS. Tuburile au fost apoi lăsate în găuri pentru a facilita conexiunile electrice între cipul CMOS și dispozitivele periferice. Un alt exemplu, a fost folosit un metal lichid ca electrozi de contact în pompele electroosmotice [91]. Metalul lichid injectat pe microcanale promite să fie o tehnică simplă și rapidă pentru realizarea de electrozi și contacte electrice în dispozitivele LOC.
Pentru a elimina căldura generate de cip-urile electronice, o strategie de răcire pe bază de microfluidică a fost introdusă recent de mai multe grupuri de cercetare, astfel microcanalele structurate pe substratul dispozitivelor CMOS sunt utilizate pentru a livra un lichid de răcire în cipuri, în timp ce straturile sunt conectate electric folosind TSV-uri cu densitate ridicată. Dacă această tehnologie devine adoptată și standard în industria microelectronică, pot fi adoptate principii similare pentru fabricarea dispozitivelor LOC de înaltă performanță cu conexiuni electrice de înaltă densitate[92]. Un alt concept urmărit de cercetătorii IBM este acela de a combina metodele de încapsulare cu livrarea de energie utilizând conversia energiei electrochimice în rețelele microfluidice în mod similar cu vascularizarea creierului uman [93]. Astfel de scheme de încapsulare inspirate din biologie promit depășirea problemelor legate de interconectare în viitoarele supercomputere și dispozitive LOC.
Capitolul 3.
Analiza chimică și biochimică pe dispozitive Lab-On-Chip fabricate prin imprimare tridimensională (3D printing).
Dispozitivul lab-on-chip sau cip-ul microfluidic este o platformă portabilă, răspândită la nivel global și reînnoită continuu, este o platformă revoluționară pentru diverse aplicații bazate pe ideea de miniaturizare. Sistemul microfluidic oferă avantajele unei analize mai rapide, a unei automatizări sporite, a consumului redus de energie și a compatibilității cu producția în masă, prin urmare, oferă șansa de a simula un micro-mediu in vivo într-un sistem in vitro atât pentru cercetare, cât și pentru aplicațiile point-of-care (POC). De exemplu, prin integrarea diferitelor elemente funcționale simple (de exemplu valve și pompe) într-o platformă analitică miniaturizată cu funcții multiple, aceasta ar putea manipula volume mici de fluid, astfel, dispozitivele "lab-on-a-chip" ar reduce substanțial consumul de reactivi și probe, ar asigura scurtarea duratei de analiză și etapele de operare ar fi simplificate, fără a sacrifica sensibilitatea sau specificitatea rezultatelor.
Dispozitivele "lab-on-a-chip" au făcut progrese semnificative în analiza chimică și biochimică datorită progreselor din fizică, electronică și știința materialelor, cu toate acestea, adoptarea pe scară largă a acestora în medii clinice și medii academice a fost împiedicată de lipsa unei tehnologii de încapsulare adaptabilă, fiabilă și ușor de utilizat.
Metodele convenționale încep sa piardă teren în favoarea imprimării 3D și asta datorită avantajelor pozitive ale imprimării și anume:
Rezoluție înaltă – o astfel de caracteristică provine din faptul că nu mai sunt necesare matrițe în procesul de construcție a structurilor microfluidice. Imprimarea 3D consta in transpunerea unor structuri bine definite într-un spațiu stereoscopic și cu rezoluție înaltă a structurilor dezvoltate în programul de proiectare 3D.
Cost redus – în comparație cu metodele de producție în serie sunt necesare un număr
redus de componente reproductibile pentru efectuarea de analize sau studii clinice pentru companiile din stadiul incipient..
Economie de timp – fiind una dintre tehnologiile de prototipare rapidă, tipărirea 3D poate construi obiecte strat cu strat după modele digitale fără a fi nevoie de matrițare.
Diversitatea materialelor – pot fi utilizate două sau mai multe materiale pentru fabricarea dispozitivelor multifuncționale lab-on-cip prin imprimare 3D. Mai important, cip-urile microfluidice fabricate prin tipărirea 3D s-ar putea conecta la echipamentele standard și ar putea fi integrate perfect cu sistemele de control, rezolvând astfel problema interfațării în microsistem.
Comercializarea personalizată – imprimarea 3D permite fabricarea de structuri complexe conform așteptărilor astfel dispozitivele "lab-on-a-chip" pot fi comandate prin internet sau telefon pe baza modelului 3D.
Tehnologia de tipărire 3D a ajuns să fie folosită recent pentru a dezvolta microstructuri 3D complexe, rapid și eficient din punct de vedere al costurilor, structuri care anterior necesitau echipamente costisitoare sau sofisticate. Imprimarea 3D a fost aplicată în diverse procese de analiză variind de la separarea și cultura celulară, screening-ul medicamentos, pre-tratarea probelor, transmiterea probelor și/sau a reactivilor, amestecarea reactivilor cu proba, și citirea rezultatului[94], așa cum este ilustrat în figura 3.1.
Figura 3.1. Aplicabilitatea tehnologiilor Lab-on-Chip create prin imprimare 3D. [94]
Fiind una dintre tehnologiile de fabricație inovative, dezvoltarea de aditivi si materiale cu caracteristici atractive continuă să ducă la dezvoltarea potențialului acestor echipamente și a unor noi tehnologii de fabricație. Deși s-au făcut progrese semnificative în dezvoltarea dispozitivelor microfluidice prin tehnica de imprimare 3D, cercetarea și dezvoltarea este încă în fază incipientă în comparație cu alte metode clasice, iar aplicarea lor în chimia analitică și biochimie este încă la început.
Tehnologii de imprimare 3D
În comparație cu procesele de fabricare tradiționale unde forma dorită este obținută prin tăierea redundantă a întregului material, imprimarea 3D este o tehnologie de fabricare prin depuneri stratificate de material. De la inventarea sa la sfârșitul anilor 1980, tipărirea 3D oferă producătorilor posibilitatea de a elimina etapele consumatoare de timp ale tehnologiei tradiționale de fabricație pentru crearea produselor proiectate pe calculator. O gamă largă de componente pentru cercetare, inclusiv suporți pentru reactivi chimici, generatoare de gradienți, dispozitive instrumentale și interfețe și dispozitive pipetare au fost construite cu succes prin tehnologiile de imprimare 3D care confirmă fezabilitatea acestei abordări.
Modificările ulterioare ale dispozitivelor imprimate 3D prin adăugarea de substanțe chimice sau prin modificarea funcțională a suprafeței post-imprimare extinde aplicabilitatea produselor construite.
Modelele 3D proiectate cu ajutorul programelor CAD, de exemplu AutoCAD, AutoDesk, Creo Parametric sau SolidWorks, trebuie traduse in fisierul .STL (Standard Tessellation Language sau STereoLithography) inainte de imprimare. Dezvoltarea standardelor de comunicare pentru conversia datelor între software-ul CAD și imprimantele 3D permit construirea rapidă a prototipurilor și readaptarea rapidă după evaluarea prototipului. Datorită proprietăților sale, a fost creată o gamă largă de tehnici de tipărire 3D pentru diferite aplicații în diferite domenii. Stereolitografia (SL), modelarea cu depuneri prin topire (FDM) și tehnologiile 3D de imprimare a gheții sunt luate în calcul, deoarece primele două metode sunt cele mai utilizate, iar ultima este atractivă și inovativă, pentru fabricarea dispozitivelor chimice și biochimice de lab-on-cip.
Stereolitografia (SL)
Stereolitorafia (SL), denumită și micro-SL (MSL), este una dintre cele mai utilizate metode de prototipare rapide atât în cercetarea academică, cât și în cea comercială. (Figura 3.2) [95].
Figura 3.2. Schemă reprezentativă a procesului de imprimare 3D prin stereolitografie. [95]
Permite crearea unor arhitecturi 3D complicate, cu debite fluidice începand de la debite reduse până la debite medii, din materiale polimerice fotoactive. Spre deosebire de metodele de fabricare prin metoda standard de replicare, la tehnologia de fabricare prin imprimare 3D cu ajutorul stereolitografiei, secțiunile mai funcționale cum ar fi pompele de deget (Figura 3.3), supapele unidirecționale sau unisens, membranele filtrante și referințele de calibrare ar putea fi integrate în dispozitive analitice LOC de unică folosință, pentru aplicații Point-Of-Care [96].
Figura 3.3. Secțiuni functionale integrate în dispozitive LOC prin procedeul de imprimare 3D prin stereolitografie. [96]
Cu toate acestea, stereolitografia are limitările ei, chiar dacă asigură o finisare superioară a suprafeței și o rezoluție înaltă, materialele fotosensibile au rezistența mecanică slabă, durabilitate redusă, sau duc la o decolorare a suprafeței prin expunerea prelungită la UV. SL ar trebui îmbunătățită în continuare în două aspecte principale: eliminarea materialelor suport sau bază pentru structurile cu geometrii complexe și dezvoltarea de rășini fotoactive cu caracteristici mai ridicate.
Modelarea cu depuneri prin topire (FDM)
Așa cum este prezentat în Figura 3.4, prin extrudarea materialelor termoplastice ieftine, de exemplu, acrylonitrilebutadienestyrene (ABS), polyphenylsulfone (PPS) și depunerea lor semitopite pe un strat de bază, pentru a forma produse 3D, FDM este una dintre cele mai importante și comune metode de fabricare a prototipurilor rapide[97].
Figura 3.4. Schemă reprezentativă a procesului de imprimare 3D prin FDM [97]
Într-o astfel de tehnică de imprimare, rola de material, este direcționată într-un bloc încălzit conectat la o duză de extrudare. Comparativ cu alte metode de prototipare rapidă, avantajul imprimării FDM este aceea că pot fi utilizate mai multe tipuri de materiale fără a fi nevoie să se modifice sistemul de imprimare între materiale sau culori. Din păcate, o rezistență mecanică redusă și o rezoluție spațială cu pierdere de performanțe este obținută în timpul procesului de fabricare și asta deoarece rezoluția realizabilă în imprimare este limitată de grosimea filamentului, de jocurile din ghidajele de pe axe, de motoarele pas cu pas și de diametrul duzei de extrudare. Ca o consecință, aceste proprietăți nedorite limitează utilitatea și transparența dispozitivelor fluidice fabricate prin această tehnică.
Modelarea prin imprimare 3D cu gheață
Inspirată din litografia moale și prelucrarea suprafețelor, o tehnologie inovatoare și ieftină pentru construirea de cip-uri microfluidice a fost dezvoltată de prof. Zhang de la Universitatea Peking [98]. În cercetările lui, materialele pe bază de polimeri au fost înlocuite cu apă ca cerneală de imprimare pentru imprimarea 3D cu gheață. De asemenea, straturile de contact între gheață si probă au fost create cu o solutie reactivă cu rol de indicator. În detaliu, apa sub formă lichidă a fost depusă cu ajutorul unei imprimante piezoelectrică cu jet de cerneală cu patru culori, pe o suprafață racită cu ajutorul unor elemente Peltier și apoi apa a înghețat formând o structură de gheață, așa cum este ilustrat în figura 3.5.
Figura 3.5. Schemă reprezentativă a procesului de imprimare 3D cu gheață [98]
Structuri mai complicate, cu diverse dimensiuni, diverse caracteristici de finețe și chiar modele multiple, pot fi realizate prin repetarea procedurilor de printare, iar procedeul de proiectare se poate face cu ajutorul software-ul obișnuit, cum ar fi, Adobe Photoshop și software-ul Microsoft Office.
Tabelul 3.1 rezumă cele trei tehnologii de micro-fabricare cu ajutorul imprimării 3D, precum și materialele corespunzătoare utilizate pentru fiecare tehnică, avantajele și dezavantajele tehnologiilor.
Tabelul 3.1 Comparații între tehnologiile de fabricare a dispozitivelor LOC prin imprimarea 3D
O atenție deosebită a fost acordată utilizării tehnologiilor de imprimare 3D, iar acest lucru se datorează creșterii rapide a capacităților și disponibilității acestor tehnologii de prototipare controlate de calculator. Costurile reduse au deschis calea spre dezvoltarea unor noi materiale pentru aditivii folosiți la imprimarea 3D și asta ca o alternativă la metodele tradiționale de fabricare utilizate în mod obișnuit.
Metode analitice efectuate pe dispozitive Lab-on-Chip imprimate 3D
Bazându-se pe capacitatea de a construi dispozitive prin metoda de imprimare 3D într-un singur proces de fabricație, cip-ul microfluidic este utilizat în diverse domenii, în special în analiza chimică. Litografia 2D convențională a necesitat multiple procese de fabricare, repetate pe mai multe planuri de lucru. Cu toate acestea, tehnologia de imprimare 3D ajută într-o singură imprimare la fabricarea de dispozitive miniaturizate, multifuncționale. Prin urmare, toate distribuitoarele și componentele sistemului fie el chiar și multistratificat, ar putea fi realizate prin imprimare 3D. Prin utilizarea conceptului de fabricare strat cu strat într-un singur proces de imprimare 3D, s-a simplificat nu numai fabricarea unităților funcționale ale sistemelor analitice miniaturizate, dar și dimensiunea dispozitivelor ar putea fi ușor controlată. Imprimarea 3D a permis prototiparea ieftină a sistemelor bazate pe chip-uri microfluidice, mai mult, a fost capabilă să integreze toate etapele analitice efectuate în mod obișnuit într-un laborator, inclusiv pre-tratarea probelor, transmiterea reactivului, omogenizarea, reacția, separarea și determinarea analitică sau măsurătoarea. Există tendința de a dezvolta noi metode analitice pentru utilizarea lor împreună cu dispozitive microfluidice imprimate 3D, cum ar fi metoda colorimetrică [99], metoda chemiluminescentă (CL) [100], metoda electrochemiluminescenă (ECL) [101], metoda prin analiza spectrometriei de masă (MS) [67] și metoda fluorescenței [103].
Metoda colorimetrică de determinare analitică.
Cea mai obișnuită și comună tehnică de detecție analitică bazată pe cip microfluidic imprimat 3D este colorimetria. Acest lucru se datorează simplității sale (adică intensitatea culorii este proporțională cu concentrația analitului) și compatibilitatea cu sistemele de citire bazate pe smartphone-uri, în plus, detectorii utilizați pentru analiza colorimetrică pot fi concepuți să fie portabili și potriviți pentru testarea Point-Of-Care. De exemplu, pentru a scăpa de problema lipsei unor instrumente de citire care de obicei sunt relativ mari și costisitoare, în resurse limitate și în teren, Berg și colaboratorii au dezvoltat un cititor colorimetric bazat pe telefoane inteligente, care este portabil și rentabil din punct de vedere financiar [104]. În lucrarea sa a fost efectuată o atașare opto-mecanică personalizată, proiectată pe calculator si construită cu ajutorul unei imprimante 3D, pentru o monitorizare rapidă și specifică a testelor imunoabsorbante colorimetrice cu enzimă de imunoabsorbție (ELISA) bazate pe elemente LOC.
Dispozitivul imprimat 3D este alcătuit din trei părți separate: elementele de sus sunt suport pentru telefonul mobil; în partea de jos se află matricea de fibră optică; și partea de mijloc constă într-o placă cu 96 de godeuri. Rezultatele analitice au demonstrat că rezultatele unui astfel de sistem portbil sunt compatibile cu rezultatele unui sistem convențional potrivit Food and Drug Administration (SUA), care a aprobat cititorul ELISA. Rezultatele obținute fiind corecte în diagnosticarea pacienților iar rezultatul este eliberat după aproximativ 1 min. Utilizând matrice de diode emițătoare de lumină albastră, platforma dezvoltată ar putea ajuta profesioniștii din domeniul sănătății să efectueze screening-uri cu performanțe ridicate sau să urmărească campaniile de vaccinare cu ajutorul POC, chiar și în zonele cu resurse reduse, în plus, conectivitatea sa wireless ar putea ajuta în studii epidemiologice, generând hărți ale prezenței bolilor și studii de imunitate zonale.
În mod similar, un sistem LOC de unică folosință care integrează pompe deget, supape unidirecționale și optică de focalizare a fost creat de grupul lui Filippini (Figura 3.6) [105].
Figura 3.6. a) Secțiune a dispozitivului microfluidic LOC Uni-body, care detaliază componenta fluidică ce găzduiește trei canale de concentrare, un suport pentru supapa unisens,
și un conector integrat pentru tuburile din silicon
b)Vedere reală a lentilei imprimate 3D pe hâtrie milimetrică și vedere izometrică a ansamblului.[105]
Astfel de dispozitive au fost fabricate prin prototipare rapidă, folosind prototipuri create prin stereolitografie de înaltă rezoluție, iar această cercetare a ilustrat o combinație de tehnologii avansate care să permită analize cu ajutorul dispozitivelor LOC și a telefoanelor inteligente. Ca dovadă a conceptului, s-au efectuat analize de glucoză prin metoda colorimetrică și s-au obținut rezultate acceptabile. Se credea că dispozitivele LOC pentru detecție chimică, fabricate prin imprimarea 3D, ar oferi o interfață familiară și simplistă pentru potențialii utilizatori, în plus, au fost create dispozitive microfluidice cu geometrii 3D complexe, iar acestea au fost folosite pentru analiza H2O2 și a glucozei, folosind aplicarea reactivilor si a probelor pe cale pasivă dar și activă, precum și configurații adiacente pentru citirea colorimetrică și a fluorescenței (Figura 3.7) [106].
Figura 3.7. Dispozitiv LOC uni-body care prezintă detalii ale conectorilor cu tuburile de silicon și caracteristicile geometrice pentru etanșarea dinte diferitele sectoare.
Canalele microfluidice au o lățime de 500 μm și o adâncime de 200 μm, cu excepția sectorului 2, unde acestea au adâncimea de 100 μm. [106]
Pentru a confirma aplicabilitatea dispozitivelor microfluidice, a fost fabricat un micro-dispozitiv 3D complex care cuprinde trei componente fluidice (reactiv, proba și adăugarea standard pentru calibrare) pentru analiza colorimetrică a nitraților (azotat) (Figura 3.8).
Figura 3.8. Exemplu de transparență a cipurilor microfluidice imprimate 3D folosite pentru analiza colorimetrica a concentrațiilor de azotat[106]
Acest dispozitiv de tip lab-on-chip a fost tipărit în cinci ore.
Un astfel de cip microfluidic a fost utilizat pentru determinarea concentrațiilor de nitrați din apa de la robinet, iar rezultatele obținute au fost acceptabile în comparație cu analizele efectuate în laboratoare.
Metoda de determinare analitică prin chemiluminiscență (CL).
În ultimii ani, analizele efectuate prin metoda de determinare prin chemiluminiscență a devenit destul de populare pentru analizele clinice și de mediu datorită sensibilității lor ridicate și a gamei de analize cu spectru larg [107-110], cu toate acestea, există un factor principal care împiedică dezvoltarea dispozitivelor CL încorporate în microfluidica compatibilă cu telefoanele inteligente, și anume lumina ambientală reprezintă factorul perturbator al integrării acestor metode analitice în dispozitivele LOC. Pentru a răspunde provocării, Roda și colab. a dezvoltat un minicartuș de unică folosință, ușor de combinat cu orice tip de telefon inteligent sau tabletă, pentru a oferi o alternativă ieftină și portabilă prin metoda CL (Figura 3.9) [111].
Figura 3.9. Dispozitiv analitic LOC, realizat din polimeri ABS, care constă din următoarele elemente: un cartuș analitic de unică folosință cu două camere de reacție, două rezervoare de reactivi și un rezervor pentru probă, o cutie neagră închisă și un adaptor pentru telefonul mobil. În stânga avem secțiune transversală a cartușului analitic, în mijloc avem secțiunea orizontală a cartușului analitic care ne prezintă rezervoarele și conexiunile fluidice iar in dreapta avem imaginea reală a ansamblului. [111]
Dispozitivul a fost realizat prin metoda de imprimare 3D deoarece este eficientă din punct de vedere al costurilor. Acest minicartuș a inclus trei părți: un cartuș analitic de unică folosință, o cutie închisă pentru a evita interferența cu lumina ambiantă în timpul măsurătorii și un suport de legătură între cutie și telefon mobil. Deoarece măsurătorile CL implică reacții chimice rapide, reactivii și proba trebuie amestecați cu puțin timp înainte de masurare, bazându-se pe aceasta, transmiterea luminii emise la un detector optic era necesară. Dispozitive LOC fabricate prin imprimare 3D, cu caracteristici care nu pot fi atinse utilizând metode de fabricație convenționale, au fost create și de Francis și colegi (Figura 3.10 și Figura 3.11) [100].
Figura 3.10. O fotografie a dispozitivului microfluidic imprimat 3D, care evidențiază microcanalele cu ajutorul unor coloranți, pentru a arăta în mod clar forma și poziția lor. [100]
Figura 3.11. O fotografie a dispozitivului microfluidic imprimat 3D din policarbonat transparent, care ne arată două reacții CL formate pe serpentina de măsurare [100]
Dispozitivele noi, create din materiale polimerice, au împărțit fluxul de analit în două zone distincte pentru reacția cu doi reactivi CL diferiți. De asemenea, a oferit în anumite circumstanțe o analiză mai bună a luminii emise decât prin metoda tradițională. Tehnicile moderne de fabricare permit execuția cu succes a dispozitivelor fluidice cu două coloane de determinare în două zone distincte de detecție, iar ca un efect pozitiv s-ar putea stabili o distribuție simplă și foarte reproductibilă a probei pentru determinarea simultană între mai multe zone complementare pentru determinare CL.
Metoda de determinare analitică prin electrochemiluminiscență (ECL).
Dispozitivele microfluidice portabile LOC pentru determinare analitică ECL fabricate prin imprimare 3D folosind metoda FDM [77], au fost imprimate din acid polilactic și au avut trei camere de reacție conectate la un canal microfluidic comun în aval, așa cum se arată în figura 3.12.
Figura 3.12. Dispozitiv microfluidic fabricat prin imprimare 3D folosind metoda FDM. (a) Imagine care ne prezintă cele trei rezervoare de reactivi împreună cu traiectoria de curgere (b) ansamblul dispozitivului care ne prezintă modalitatea de spălare a matricei (în stânga) și echipamentrul pregătit de lucru (în dreapta).[77]
Acest dispozitiv are integrați senzori de carbon și folosește forța gravitațională pentru asigurarea debitului în livrarea și spălarea probei sau a reactivului.
Un alt studiu, folosește un supercondensator portabil, produs cu costuri reduse, reîncărcat de la un panou solar, pentru a alimenta mai multe cipuri microfluidice în locul de stației de lucru convenționale pentru determinări ECL, ca dovadă a conceptului, trei biomarkeri de cancer au fost detectați cu succes în ser, în 35 de minute, sugerând fezabilitatea tehnologiei de tipărire 3D pentru dezvoltarea unor dispozitive analitice mai sofisticate cu un nivel mai ridicat de automatizare.
Datorită caracteristicii opace a polimerilor FDM, canalele de analiză construite prin această metodă au fost lăsate deschise, astfel au fost create canale imprimate 3D care mai apoi au fost închise în dispozitive fluidice cu orificii transparente pentru încorporarea a trei electrozi în rășina transparentă pe bază de acrilat cu metoda SL (Figura 3.13) [114].
Figura 3.13. Dispozitiv microfluidic fabricat prin imprimare 3D având electrozi încorporați (a) vedere laterală a dispozitivului prevăzut cu piulițe filetate și tubulatură pentru accesul la intrarea / ieșirea canalelor de curgere și o piuliță filetată în centru, prin care sunt integrați în canal electrozii;(b) vedere de jos a dispozitivului;(c) Vedere de jos a canalului care prezintă: electrodul de lucru din grafit(stânga), electrodul de referință Ag / AgCl (mijloc) și electrodul de grafit pentru numarătoare care este izolat cu un plastic alb.[114]
Un sistem echipat cu o cameră video a fost cuplat la dispozitiv și a fost utilizat pentru a măsura semnalele luminoase ECL generate de electrozi în urma reacției.
Metoda de determinare analitică prin spectrometrie de masă (MS).
Pentru metodele menționate mai sus, proba trebuie să fie activată cu reactivii corespunzători pentru determinarea analitică a compusului complex, abordarea MS este o metodă mai buna, deoarece o gamă largă de molecule care nu ar fi identificate prin metodele anterioare, ar putea fi detectate pe baza greutăților moleculare inclusiv în structurile chimice complexe ale probelor. Tehnica de ionizare ambientală a fost introdusă recent în MS și atrage atenții deosebite deoarece a permis ionizarea probei la presiune atmosferică și a necesitat o pretratare a probelor puțină sau chiar deloc [115]. De exemplu, Verpoorte și colab. a dezvoltat un dispozitiv microfluidic imprimat 3D (Figura 3.14) pentru ionizarea prin pulverizare a hârtiei (Paper-Spray-Ionization)[116] și care putea fi utilizat aproape imediat după introducerea solventului într-un rezervor dedicat astfel a-a permis o pulverizare prelungită. În acest sistem, caracteristica de umezire rapidă s-a bazat pe acțiunea capilară la nivelul hârtiei și prin mișcarea fluidului printre hârtie și materialul dispozitivului (acid polilactic). Utilizând dispozitivul PSI dezvoltat, a fost făcută o demonstrație a cromatografiei pe suport de hârtie.
Figura 3.14. Dispozitiv microfluidic fabricat prin imprimare 3D folosit pentru determinare MS prin metoda Paper-Spray-Ionization cu alimentare continuă de solvent.[116]
În mod similar, dispozitive microfluidice LOC (Figura 3.15) au fost realizare prin imprimare 3D de către prof. Coltro pentru ionizarea prin pulverizare directă și asistată a hârtiei pentru determinări prin MS [117].
Figura 3.15. Dispozitiv fabricat prin imprimare 3D folosit pentru determinare MS prin metoda Paper-Spray-Ionization cu pulverizare directă și asistată:
Procedeul de imprimare 3D prin metoda FDM, b) inserarea unui vârf de hârtie la o extremitate a dispozitivului, c) conectarea dispozitivului la un spectrometru de masă.[117]
Analiza fezabilității dispozitivelor anterioare a fost efectuată cu succes pentru analiza directă a ionizării prin pulverizare și MS a cernelurilor stiloului cu pix, a cofeinei, a xilozelor și a lizozimelor. Pentru a demonstra conceptul că un dispozitiv imprimat 3D poate fi folosit utilizând funcționalitatea sa chimică, Su și colaboratorii au fabricat un preconcentrator de extracție cu fază solidă (Figura 3.16)[67].
Figura 3.16. Preconcentrator de extracție cu fază solidă care evidențiază procesul de extracție.[67]
Dispozitivul fabricat ar putea fi o interfață universală pentru extracția selectivă a oligoelementelor din probele de apă de mare și analizarea lor precisă și rapidă, atunci când sunt combinate cu un sistem convențional de MS quadropolar inductiv cu plasmă. Pe baza performanței dispozitivelor tipărite 3D menționate anterior, se consideră că tehnologia de imprimare 3D poate oferi o posibilitate de îmbunătățire a fazei de preparare a probelor pentru determinare MS, în funcție de caracteristicile specifice probei.
De la lansarea primului dispozitiv LOC cu determinare colorimetrică în 2009, diferite dispozitive LOC pentru analiză bazate pe telefoane inteligente au fost fabricate cu imprimante 3D și combinate cu sisteme de determinare colorimetrice, CL, ECL sau MS.
Fără îndoială, dispozitivele de tip lab-on-chip fabricate cu imprimante 3D nu se limitează la analizele de mai sus, se crede că aceste dispozitive ar putea fi, de asemenea, utilizate pentru determinări analitice în siguranța alimentelor, analiza farmaceutică, monitorizarea mediului și alte aplicații POC.
Analize biochimice efectuate pe dispozitive LOC imprimate cu tehnologia 3D.
Beneficiind de vaste materiale biologice, tehnica de bioimprimare 3D a fost utilizată pe scară largă în domeniul biochimiei și biotehnologiei, prezentând o necesitate mare și largi perspective industriale. Dezvoltarea rapidă a tehnologei de imprimare celulară și de imprimare a organelor, permite producerea de structuri complexe biomimetice, direct din modelele virtuale create prin proiectare asistată pe calculator. Aceste tehnici ar putea oferi în cele din urmă posibilitatea de a produce organe artificiale și a crea înlocuitori funcționali pentru tratarea bolilor sau disfuncționalităților organelor. În acest subcapitol vom vorbi despre cele mai recente tendințe de dezvoltare în tehnologia de imprimare 3D biologică, cum ar fi cultura și separarea celulară, screening-ul medicamentos, cultivarea bacteriilor, micro-matricele de proteine și și cip-uri LOC pentru analiza țesutului uman.
Cultura și separarea celulara in vitro
Cultura celulară in vitro în cadrul structurilor 3D, unde celulele sunt cultivate în medii care simulează arhitectura și funcțiile native ale țesuturilor, a beneficiat de o mare atenție în domenii precum screeningul medicamentos, biologia celulară și evaluările toxicologice [119].
Necesitatea de creare de platforme terapeutice și cu costuri reduse, folosite pentru monitorizarea progresiei tumorale și metatezei, izolarea rapidă a celulelor rare pentru genotiparea celulelor tumorale circulante (CTC) și pentru a confirma caracterul CTC în biopsia lichidului tumoral a fost destul de semnificativă. Hsiao și colab. au creat structuri 3D ca interfețe bioelectronice atractive (BEI) bazate pe polimeri conductivi [102]. O astfel de structură ar putea fi încorporată în dispozitivele electronice de izolare, detectare și colectare a formelor rare de CTC, prin intermediul unei eliberări electrice de celule de pe cip-uri fabricate cu ajutorul tehnologiei de imprimare prin transfer. Tot ei au creat pe baza polimerizării chimice oxidante, rețele „nanorod” pe bază de poli(3,4-etilendioxitiofen) sau pe scurt PEDOT, cu arhitecturi 3D care aveau bază un strat de siliciu. Totodată, autorii au integrat dispozitivele BEI bazate pe arhitecturile 3D PEDOT tratate cu biotinilat poli- (L) -lizină-gref-poli-etilen-glicol pentru studierea eficienței de captare a CTC-urilor în ceea ce privește atât efectele biochimice, cât și cele topografice. Posibilitățile structurii în controlul dinamic al performanțelor de captură / eliberare a CTC prin metodă de stimulare electrică ciclică au fost, de asemenea, investigate.
Într-un alt studiu [112], a fost dezvoltată o platformă integrată prin combinarea tehnicii de imprimare a celulelor 3D cu sistemul de imagistică tomografică moleculară cu fluorescență mezoscopică (Figura 3.17).
Figura 3.17. Structură 3D creată în sistemul de perfuzare. (A) Ilustrație schematică a procesului de fabricare a canalului și vedere în secțiune transversală. (B) Sistemul real de pompare de perfuzie. Camera de curfere este etichetată cu un dreptunghi galben. (C) Cameră special proiectată pentru curgere. (D) Diagrama schematică a secțiunii transversale a structurii vasculare tipărite prin canalul fabricat în camera de curgere.[112]
Acest design a oferit ocazia de a crea structuri perfuzabile de colagen cu căptușeală endotelială și de a vizualiza la rate mari de cadre fluxul de fluid și celulele endoteliale vii, fluorescente și etichetate. Sistemul de imprimare 3D cu celule a fost capabil să distribuie celulele vii, factorii solubili și hidrogelul în fazele de schimbare, în modelul dorit, menținând astfel viabilitatea crescută a celulelor.
Screening-ul medicamentos
Fiind una dintre tehnicile avansate de bio-fabricație, imprimarea cu celule 3D a furnizat un instrument extrem de valoros pentru ingineria tisulară, screening-ul medicamentos [113]. Pe baza pricipiului de tipărire a celulelor 3D și a cipului celular, Xu și colab. au creat un dispozitiv care ar putea fi utilizat pentru monitorizarea impedanței celulare [118], mai mult, au proiectat un cip de celule care integrează mai multe grupuri de electrozi interconectati pentru a detecta electrofiziologia celulară. Folosind acest model de screening in vitro pentru medicamente pe bază de cip, au fost detectate simultan hepatotoxicitatea și efectul antitumoral al medicamentelor.
Culturi bacteriene
Ca agent patogen care pune viața în pericol, Staphylococcus aureus rezistent la meticilină (MRSA) apare în principal în spitale și este considerat un agent patogen asociat asistenței medicale, cu toate acestea, această bacterie a fost detectată și în produsele alimentare în special în carne [120], astfel, a fost necesară construirea unei platforme de diagnosticare rapidă și eficientă financiar, cu specificitate și sensibilitate ridicată, pentru a preveni SAMR să fie o amenințare pentru sănătatea publică.
Chudobova și colaboratorii au creat prin imprimare 3D un dispozitiv microfluidic integrat pentru cultivarea bacteriilor, izolarea ADN-ului, reacția în lanț a polimerazei și determinarea colorimetrică a genei mecA amplificate folosind MRSA marcat cu nanoparticule de aur [99]. Folosind acrilonitril-butadien-stiren ca material de imprimare, s-au obținut proprietăți atractive, cum ar fi absorbția mică a apei, rezistența la uleiuri, alcalii, acizi și hidrocarburi și a fost suficient de rigid. Pentru a construi un sistem complet automatizat, a fost adăugată valvă de comutare care să permită comutarea între probe și deșeuri. Întregul dispozitiv a fost închis într-o cutie termostatată, echipată cu componente funcționale (elemente de încălzire, radiator și senzor de temperatură). Funcția platformei imprimate 3D a fost testată pentru recunoașterea într-o singură etapă a genei mecA care a apărut numai în SAMR, utilizând metoda de determinare colorimetrică care este rapidă, eficientă și ușor de utilizat. Ei au declarat că au reușit să confirme existența a două probe pozitive din opt.[121] Mai important, cip-ul microfluidic imprimat 3D are potențialul de identificare rapidă și a altor microorganisme, prin pretratarea probelor colorimetrice cu ajutorul oligonucleotidelor cu secvențe complementare genelor specifice în tulpinile bacteriene țintă.
Micro-matrice (micro-array) de proteine
Dispozitivele LOC care integrează întregul proces de analiză și sunt echipamente funcționale pe o gamă largă de substraturi de bază au atras un mare interes. Pentru astfel de dispozitive, ancorarea eficientă a proteinelor captate pe o suprafață solidă este critică, astfel în mod convențional, epoxidul a fost utilizat pentru substraturile cu rol de captare eficientă a diferite biomolecule, prin proceduri în mai multe etape care necesită timpi mari de efectuare [122], în care activarea epoxidică a condus la modificări complete de suprafață care nu sunt susceptibile cu crearea de dispozitive microfluidice cu arhitectura 3D.
Dispozitivele de imunotestare constând din sisteme micro-array și sisteme microfluidice, au fost construite cu o rășină fotorezistentă, astfel nu s-a obținut doar o structură 3D, ci și grupuri funcționale de epoxid pentru ancorarea eficientă de proteine .
În unele studii, pentru a demonstra fezabilitatea unui dispozitiv microfluidic, interleukin-5 și IgG au fost utilizate ca analiți, testate prin metoda colorimetrică și cu rezultate simultane. Este demn de remarcat faptul că aceste studii oferă posibilitatea de a fabrica dispozitive portabile de imunotestare prin determinarea vizuală POC și screening-ul bolilor infecțioase, în plus, conceptul unei metode fluorescente bazate pe micromatrice de proteine a ajutat și la determinarea analitică mai multor biomarkeri în lapte [123].
Pentru a îndeplini cerințele de monitorizare la fața locului, camera foto a telefonului inteligent ar putea fi echipată cu atașamente mecanice și optice imprimate 3D, care sunt utilizate pentru a vizualiza matricea și dă posibilitatea trimiterii imediate a rezultatelor. Am putea spune că astfel de dispozitive se bucură de un mare potențial de aplicare în domeniul siguranței alimentare, al monitorizării mediului sau al studiilor de epidemiologie.
Cip-uri LOC pentru structura țesutului uman
Recent, examinarea in vitro a celulelor umane, incluzând biologia celulară de bază, toxicologia și testarea eficacității medicamentelor, a atras un interes foarte mare ca o abordare alternativă la experimentele tradiționale pe animale dar și pentru rezolvarea problemei cauzate de diferențele fiziologice și celulare dintre specii.
Sunt dificil de evaluat funcțiile reale ale țesuturilor prin intermediul metodei de cultură 2D, deoarece aproape toate țesuturile sunt arhitecturi integrate 3D ale unor vaste tipuri de celule și matrici extracelulare (ECM). Grupul Akashi din cadrul Universității din Osaka a creat cu succes cip-uri stereoscopice de țesut uman, constând din arhitecturi de țesut simplificate și având multiple tipuri de celule, printr-o combinație a imprimării celulă-cu-celulă și imprimării strat-cu-strat a fibronectinei-gelatine (FN-G) (Figura 3.18) [124].
Figura 3.18. Schema de creare a matricei 3D de micro-țesuturi prin imprimarea strat-cu-strat a celulelor și proteinelor unicelulare.[124]
Folosind FN-G ca materie primă, legăturile dintre celule s-au realizat prin intermediul peliculelor nanometrice și biocompatibile de FN-G. Beneficiind de structura cip-ului 3D din țesut uman dezvoltat, s-au efectuat evaluări complexe a medicamentelor. Trebuie subliniat faptul că acesta a fost primul experiment în care microsistemele cu mai multe straturi au fost încorporate într-o singură micromatrice și a dus la reproducerea interacțiunilor intercelulare în țesuturi sau organe mimice, prin urmare, o astfel de abordare este atrăgătoare și are caracteristici de creare rapidă și automată a cipurilor din țesut uman. Aceasta este o tehnologie inovatoarede oarece permite testarea de medicamente personalizate și efectuarea de evaluări toxicologice în locul testării pe animale folosite pe post de cobai.
Provocări și oportunutăți viitoare
Imprimarea 3D a fost utilizată pe scară largă pentru a construi dispozitive de tip lab-on-chip, ca o alternativă la metodele convenționale de creare și dezvoltare și are caracteristici atractive, inclusiv rezoluție înaltă, cost redus, economie de timp, diversitate de materiale, precum și distribuție și vânzare personalizată. Deși s-au văzut în mod clar avantaje și oportunități enorme, cercetarea privind dispozitivele LOC imprimate 3D este încă în fază incipientă și rămân de depășit câteva provocări și obstacole importante.
Capitolul 4.
Analize de sânge folosind interconectarea micro-platformelor lab-on-chip și a telefonului mobil
Analizele medicale au rolul de a ajuta medicii să se concentreze asupra stării de sănătate a pacientului, oferind diagnostic rapid și precis și având o monitorizare mai bună și mai frecventă a factorilor de sănătate. Analizele medicale trebuie totodată sa ajute la confortul pacientului, trebuind să poată fi efectuate și la domiciliu prin dezvoltarea unor medicii de testare ce ar facilita respectarea tratamentelor.
Sistemele de analiză in vitro pentru laboratoarele de analize medicale pot avea prețuri ridicate dar complexitatea platformelor dedicate și independente satisfac nevoile de testare și monitorizare a stării de sănătate dar implică anumite sacrificii din partea pacienților, în timp ce metodele de analiză point-of-care (POC) pentru acasă și pentru autotestare necesită costuri mai mici și o utilizare mai ușoară dar în același timp, aceste sisteme nu au performanțe analitice ridicate în detecția cantitativă, și nu oferă capacitatea de a înregistra și centraliza rezultatele.
Prezența generală și crescândă a telefoanelor mobile inteligente ar putea oferi o infrastructură în fizica, calculul și comunicarea capabilităților de detectare și ar putea furniza o platformă pentru efectuarea de analize la domiciliu. Telefoanele inteligente pot astfel elimina costurile de integrare a interfețelor utilizatorilor, a sistemelor de prelucrare a datelor și a sistemelor de detecție a instrumentelor de laborator.
Deși telefoanele mobile sunt omniprezente, instrumentele de analiză dedicate sunt rare și la fel și combinația acestor două părți dar soluția ar fi utilizarea fie a accesoriilor refolosibile, fie a dispozitivelor de unică folosință pentru a completa telefoanele mobile în efectuarea de analize biologice și biochimice.
Aceste tehnici pot să exploateze combinarea optică cu camerele de la telefoanele mobile, ceea ce ar reprezenta metodă viabilă pe plan mondial. Achiziția de imagini și video cu telefonul mobil oferă formate de date standardizate ce pot capta o gamă largă de fenomene, iar elementul chimic din aceste sisteme ar trebui să producă răspunsuri citibile ca imagini sau ca video.
Abordările principale în acest sens includ microscopia, detecția intensității luminoase și modificările de culoare, precum și semnalele de contrast și deplasare dar și modificările lor în timp.
Accesoriile reutilizabile de tip LOC pot include surse de lumină și elemente de optică pentru platformele de detecție chimică iar accesoriile pot fi concepute cu elemente de poziționare și conectare pentru diferite modele de telefoane dar se vrea o standardizare a acestor accesorii astfel încât compatibilitatea să fie cu cat mai multe sau chiar cu toate modelele de telefoane inteligente. Demonstrațiile existente până în prezent asupra accesoriilor de analiză medicală conectate cu telefonul mobil arată o performanță analitică destul de bună pe acest plan[125].
Cerințele suplimentare asupra acestor platforme și accesorii, includ autonomia în efectuarea întregului proces începând cu prelucrarea probei cât și crearea unui interval de calibrare și referință în configurările implicite pentru a permite măsurători cantitative cu ajutorul telefonului mobil dar și integrarea elementelor de cuplare cu telefonul mobil în dispozitivul de unică folosință [126]. Acest concept prezintă provocări mari în ceea ce privește integrarea și designul dispozitivelor LOC care ar putea fi adaptate la telefoanele mobile ca și consumabile universale, autonome și cu măsurare/determinare cantitativă. Un exemplu al acestui concept de interconectare a unui dispozitiv analitic LOC cu un telefon mobil este prezentat în figura 4.1.
Figura 4.1. Schemă conceptuală a unui dispozitiv autonom de unică folosință de tip LOC pentru efectuarea analizelor de sânge cu ajutorul telefonului mobil (ADDCA). Dispozitivul autonom include elemente pentu colectarea probei, un mecanism pentru transferul și pregătirea probelor, generarea domeniului de calibrare (L și H reprezintă concentrațiile joase și ridicate ale intervalului de calibrare și S concentrația probei) cât și elemente de interconectare universală pentru realizarea citirii optice cu ajutorul telefonului mobil.[126]
Platformele microfluidice LOC clasice utilizează pompe și supape externe pentru controlul protocoalelor de condiționare/acționare, iar integrarea acestor capacități în LOC-urile autonome este o necesitate pentru aplicații precum diagnosticarea la domiciliu sau sistemele POC. Figura 4.1 ilustrează un dispozitiv idealizat care include toate etapele necesare într-un dispozitiv LOC de unică folosință și care efectuează toate operațiunile necesare pentru citirea cu ajutorul telefonului mobil a rezultatului final.
Etapele de pregătire a probelor
Pregătirea probei implică integrarea tuturor aspectelor din faza pregătitoare în dispozitivele LOC autonome și de unică folosință. Etapele din faza pregătitoare includ extracția probelor, care depinde de tipul de mostră care în cazul de față este limitat la sânge și urină. Pe lângă extragerea sau colectarea probei, separarea și amplificarea probei completează principalele aspecte pregătitoare, care, în cazul determinărilor cu telefonul mobil ar include și o etapă de calibrare. Această etapă de calibrare încorporată în dispozitivele LOC portabile este necesară pentru a face determinarea cantitativă cu orice telefon mobil.
Prelevarea (extracția) probelor
a.) Probele de sânge oferă cel mai complet eșantion pentru diagnosticarea bolilor și pot fi extrase cu un ac hipodermic sau cu un dispozitiv de înțepare comercial (de exemplu acele de înțepare de la glucometre). Ambele cazuri necesită dispozitive separate și transferul ulterior pentru etapa de condiționare a eșantionului. Aceste forme de extragere a probelor pot fi cea mai convenabilă alternativă în scenariile clinice sau pentru utilizatorii frecvenți de dispozitive de testare la domiciliu; totuși, dispozitivele de unică folosință pentru testarea cu ajutorul telefonului mobil (mai ales dacă vizează testarea personală) necesită simplificarea extracției și ar putea beneficia de o etapă de extracție integrată. Matricile de microace [127] și micro-actuatoarele oferă o alternativă la etapa de extracție a probelor și au fost testate în contextul micro sistemelor complete de analiză (μTAS) și în contextul sistemelor micro-electro-mecanice (MEMS) [15].
În mod frecvent, aceste soluții necesită o sursă externă de alimentare și implică o complexitate care nu este întotdeauna compatibilă cu dispozitivele LOC de unică folosință ieftine. Un concept care îndeplinește mai îndeaproape cerințele dispozitivelor autonome de unică folosință pentru efectuarea analizelor cu telefonul mobil (autonomous disposable devices for cell phone analyses în continuare ADDCA) a fost recent publicat de Li și colab. în 2015.[128]
Dispozitivul este un sistem de extragere a sângelui dintr-un singur pas, utilizând un micro ac prins într-un capac polimeric și o cameră de stocare a sângelui previdată și fabricată din polidimetilsiloxan (PDMS) (Figura 4.2).
Figura 4.2. Dispozitiv de extracție a sângelui cu cameră pre-vidată și micro-ac încorporat în capacul camerei[128]
Când acul străpunge pielea, perforează și membrana din capacul din polimer, activând acțiunea de aspirație în camera de stocare. Suprafața interioară a camerei de PDMS este suficient de fină pentru a fi ușor de aspirat si evacuat proba, fără pierderi. Sistemul este simplu din punct de vedere conceptual și oferă o componentă realizată din materiale fiabile și ieftine, ceea ce sugerează o integrare fezabilă cu etapele ulterioare; totuși utilizarea vidului ca sursa de energie de aspirare, prezintă noi provocări în izolarea camerei față de restul sistemului de condiționare a probei.
Ca o alternativă la metoda de extracție cu dispozitive previdate ar fi metoda cu utilizarea unor pompe de deget [105] ca o opțiune pentru a simplifica acest tip de elemente de extracție. Conceptul, constă într-un dispozitiv microfluidic imprimat cu tehnologia 3D și configurat ca o pompă pentru a genera o presiune pozitivă și, de asemenea, o presiune negativă (Figura 4.3).
Figura 4.3. Schemă conceptuală ale unui dispozitiv de extracție a sângelui cu pompă de deget.[105]
În construcția dispozitivului de extracție se folosește metodă de etanșare cu materiale moi și deși fabricarea dispozitivului este simplificată, această combinație de materiale și rezoluția necesară limitează procesul de fabricare la utilizarea unor imprimante 3D avansate și costisitoare. [130]
În cazul lui dispozitivului conceput de Comina și colab. în anul 2015, care este de asemenea un dispozitiv imprimat 3D, el mai are o supapă de reținere (supapă unisens) [105] legată în serie cu un tub de silicon și care geerează o pompă cu volum nelimitat, capabilă de cicluri multiple (Figura 4.4).
Figura 4.4. Schemă conceptuală ale unui dispozitiv de extracție a sângelui cu pompă de deget și valvă de unisens capabilă să aspire volume nelimitate[105]
Acest dispozitiv este fabricat printr-o metodă de prototipare rapidă (unibody LOC, ULOC), care utilizează imprimante 3D de cu metode de imprimare prin litografie stereografică (SL). [105] Metoda ULOC transferă toate sarcinile complexe de fabricare într-o singură imprimare 3D a unui corp monolitic, care găzduiește toate celelalte componente cum ar fi baza de PDMS pentru supapa de reținere, conectorul tubului siliconic și cel al fluidelor. Dispozitivele sunt proiectate cu canale deschise, oferind acces facil pentru conectare, iar suprafața permite etanșarea cu bandă adezivă obișnuită.[106]
În ambele modele de pompe, sursa de energie este acțiunea fizică asupra unei pompe, iar problemele legate de integrarea sursei de energie în cadrul dispozitivelor sunt complet eliminate.
b.) Probele de urină sunt colectate în mod obișnuit într-un recipient de urocultură de unde sunt ulterior transferate în etapa analitică. Spre deosebire de sânge, probele de urină implică volume mai mari, iar colectarea cu ajutorul unui pahar este o alternativă viabilă. În cazul accesoriilor reutilizabile pentru telefoanele mobile, a fost conceput un test de albumină urinară de către Coskun și colab. în anul 2013[129]. Aceast test utilizează seringi de 150 ml de unică folosință pentru a injecta 25 ml de urină într-un LOC din PDMS care conține reactivii pentru detecție prin metoda fluorescenței utilizând camera unui telefon interfațată cu un instrument reutilizabil (Figura 4.5).
Figura 4.5. Dispozitiv LOC pentru determinare prin fluorescență a albuminei urinare prin interfatarea cu un telefon mobil. [129]
Utilizarea seringii este o alegere practică în acest caz, dar se pot utiliza și pompe de deget [131] care funcționează ca un element de aspirație integrat în dispozitivul fluidic și care ar putea efectua o dozare precisă a volumului.
În contextul particular de efectuare a determinărilor analitice cu ajutorul telefonului mobil, un aspect important este evitarea expunerii telefonului în contact cu probele de analizat, astfel integrarea unei etape de aspirație înainte de analiză ar putea fi modalitatea cea mai convenabilă de colectare pentru urină în fiole comerciale.
Pregătirea probelor
Probele de sînge – după extragerea probelor de sânge integral, este necesară o etapă
de separare deoarece analizele necesită de obicei separarea celulelor roșii de plasma din sânge.
Integrarea etapei de separare este necesară și relevantă în cazul dispozitivelor LOC internconectate la telefonul mobil, dar și pentru a micșora timpul dintre separare și analiză, micșorare care este esențială pentru reducerea variabilității și pentru asigurarea consistenței proteinei plasmatice[101].
Separarea plasmatică în dispozitivele microfluidice obișnuite poate fi realizată prin diverse metode însă integrarea într-un dispozitiv autonom de unică folosință necesită eliminarea supapelor și a pompelor externe sau transformarea lor în alternative ieftine. [105]
O soluție simplă pentru separarea plasmei din sânge constă dintr-un canal microfluidic adânc, care captează celulele roșii din sânge. (Figura 4.6) [132]
Figura 4.6. Separare plasmatică utilizând un canal de reținere a celulelor roșii din sânge[132]
În acest caz, sângele integral este propulsat printr-un microcanal care este previdat astfel, metoda este compatibilă cu dispozitivele LOC imprimate 3D [105] astfel se minimizează numărul componentelor și etapele de fabricație. Canalul efectuat la baza microcanalului și bine aliniat cu acesta, captează eritrocitele în mod proporțional cu rata de curgere și durează câteva zecimi de secundă la viteza maximă de curgere pentru separa un volum de probă de 5 μl. Dispozitivul funcționează la viteze între 2 μL/h-1 și 400 μL/h-1. Acest dispozitiv care poate fi realizat și prin integrarea de pompe deget și pompe de capac și pe lângă separare poate oferi și funcții multiple de detecție, cum ar fi determinarea hematocritului, deoarece la o viteză de fixă de curgere, densitatea optică a șanțului ar trebui să fie proporțională cu nivelul hematocritului.
Utilizarea arhitecturilor cu clichet în dispozitivele LOC [83] este de asemenea o metodă cu o geometrie potrivită pentru separare. (Figura 4.7)
Figura 4.7. Arhitectura cu clichet pentru separare plasmatică. [83]
Un alt concept, care utilizează o metodă bazată pe curgere pentru separarea plasmei, evaluarea hematocritului și cuantificarea biomarkerilor serici a fost dezvolat de Browne și colab. în anul 2011. (Figura 4.8) Dispozitivul are un singur canal cu trei funcții diferite: un segment de separare în formă de bobină, o serpentină pentru citirea hematocritului și un segment pentru detecție prin metoda ELISA. Atunci când o probă de sânge (0,5-1,5 ml) este injectată în canal, eritrocitele migrează axial mai rapid și se conglomerează înaintea plasmei, astfel atunci când proba trece prin serpentină distribuția eritrocitelor reflectă nivelul hematocritului și poate fi interpretat ca o scală de gri. Când proba ajunge la cel de-al treilea sector, este expus la anticorpi și apoi este incubat pentru o anumită perioadă de timp. În urma incubării la temperatura de 37oC testul ELISA pregătit pentru citire.
Figura 4.8. Separare plasmatică bazată pe curgere, cu testare a hematocritului și testare ELISA[109]
Printre alte metode compatibile cu ADDCA se numără și utilizarea microcanalelor umplute cu bile [97] în care separarea eritrocitelor și hematocritului apare atunci când celulele roșii din sânge sunt blocate în spațiul dintre bile, în timp ce plasma continuă spre etapa de detecție.
Probele de urină implică etape pregătitoare prin efectuarea unor diluții aspecimenului
de urină din care mai apoi se alocă un volum mai mic pentru testare respectiv măsurare, în consecință etapele post-colectare sunt provocări-cheie și deși colectarea probelor este fezabilă cu instrumentele discutate în subcapitolul anterior, nu este întotdeauna cea mai bună opțiune pentru integrarea preparării probelor pe cip. Protocoalele post-colectare includ în mod obișnuit ajustarea pH-ului și activarea coloanelor, care implică centrifugarea cu o soluție de spălare. Pre-tratarea probelor este, de asemenea, importantă pentru amplificarea prin reacție în lanț a polimerazei [113], deoarece acizii nucleici trebuie să fie primii extrași din celule iar materialul rezidual poate influiența eficacitatea amplificării PCR în cazul testelor de biologie moleculară și genotipare.
Un dispozitiv de genotipare din saliva dezvolat de Pjescic și Crews în 2012 oferă un concept compatibil ADDCA (Figura 4.9)[115]. Analizele genetice sintetizează provocările solicitante de integrare pentru orice tip de probă și implică de obicei prepararea probelor, amplificare PCR și analiza fragmentelor amplificate. În cazul de față, amplificarea PCR se efectuează direct prin inactivarea inhibitorilor din probă. În plus se utilizează un mutant Taq al enzimei Taq polimerază rezistent la inhibitori (Kermekchiev et al., 2009) care minimizează perioada de incubație.
Figura 4.9. Dispozitiv de amplificare PCR cu gradient static de temperatură [115]
Dispozitivul a fost testat cu succes prin identificarea segmentului 108-bp din regiunea DYZ1 din genomul uman, care are aplicație în determinarea sexului. Aparatul este fabricat utilizând o schemă xerografică [56] transferată pe un substrat de sticlă.
Transferul probei și a reactivului și generarea reacției.
Controlul reacțiilor chimice în LOC poate fi realizat în mai multe moduri iar aceste principii nu implică neapărat acționarea manuală sau controlul activ și sunt cele mai relevante pentru dispozitivele de unică folosință ADDCA.
Materialele absorbante sunt o alternativă ieftină transfer, fără a utiliza pompe sau dispozitive auxiliare, iar testele cu curgere laterală sunt de unică folosință și reprezintă un format pentru auto-testare[28]. Dispozitivele de hârtie pot integra secvențele temporizate[109], cum ar fi cele necesare pentru etapele de incubare, etichetare și spălare a probelor în testele ELISA, iar controlul este încorporat în dispozitive pur și simplu prin geometria microcanalelor și combină regulatoare de timp simple prin substraturi de nitroceluloză (Figura 4.10).
Figura 4.10. Dispozitiv autonom cu curgere laterală având încorporate segvențe temporitate de transfer[108]
Sistemele capilare automate pot fi de asemenea implementate și oferă un avantaj prin faptul că în cazul trasferurilor cu microfluidica pasivă variațiile minore ale ratelor de curgere pot compromite performanțele dinamicii de umplere și astfel pot influența rezultatele finale.
Abordările hibride, în care hârtia este utilizată ca pompă în fluidica convențională, au fost de asemenea studiate și testate (Figura 4.11). [105]
Figura 4.11. Dispozitiv autonom de transfer pe bază de aspirare pasivă cu hârtie absorbantă[105]
Astfel de sisteme creează o pompă de aspirație utilizând un fluid de lucru între două supape pasive care se conectează pe o parte la un sector de hârtie și la o regiune analitică de cealaltă parte. Atunci când este declanșat, fluidul de lucru face legătură cu partea de hârtie și devine absorbit, creând astfel aspirația în canalele microfluidice.
Alte dispozitive hibride auto-alimentate care utilizează hârtie de filtru ca pompe pasive au fost dezvoltate pentru detecția cantitativă a proteinelor din sângele integral (Figura 4.12). [114]
Figura 4.12. Dispozitiv hibrid cu transfer pasiv pe bază de hârtie de filtru[114]
Transferul este efectuat pe dispozitive de sticlă cu ajutorul secventelor ADN care servesc ca substraturi pentru microfluidica făcută din polimerul hidrofob NOA63 tratat cu UV. [114]
Înainte de utilizare și proba și reactivii trebuie încărcați în godeurile cipului. Odată încărcate, capilaritatea hârtiei determină transferul succesiv al probei și al reactivilor prin cip efectuând automat toate etapele pregătitoare ale unui test ELISA. Separarea celulelor roșii din sânge are loc prin focalizarea inerțială, indusă prin curgerea probei printr-un canal îngust într-o expansiune, unde secvențele ADN sunt expuse numai la ser.
O alternativă compactă pentru fluide multiplexate, fără pompe sau supape, este conceptul de SlipChip (Figura 4.13). [109]
Figura 4.13. Dispozitivul SlipChip care prezintă etapele simultane de umplere și expunere a probelor. [109]
Aici sunt fixate două plăci în contact, unul conținând micro-godeuri cu reactivi și o serie de conducte deconectate. A doua placă conține o gamă de microgodeuri care este complementare conductelor de pe prima placă și împreună formează un traseu continuu pentru încărcarea probelor simultan în toate godeurile. Pentru a transporta proba la reactivi, placa superioară este conectată la placa inferioară efectuând astfel combinarea probei cu reactivii. Acest concept a fost prezentat ca fiind adecvat pentru ADDCA deoarece în esență este ca un cititor colorimetric sau de intensitate, iar conceptul a fost demonstrat și pentru imunoteste. [108]
Dispozitivele LOC bazate pe micro-pompe actionate cu degetul (Figura 3.3) [105] constituie o altă posibilitate de integrare a unei surse de presiune pentru consumabilele LOC autonome.
Aceste sisteme încearcă să depășească unele dintre limitările sistemelor capilare, cum ar fi forțele mici de aspirare și reacțiile lente.
Dispozitivele cu micro-pompe de deget au compatibilitate cu arhitecturile microfluidice care utilizează pompe externe.
Unele aplicații, cum ar fi formarea micro-picăturilor, necesită mai multe surse de presiune și rate de curgere bine controlate și o astfel de posibilitate a fost realizată printr-un sistem acționat cu un singur punct de presiune. [62]
Pompa de capac, sau pompa de deget fabricată prin procedee de imprimare 3D și care funcționează prin compresia sau expansiunea controlată a gazului din interior, poate fi utilizată pentru a genera presiune pozitivă sau negativă (Figura 4.3). Proba este livrată într-un orificiu de intrare a dispozitivului, pe care este atașat capacul și presat până la reținere, creând astfel o presiune pozitivă izolată. Dacă capacul este tras în sus, creează o presiune negativă în spațiul de intrare aspirând astfel proba.
Ultimul concept de pompă de deget este probabil cel mai simplu și este de asemenea implementat pe dispozitive imprimate 3D (Figura 3.3).[96] Un aspect particular al acestui dispozitiv este acela că impune doar imprimare 3D prin SL deoarece este necesară crearea monoblocului mocrofluidic cu tot cu pompa [106] și optica încorporată dar și elementul de culpare la telefonul mobil pentru efectuarea citirilor.
Citirea rezultatelor
Odată ce toate etapele pregătitoare au fost finalizate, următorul proces implică o reacție chimică care produce un efect ce poate fi înregistrat sau citit. La telefoanele inteligente moderne, efectele citibile nu se limitează la principiile optice, deși aceasta este abordarea dominantă pentru interconectarea universală fără interfațare electronică și pentru ADDCA.
Schimbările de culoare și intensitate sunt cele mai utilizate tipuri de efecte dar acestea exploatează subevaluat resursele telefonului mobil și dacă sunt utilizate în combinație cu detectarea timpului și a poziției pot produce mai multe cuantificări precise folosind același dispozitiv de achiziție.
Detecție/citire optică
Camerele de pe telefoanele mobile împărtășesc aspecte comune care sunt importante pentru conceperea strategiilor generice pentru citirea dispozitivelor LOC universale.
Telefoanele și camerele digitale sunt în continuă evoluție însă unele caracteristici fac progrese rapide în timp ce alte aspecte rămân în mare parte neschimbate la toate generațiile de produse.
Camerele de telefonie mobilă utilizează filtre Bayer pentru detectorii de culoare și captează imagini la o rezoluție de culoare pe 24 biți, astfel citirea intensității fracțiunilor roșii, verzi și albastre este făcută pe 256 de nivele.
Această caracteristică a rămas neschimbată pe parcursul tuturor generațiilor de telefoane inteligente.
Cele trei filtre pentru obținerea culorilor au benzi spectrale largi și suprapuse, asemănătoare caracteristicilor spectrului de culoare standard,[126] în consecință, achiziția de date în vederea citirii reacțiilor colorimetrice pe cale digitală este slabă din punct de vedere spectral și susceptibilă la artefacte și conduce la interpretarea diverșilor stimuli spectrali ca având aceeași culoare. Această limitare poate fi depășită prin iluminări complementare și prin utilizarea metodelor de reconstrucție spectrală [133].
Atât numărul pixelilor, cât și cadrele pe secundă (fps) în achiziția de date foto și video sunt asociate cu creșterea puterii de calcul la telefoanele mobile și arată îmbunătățiri în ceea ce privește evoluția telefoanelor. De la telefoanele cu camerele foto din față având rezoluție de 320 x 240 pixeli la începutul anilor 2000 până în prezent când camerele foto din față captează video la 30 fps și 720p standard, în timp ce suportă instantanee începând de la 1MP. În același timp, camerele din spate sunt de peste 12 MP în și acceptă achiziția de date video în format Full HD, precum și moduri de filmare la 60 fps și moduri de filmare cu mișcare lentă de 240 fps.
Aceste caracteristici ale celor 2 camere foto de la telefoanele mobile depășesc rezoluția necesară înregistrării/citirii intensității reacțiilor chimice și biochimice și necesită doar adaptarea principiului de măsurare pentru citirea ADDCA.
Un exemplu ce implică detectarea rezonanței plasmonului de suprafață cu rezoluție în unghi (SPR) este prezentat în Figura 4.14 [126]
Figura 4.14. Dispozitiv LOC pentru determinarea SPR și citirea reacției cu ajutorul telefonului mobil [126]
SPR (surfece-plasmon-resonance)[134] este principiul de referință în analizele de interacțiune biomoleculară. Metodele SPR se regăsesc în mod normal la instrumente de laborator, dar există și în variante comerciale, iar pentru citirea cu telefonul mobil a fost implementat chiar și cu ajutorul unui cuplaj optic de unică folosință[126]. Acest cuplaj colectează lumină roșie de pe ecranul telefonului mobil și condiționează iluminarea dispozitivului LOC iar mai apoi ghidează lumina reflectată de dispozitiv către camera foto frontală a telefonului mobil unde se obține o imagine instantanee a SPR. Schimbând culoarea ecranului, SPR poate fi achiziționat pentru diferite benzi de culoare sau lugimi de undă.
SPR nu este singurul principiu care ar putea exploata acest tip de răspuns/citire, reacțiile cu difuzie ar putea utiliza aceleași resurse ale telefonului. Exemplu în figura 4.15. [135]
Figura 4.15. Dispozitiv LOC care utilizează principiul difuziei în timp pentru determinări analitice[135]
Utilizarea reacțiilor chimice cu difuzie și înregistrarea variațiilor în timp a reacției chimice poate fi realizată fără a necesita o putere de calcul externă sau echipamente adiacente. Procesul de difuzie chimică oferă posibilitatea de a capta dimensiunea timpului prin localizarea spațială a reacției, ușurând astfel detectarea din procesul de citire.
Dispozitivul din figura 4.15 constă dintr-un canal poros de difuzie făcut cu gel de agaroză de 0,5%, având un rezervor cu reactiv la un capăt și o cale deschisă la celălalt capăt. Rezervorul este preîncărcat cu un reactiv indicator de timp care difuzează în canalele poroase la o rată cunoscută, iar pe calea deschisă se introduce proba de analizat și ambele difuzează în direcții opuse. Atunci când ambele fronturi de difuzie întâlnesc o reacție ireversibilă, lasă o bandă de răspuns în canalul poros.
Conceptul a vizat detectarea ionilor de plumb din apă și a fost configurat pentru un interval de reacție/citire de 2 ore.
Un alt tip de reacție este conceptul cip V [109]. Cipul V utilizează un design oblic al SlipChip prezentat în subcapitolul 4.1.3 și care a fost utilizat pentru testare ELISA multiplexată. Aspectul remarcabil al acestui concept este acela că el generează și o citire vizuală interpretată sub forma deplasării unei coloane de cerneală. Dispozitivul utilizează reactiv ELISA, care este pus în contact proba și cu H2O2 și produce O2 proporțional cu cantitatea determinată în probă. O2 acționează asupra rezervorului de cerneală conectat la un microcanal. Figura 4.16 prezintă SlipChip încărcat cu probă și reactivi înainte de activare (imaginea din stânga).
Figura 4.16. Dispozitiv LOC cu autotransfer pentru teste ELISA, care utilizează conceptele V-chip și SlipChip cu determinare analitică pe baza coloanei de cerneală[109]
Când dispozitivul este rotit, reactivul și proba sunt puse în contact cu H2O2 și cu rezervorul de cerneală (imaginea din dreapta), în timp ce reacția începe, presiunea generată de O2 deplasează coloana de cerneală direct proporțional cu răspunsul reacției ELISA.
Coloanele sunt concepute pentru citire vizuală, dar au aceleași avantaje ca orice principiu de măsurare a deplasării sau difuziei și pot fi adaptate cu ușurință la interpretarea cu ajutorul telefonului mobil.
Ultimul exemplu de citire optică este prezentat în figura 4.17 și corespunde unui test bazat pe enzime ce generează reacție colorimetrică pentru detecția cantitativă a glucozei. Dispozitivul microfluidic a fost descris în subcapitolul 3.2.1 și figura 3.6.
Figura 4.17. Dispozitiv LOC de detecție a glucozei prin metoda cantitativă și pe bază de reacție colorimetrică[105]
Dispozitivul de tip ULOC se află pe ecranul telefonului și se aliniază zona de citire cu camera frontală.[105] Această abordare contribuie la universalitatea soluției, însă camerele de telefon mobil nu pot focaliza la câțiva milimetri de cameră de aceea în designul dispozitivului microfluidic imprimat 3D a fost inclus și lentila de focalizare.
Optica nu este ușor de realizat sub formă personalizată, cu toate acestea în acest caz geometria lentilelor este proiectată în programele CAD iar mai apoi sunt imprimate 3D.
Dispozitivul de tip ULOC de detecție cantitativă a glucozei pe baza reacției colorimetrice, este cel mai apropiat model ca design și principii de modelul conceptual prezentat la începutul acestui capitol și în figura 4.1.
Alte posibilități de citire
Telefoanele inteligente moderne sunt echipate cu senzori avansați, capabilități de comunicare fără fir și putere de calcul, astfel se pot interconecta la diferite platforme microfluidice pentru detecție chimică.
Detecția optică este în mod clar cea care oferă cea mai simplă interfață, deoarece achiziția de imagini și video reprezintă resurse regulate în sistemele de operare și, în plus, poate fi operată cu aplicații implicite, care oferă, de asemenea, formate de date standardizate.
Pentru acele implementări care utilizează iluminarea de pe ecranele telefonului mobil, comanda unei astfel de iluminări este chiar mai simplă decât achiziția de imagini. Afișajele sunt făcute pentru a oferi imagini arbitrare, într-un mod complet transparent pentru utilizator și astfel o secvență de iluminare temporizată poate fi pur și simplu un videoclip YouTube încărcat pe Internet, o animație .gif sau o aplicație în telefon.
Near field comunication (NFC) este, de asemenea, o caracteristică prezentă în numeroase telefoane inteligente.
A fost conceput pentru a comunica fără fir între dispozitive și pentru servicii precum plata cu telefonul mobil. NFC se poate conecta la dispozitive LOC ieftine, de unică folosință care integrează circuite radio de comunicare. Un exemplu în acest caz se poate vedea la subcapitolul 2.4.4.
Exemplul din figura 4.18 care utilizează NFC pentru detectarea gazelor, constă în conectarea telefonului mobil la cip-ul microfluidic LOC pe o frecvență de 13,56 MHz, iar etichetele NFC transmise de la cip-ul LOC au demonstrat funcționalitatea platformei pentru detectarea semicantitativă NH3 și H2O.[136]
Figura 4.18. Dispozitiv LOC pentru detectarea semicantitativă a gazelor și cu interconetare NFC la telefonul mobil[136]
Datorită capacității de implementare ingenioasă a etichetelor NFC, conceptul este promițător pentru interconectarea la dispozitivele LOC pentru determinări din domenii precum medicină POC, protecția mediului, siguranță alimentara, securitate națională prin detectarea agenților patogeni și multe alte aplicații.
Capitolul 5.
Concluzii
Dispozitivele LOC și-au demonstrat avantajele în numeroase aplicații în care cantități mici de lichide, cantități de ordinul microlitrilor sau chiar nanolitrilor sunt controlate cu o mare precizie, iar analiții sunt detectați cu o sensibilitate ridicată. Deși la nivel internațional nu există o standardizare în privința tehnologiilor de fabricație, tipului de material, arhitecturii sau interfațării, putem spune că progresele făcute în ultimii ani în privința metodelor de etanșare, conectare electrică și fluidică vor juca un rol important pentru utilizarea pe scară largă și comercializarea acestor dispozitive chiar și la nivelul de sisteme microfluidice interconectate cu telefoanele mobile pentru diagnosticul la domiciliu și Point-of-Care.
Totodată putem zice că în forma lor actuală, telefoanele mobile integrează numeroși senzori fizici și capacități de calcul care au capacitatea de a fi potrivite pentru detectare chimică, biosensibilitate și diagnostic dacă sunt interconectate cu dispozitive complementare adecvate. Este tentant să credem că telefoanele mobile vor integra în viitor senzori chimici și biosenzori.
ADDCA oferă o strategie de adaptare și valorificare a setului de dispozitive LOC autonome pentru a exploata cel mai bine resursele actuale ale telefoanelor mobile, astfel, principiile cum ar fi, SlipChip / SlipPAD și determinările lor digitale, determinările cu difuzie în timp, determinările cinetice și orice altă formă de determinare analitică distribuită spațial sunt cele mai avantajoase pentru exploatarea resurselor telefonului.
Aplicațiile plauzibile și demonstrate ne arată că dincolo de conversiile necesare, performanța avansată și obiectivele ambițioase de detectare ar putea fi materializate pe baza unor consumabile omniprezente care să se interconecteze cu telefonul mobil pentru citirea și interpretarea determinărilor. Pentru a fi disponibile și utilizatorilor clinici, performanța generală a acestor dispozitive LOC va trebui să evalueze nu numai precizia, ci și reproductibilitatea, capacitățile de stocare pe termen lung și validarea strictă comparativ cu metodele standard de laborator.
În ansamblu, putem considera că nevoile pieței vor continua să stimuleze creativitatea și inovația în domeniul dispozitivelor LOC și vor contribui la dezvoltarea acestei tehnologii.
Bibliografie
[1] Vistrian Mãtieș, Radu Bãlan, Dan Mândru, Olimpiu Tãtar, Cãlin Rusu, 2001, Tehnologie și Educație Mecatronicã Editura Todesco, Cluj Napoca.
[2] S. C. Terry, J. H. Jerman and J. B. Angell, “Gas-chromatographic air analyzer fabricated on a silicon wafer” IEEE Transactions in Electronic Devices 26(12), 1880-1886 (1979).
[3] A. Manz, N. Graber and H. M. Widmer, “Miniaturized total chemical-analysis systems – a novel concept for chemical sensing” Sensors and Actuators B 1, 244-248 (1990).
[4] C. T. Wittwer, G. C. Fillmore and D. J. Garling, “Minimizing the time required for DNA amplification by efficient heat-transfer to small samples” Analytical Biochemistry 186(2), 328-331 (1990).
[5] D. Schmalzing, N. Tsao, L. Koutny, D. Chisholm, A. Srivastava, A. Adourian, L. Linton, P. McEwan, P. Matsudaira and D. Ehrlich, “Toward real-world sequencing by microdevice electrophoresis” Genome Research 9, 853-858 (1999).
[6] A. Wolff, U. D. Larsen, G. Blankenstein, J. Philip and P. Telleman, “Rare event cell sorting in a microfluidic system for application in prenatal diagnosis” in Micro Total Analysis Systems Proceedings, Banff, Canada, (1998).
[7] A.Y. Fu, C. Spence, A. Scherer, F.H. Arnold and S.R. Quake, “A Microfabricated Fluorescence Activated Cell Sorter” Nature Biotechnology 17, 1109-1111 (1999).
[8] D. Erickson and D. Li, “Integrated microfluidic devices” Analytica Chimica Acta. 507, 11-26 (2004).
[9] T. Vo-Dinh and B. Cullum, “Biosensors and biochips: advances in biological and medical diagnostics” Fresenius' Journal of Analytical Chemistry 366, 540-551 (2000).
[10] H. A. Stone, A. D. Stroock and A. Ajdari, “Engineering flows in small devices: Microfluidics toward a lab-on-a-chip” Annual Review of Fluid Mechanics 36, 381-411 (2004).
[11] http://www.mec.tuiasi.ro/diverse/Curs_CCD_MCT_Generala.pdf
[12] G.E. Moore, Electronics 38 (1965).
[13] M. Gad-el-Hak, „MEMS: introduction and fundamentals”, second ed., CRC Press, 2012.
[14] E. Bassous, H.H. Taub, L. Kuhn, Appl. Phys. Lett. 31 (1977) 135.
[15] H. Becker, Lab Chip 9 (2009) 2759–2762.
[16] D. Szmigiel, C. Hibert, A. Bertsch, E. Pamuła, K. Doman´ ski, P. Grabiec, .,Plasma Process. Polym. 5 (2008) 246–255,
[17] M. Li, S. Li, J. Wu, W. Wen, W. Li, G. Alici, Microfluidics and Nanofluidics. 12 (2011) 751–760.
[18] <http://www.elveflow.com/microfluidic-relatedproducts/pdms-soft-lithography-box>,
[19] FlowJEM. <http://www.flowjem.com>
[20] Microfluidic Innovations, LLC. <http://www.microfluidicinnovations.com>
[21] E. Kim, Y. Xia, G.M. Whitesides, J. Am. Chem. Soc. 118 (1996) 5722–5731.
[22] E. Delamarche, A. Bernard, H. Schmid, A. Bietsch, B. Michel, H. Biebuyck, J. American Chemistry Society. 120 (1998) 500–508.
[23] J. Zhou, A.V. Ellis, N.H. Voelcker, Electrophoresis 31 (2010) 2–16.
[24] R. Safavieh, D. Juncker, Lab Chip 13 (2013) 4180–4189.
[25] T. Fujii, Microelectronics. Eng. 61–62 (2002) 907–914.
[26] http://pubs.rsc.org/en/Content/ArticleLanding/2009/LC/b820924c#!divAbstract
[27] K.S. Lee, R.J. Ram, Lab Chip 9 (2009) 1618–1624.
[28] M.-E. Vlachopoulou, A. Tserepi, P. Pavli, P. Argitis, M. Sanopoulou, K. Misiakos, J. Micromechanical. Microeng. 19 (2009) 015007.
[29] A. Baraket, N. Zine, M. Lee, J. Bausells, N. Jaffrezic-Renault, F. Bessueille, et al., Microelectron. Eng. 111 (2013) 332–338.
[30] https://www.nature.com/articles/ncomms1531
[31] http://www.acamp.ca
[32] http://www.alineinc.com
[33] http://www.microfluidic-chipshop.com/
[34] http://refhub.elsevier.com/S0167-9317(14)00445-6/h0295
[35] http://refhub.elsevier.com/S0167-9317(14)00445-6/h0300
[36] http://refhub.elsevier.com/S0167-9317(14)00445-6/h0305
[37] http://refhub.elsevier.com/S0167-9317(14)00445-6/h0310
[38] http://refhub.elsevier.com/S0167-9317(14)00445-6/h0315
[39] http://refhub.elsevier.com/S0167-9317(14)00445-6/h0325
[40] http://refhub.elsevier.com/S0167-9317(14)00445-6/h0335
[41] http://refhub.elsevier.com/S0167-9317(14)00445-6/h0360
[42] http://www.google.com/patents/US5501893>
[43] http://refhub.elsevier.com/S0167-9317(14)00445-6/h0395
[44] L. Ribetto, A. Homsy, N.F. de Rooij, in: 2012 IEEE 25th Int. Conf. Micro Electro Mech. Systems, IEEE, 2012, pp. 1057–1060.
[45] H. Nakanishi, T. Nishimoto, M. Kanai, T. Saitoh, R. Nakamura, T. Yoshida, et al., Sensors and Actuators A Phys. 83 (2000) 136–141.
[46] http://refhub.elsevier.com/S0167-9317(14)00445-6/h0485
[47] J. Li, Y. Wang, E. Dong, H. Chen, Lab Chip 14 (2014) 860–864.
[48] E. Mitri, G. Birarda, L. Vaccari, S. Kenig, M. Tormen, G. Grenci, LabChip (2013).
[49] F. Niklaus, P. Enoksson, E. Kalvesten, G. Stemme, J. Micromech. Microeng. 11 (2001) 100–107.
[50] http://refhub.elsevier.com/S0167-9317(14)00445-6/h0545
[51] http://refhub.elsevier.com/S0167-9317(14)00445-6/h0575
[52] M.T. Koesdjojo, J. Nammoonnoy, Y. Wu, R.T. Frederick, V.T. Remcho, J.Micromech. Microeng. 22 (2012) 115030.
[53] A.W. Martinez, S.T. Phillips, G.M. Whitesides, Proc. Natl. Acad. Sci. U.S.A. 105 (2008) 19606–19611.
[54] E. Kukharenka, M.M. Farooqui, L. Grigore, M. Kraft, N. Hollinshead, J.Micromech. Microeng. 13 (2003) S67–S74.
[55] P. Vulto, T. Huesgen, B. Albrecht, G.A. Urban, J. Micromech. Microeng. 19 (2009) 077001.
[56] D.A. Bartholomeusz, R.W. Boutte, J.D. Andrade, J. Microelectromech. Syst. 14 (2005) 1364–1374.
[57] http://refhub.elsevier.com/S0167-9317(14)00445-6/h0700
[58] http://refhub.elsevier.com/S0167-9317(14)00445-6/h0710
[59] http://refhub.elsevier.com/S0167-9317(14)00445-6/h0740
[60] F. Bianco, N. Tonna, R.D. Lovchik, R. Mastrangelo, R. Morini, A. Ruiz, et al., Anal. Chem. 84 (2012) 9833–9840.
[61] http://refhub.elsevier.com/S0167-9317(14)00445-6/h0765
[62] http://refhub.elsevier.com/S0167-9317(14)00445-6/h1290
[63] http://refhub.elsevier.com/S0167-9317(14)00445-6/h0805
[64] http://refhub.elsevier.com/S0167-9317(14)00445-6/h0810
[65] J.W. Hong, V. Studer, G. Hang, W.F. Anderson, S.R. Quake, Nat. Biotechnol. 22 (2004) 435–439.
[66] http://refhub.elsevier.com/S0167-9317(14)00445-6/h0825
[67] http://refhub.elsevier.com/S0167-9317(14)00445-6/h0845
[68] http://refhub.elsevier.com/S0167-9317(14)00445-6/h0850
[69] http://refhub.elsevier.com/S0167-9317(14)00445-6/h0855
[70] A. Scott, A.K. Au, E. Vinckenbosch, A. Folch, Lab Chip 13 (2013) 2036–2039.
[71] G.A. Cooksey, A.L. Plant, J. Atencia, Lab Chip 9 (2009) 1298–1300.
[72] E. Wilhelm, C. Neumann, T. Duttenhofer, L. Pires, B.E. Rapp, Lab Chip 13 (2013) 4343–4351.
[73] J. Atencia, G.A. Cooksey, A. Jahn, J.M. Zook, W.N. Vreeland, L.E. Locascio, Lab Chip 10 (2010) 246–249.
[74] http://www.idex-hs.com/products/2562/NanoPorts.aspx?ProductTypeID=57&ProductFamilyID=3
[75] E.R. Murphy, T. Inoue, H.R. Sahoo, N. Zaborenko, K.F. Jensen, Lab Chip 7 (2007)1309–1314.
[76] D.G. Johnson, R.D. Frisina, D.A. Borkholder, IEEE Trans. Biomed. Eng. 58 (2011)943–948.
[77] R.D. Lovchik, G. V Kaigala, E. Delamarche, Microfluidic device with interconnects, US 2013/0098481 A1, 2013.
[78] http://refhub.elsevier.com/S0167-9317(14)00445-6/h1010
[79] O.H. Paydar, C.N. Paredes, Y. Hwang, J. Paz, N.B. Shah, R.N. Candler, Sens. Actuators A Phys. 205 (2014) 199–203.
[80] http://refhub.elsevier.com/S0167-9317(14)00445-6/h1040
[81] V. Balasubramanian, P.-F. Ruedi, Y. Temiz, A. Ferretti, C. Guiducci, IEEE Trans.Biomedical Circuits Systems 7 (2013) 660–673.
[82] http://refhub.elsevier.com/S0167-9317(14)00445-6/h1080
[83] J.J. Park, X. Luo, H. Yi, T.M. Valentine, G.F. Payne, W.E. Bentley, et al., Lab Chip 6 (2006) 1315–1321.
[84] T.T. Kanagasabapathi, K.V.I.S. Kaler, J. Micromech. Microeng. 17 (2007) 743–752.
[85] K. Choi, A.H.C. Ng, R. Fobel, D.A. Chang-Yen, L.E. Yarnell, E.L. Pearson, et al.,Anal. Chem. 85 (2013) 9638–9646.
[86] i-STAT System (Abbott Point of Care). https://www.abbottpointofcare.com>
[87] Ion Torrent (Life Technologies Corporation). http://ioncommunity.lifetechnologies.com/welcome
[88] http://refhub.elsevier.com/S0167-9317(14)00445-6/h1320
[89] S. Moon, H.O. Keles, A. Ozcan, A. Khademhosseini, E. Haeggstrom, D.Kuritzkes, et al., Biosens. Bioelectron. 24 (2009) 3208–3214.
[90] http://refhub.elsevier.com/S0167-9317(14)00445-6/h1210
[91] M. Gao, L. Gui, A handy liquid–metal based electroosmotic flow pump, Lab Chip. (2014)
[92] G. Philip, C. Bower, P. Ramm (Eds.), Handbook of 3D Integration: Volumes 1 and 2 – Technology and Applications of 3D Integrated Circuits, Wiley, 2012
[93] http://refhub.elsevier.com/S0167-9317(14)00445-6/h1330
[94] B.G. Compton, J.A. Lewis, 3D-printing of lightweight cellular composites, Adv. Mater. 26 (2014) 5930–5935.
[95] C.-K. Su, P.-J. Peng, Y.-C. Sun, Fully 3D-printed preconcentrator for selective extraction of trace elements in seawater, Anal. Chem. 87 (2015) 6945–6950.
[96] K.B. Anderson, S.Y. Lockwood, R.S. Martin, D.M. Spence, A 3D printed fluidic device that enables integrated features, Anal. Chem. 85 (2013) 5622–5626.
[97] H. Singh, M. Shimojima, T. Shiratori, L. Van An, M. Sugamata, M. Yang, Application of 3D printing technology in increasing the diagnostic performance of enzyme-linked immunosorbent assay (ELISA) for infectious diseases, Sensors (Basel) 15 (2015) 16503–16515.
[98] H.-Z. Zhang, F.-T. Zhang, X.-H. Zhang, D. Huang, Y.-L. Zhou, Z.-H. Li, et al., Portable, easy-to-operate, and antifouling microcapsule array chips fabricated by 3D ice printing for visual target detection, Anal. Chem. 87 (2015) 6397– 6402.
[99] D. Chudobova, K. Cihalova, S. Skalickova, J. Zitka, M.A.M. Rodrigo, V. Milosavljevic, et al., 3D-printed chip for detection of methicillin-resistantStaphylococcus aureus labeled with gold nanoparticles, Electrophoresis 36 (2015) 457–466.
[100] K.B. Spilstead, J.J. Learey, E.H. Doeven, G.J. Barbante, S. Mohr, N.W. Barnett,et al., 3D-printed and CNC milled flow-cells for chemiluminescence detection, Talanta 126 (2014) 110–115.
[101] K. Kadimisetty, I.M. Mosa, S. Malla, J.E. Satterwhite-Warden, T.M. Kuhns, R.C. Faria, et al., 3D-printed supercapacitor-powered electrochemiluminescent protein immunoarray, Biosens. Bioelectron. 77 (2016) 188–193.
[102] Y.-S. Hsiao, B.-C. Ho, H.-X. Yan, C.-W. Kuo, D.-Y. Chueh, H.-H. Yu, et al., Integrated3D conducting polymer-based bioelectronics for capture and release of circulating tumor cells, J. Mater. Chem. B 3 (2015) 5103–5110.
[103] http://refhub.elsevier.com/S0165-9936(16)30105-4/sr0465
[104] B. Berg, B. Cortazar, D. Tseng, H. Ozkan, S. Feng, Q.Wei, et al., Cellphone-based hand-held microplate reader for point-of-care testing of enzyme-linked immunosorbent assays, ACS Nano 9 (2015) 7857–7866.
[105] G. Comina, A. Suska, D. Filippini, Autonomous chemical sensing interface for universal cell phone readout, Angew. Chem. Int. Ed. Engl. 54 (2015) 8708–8712.
[106] G. Comina, A. Suska, D. Filippini, Low cost lab-on-a-chip prototyping with aconsumer grade 3D printer, Lab Chip 14 (2014) 2978–2982.
[107] C. Cheng, Y. Huang, J.Wang, B. Zheng, H. Yuan, D. Xiao, Anodic Electrogenerated chemiluminescence behavior of graphite-like carbon nitride and its sensing for rutin, Anal. Chem. 85 (2013) 2601–2605.
[108] Y. He, X. He, X. Liu, L. Gao, H. Cui, Dynamically tunable chemiluminescence of luminol-functionalized silver nanoparticles and its application to protein sensing arrays, Anal. Chem. 86 (2014) 12166–12171.
[109] S.M. Wang, L. Ge, X.R. Song, J.H. Yu, S.G. Ge, J.D. Huang, et al., Paper-based chemiluminescence ELISA: lab-on-paper based on chitosan modified paper device and wax-screen-printing, Biosens. Bioelectron. 31 (2012) 212–218.
[110] G. Sun, Y. Zhang, Q. Kong, C. Ma, J. Yu, S. Ge, et al., Chemiluminescence excited paper-based photoelectrochemical competitive immunosensing based on porous ZnO spheres and CdS nanorods, J. Mater. Chem. B 2 (2014) 7679–7684.
[111] A. Roda, M. Guardigli, D. Calabria, M.M. Calabretta, L. Cevenini, E. Michelini, A 3D-printed device for a smartphone-based chemiluminescence biosensor for lactate in oral fluid and sweat, Analyst 139 (2014) 6494–6501
[112] L. Zhao, V.K. Lee, S.-S. Yoo, G. Dai, X. Intes, The integration of 3-D cell printing and mesoscopic fluorescence molecular tomography of vascular constructs within thick hydrogel scaffolds, Biomaterials 33 (2012) 5325–5332.
[113] X. Wang, Y. Yan, R. Zhang, Rapid prototyping as a tool for manufacturing bioartificial livers, Trends Biotechnol. 25 (2007) 505–513.
[114] G.W. Bishop, J.E. Satterwhite-Warden, I. Bist, E. Chen, J.F. Rusling, Electrochemiluminescence at bare and DNA-coated graphite electrodes in 3D-printed fluidic devices, ACS Sens. 1 (2016) 197–202.
[115] G.J. LaBonia, S.Y. Lockwood, A.A. Heller, D.M. Spence, A.B. Hummon, Drug penetration and metabolism in 3D cell cultures treated in a 3D printed fluidic device: assessment of irinotecan via MALDI imaging mass spectrometry, Proteomics 16 (2016) 1814–1821.
[116] G.I.J. Salentijn, H.P. Permentier, E. Verpoorte, 3D-printed paper spray ionization cartridge with fastwetting and continuous solvent supply features, Anal. Chem. 86 (2014) 11657–11665.
[117] L.C. Duarte, T.C. de Carvalho, E.O. Lobo, P.V. Abdelnur, B.G. Vaz,W.K.T. Coltro, 3D printing of microfluidic devices for paper-assisted direct spray ionization mass spectrometry, Anal. Methods 8 (2016) 496–503.
[118] Z.-Y. Zhao, M.-E. Xu, R. Shi, M. Guo, M. Yn, Y. Xu, et al., Research of anti-tumor drug screening cell chip based on 3D cell printing technique, Chin. J. Biomed. Eng. 33 (2014) 161–169.
[119] G.Y. Lee, P.A. Kenny, E.H. Lee, M.J. Bissell, Three-dimensional culture models of normal and malignant breast epithelial cells, Nat. Meth. 4 (2007) 359–365.
[120] K.L. Higginbotham, K.P. Burris, S. Zivanovic, P.M. Davidson, C.N. Stewart Jr., Aqueous extracts of Hibiscus sabdariffa calyces as an antimicrobial rinse on hot dogs against Listeria monocytogenes and methicillin-resistant Staphylococcus aureus, Food Control 40 (2014) 274–277.
[121] I.M. Gould, The clinical significance of methicillin-resistant Staphylococcus aureus, J. Hosp. Infect. 61 (2005) 277–282.
[122] L. Yu, Y. Liu, Y. Gan, C.M. Li, High-performance UV-curable epoxy resin-based microarray and microfluidic immunoassay devices, Biosens. Bioelectron. 24 (2009) 2997–3002.
[123] S.K.J. Ludwig, C. Tokarski, S.N. Lang, L.A. van Ginkel, H. Zhu, A. Ozcan, et al., Calling biomarkers in milk using a protein microarray on your smartphone, PLoS ONE 10 (2015).
[124] M. Matsusaki, K. Sakaue, K. Kadowaki, M. Akashi, Three-dimensional human tissue chips fabricated by rapid and automatic inkjet cell printing, Adv. Healthc. Mater. 2 (2013) 534–539.
[125] Vashist S.K., Mudanyali O., Schneider E.M., Zengerle, R., Ozcan, A. Cellphone-based devices for bioanalytical sciences 2014.Anal. Bioanal. Chem.406,3263–3277
[126] Preechaburana,P.,Suska,A.,Filippini,D Biosensing with cell phones Trends in Biotechnology,2014. Biotech. 12,8586–8600.
[127] Ganesan, A.V.,Kumar,H.,Swaminathan,S.,Singh,K.K.,Joy,R.A.,Sood,N.,Gokhale, T.,Mittal,R.K., Analysis of MEMS-Based Microneedles for Blood Monitoring. Bionanoscience4, 2014 128–135.
[128] Li, C.G.,Dangol,M.,Lee,C.Y.,Jang,M.,Jung,H., A self-powered one-touch blood extraction system: a novel polymer-capped hollow microneedle integrated with a pre-vacuum actuator 2015. LabChip15, 382–390.
[129] Coskun, A.F.,Nagi,R.,Sadeghi,K.,Phillips,S.,Ozcan,A., Albumin testing in urine using a smart-phone 2013.LabChip13, 4231–4238.
[130] A.I. Shallan, P. Smejkal, M. Corban, R.M. Guijt, M.C. Breadmore, Cost-effective three-Dimensional printing of visibly transparent microchips within minutes, Anal. Chem. 86 (2014) 3124–3130
[131] Begolo, S.,Zhukov,D.V.,Selck,D.A.,Lib,L.,Ismagilov,R.F., The pumping lid: investigating multi-material 3D printing for equipment-free, programmable generation of positive and negative pressures for microfluidic applications 2014.LabChip14, 4616–4628.
[132] Dimov, I.K.,Basabe-Desmonts,L.,Garcia-Cordero,J.L.,Ross,B.M.,Ricco,A.J.,Lee,L.P., Stand-alone self-powered integrated microfluidic blood analysis system (SIMBAS) 2011.LabChip11,845–850
[133] Westland, S., Ripamonti, C., 2004. Computational Colour Science. John Wiley and Sons Ltd, Chichester, West Sussex, England.
[134] Schasfoort, R.B.M., Tudos, A.J., 2008. Handbook of Surface Plasmon Resonance. The
Royal Society of Chemistry, Cambridge.
[135] Gerber, L.C.,Rosenfeld,L.,Chen,Y.,Tang,S.K.Y., Time capsule: an autonomous sensor and recorder based on diffusion–reaction 2014.LabChip14,4324–4328.
[136] Azzarelli, J.M.,Mirica,K.A.,Ravnsbæk,J.B.,Swager,T.M., Wireless gas detection with a smartphone via rf communication 2014.Proc.Natl.Acad.Sci. 111,18162–18166.
Copyright Notice
© Licențiada.org respectă drepturile de proprietate intelectuală și așteaptă ca toți utilizatorii să facă același lucru. Dacă consideri că un conținut de pe site încalcă drepturile tale de autor, te rugăm să trimiți o notificare DMCA.
Acest articol: Noțiuni introductive [311422] (ID: 311422)
Dacă considerați că acest conținut vă încalcă drepturile de autor, vă rugăm să depuneți o cerere pe pagina noastră Copyright Takedown.