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Aug 06, 2023

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

Relatórios Científicos volume 12,

Scientific Reports volume 12, Número do artigo: 12398 (2022) Citar este artigo

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

Instrumentos analíticos microfluídicos para exploração espacial foram desenvolvidos para determinar composições químicas de pequenas amostras de solo ou partículas1,2,3,4,5. No entanto, para ser compatível para missões mais amplas, a programabilidade e a durabilidade requerem um maior desenvolvimento. Uma matriz microfluídica programável (PMA) foi projetada para obter manipulação fluídica autônoma, como puxar, empurrar, misturar e distribuir fluidos com alta precisão. O design da microválvula e os parâmetros operacionais podem ser definidos para atingir o volume de dispensação e a taxa de fluxo desejados. PMA foi demonstrado para preparação de amostra programada, ensaios fluorométricos e biossensores para mostrar a versatilidade usando microválvulas normalmente fechadas4,6,7,8,9,10,11,12. Válvulas normalmente fechadas típicas têm uma estrutura de comporta no lado da membrana flexível ou no lado do microcanal para bloquear o fluxo sem atuação12,13,14. Embora este seja um excelente aspecto para o controle de fluidos, a fabricação de PMA requer procedimentos seletivos de colagem de PDMS para minimizar o problema de aderência da válvula após a exposição ao plasma15. Além disso, o PDMS pode se ligar fracamente ao vidro após um contato prolongado. Evidências empíricas de PMA produzidas em nosso laboratório indicam que, se as válvulas repousarem por mais de 6 meses, os portões nas microválvulas aderem ao vidro e aos substratos de PDMS. A linha do tempo típica para alcançar planetas-alvo como Marte, Europa e Encélado é de cerca de sete meses16, cinco anos17 e sete anos18 de viagem, respectivamente, e, portanto, para usar o PMA para explorar esses planetas, a questão da estabilidade da microválvula deve ser resolvidos para obter o desempenho esperado do PMA.

Os PMAs típicos são fabricados usando uma técnica de litografia suave com polidimetilsiloxano (PDMS)19,20 e embalados por plasma de oxigênio que trata todas as superfícies expostas19,21,22. Alguma ligação seletiva é possível através da aplicação manual de um produto químico passivante, bloqueando manualmente as áreas ou tratando a superfície com PDMS não tratado23,24. No entanto, eles são limitados em escopo para fabricar estruturas 3D em vez de colagem seletiva com moldes de carimbo microfabricados complexos sem investigar qualquer efeito e estabilidade a longo prazo23,24.

O tratamento químico foi feito usando vários silanos para alterar as propriedades de superfície em dispositivos microfluídicos PDMS. Dentre eles, o Perfluorooctil-triclorossilano (PFTCS) é frequentemente utilizado para formar superfícies super-hidrofóbicas23,25,26,27,28, pois se deposita facilmente nas superfícies devido à sua baixa pressão de vapor. PFTCS também forma camadas estáveis ​​em superfícies hidroxiladas, como a superfície de PDMS ou vidro após tratamento com plasma de oxigênio, por meio de uma reação de condensação23,29. Enquanto a passivação PFTCS manual sem nenhum método de padronização, como aplicação manual de líquido, pode ser usada para fabricação de baixa precisão, dispositivos acionáveis ​​com alta precisão requerem um método de ligação seletiva escalonável.