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Jul 28, 2023

Rail induit la migration latérale des particules à travers co intact

Rapports scientifiques volume 12,

Rapports scientifiques volume 12, Numéro d'article : 21775 (2022) Citer cet article

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Cet article présente une méthode guidée par rail pour appliquer un revêtement couche par couche (LbL) sur des particules dans un dispositif microfluidique. L'approche microfluidique passive permet de manipuler des suspensions de particules à enrober dans le système. La trajectoire des particules est contrôlée à l'aide de rails gravés, induisant un mouvement latéral des particules tout en maintenant le flux de liquide orienté axialement (et l'interface des différents liquides) non perturbé. La profondeur et l'angle des rails ainsi que la vitesse du liquide ont été étudiés pour déterminer une géométrie utilisable du dispositif. Une procédure de revêtement LbL discontinue a été convertie en un processus continu, démontrant que la puce peut effectuer sept étapes consécutives normalement effectuées en mode discontinu, facilement extensibles à des nombres de cycles plus importants. Le revêtement des particules avec deux bicouches a été confirmé par microscopie à fluorescence.

La capacité à manipuler les microparticules est cruciale pour de nombreuses applications en ingénierie, chimie, biologie et physique. Diverses applications nécessitent le traitement, le tri ou l'auto-assemblage des particules. La conception de particules avancées nécessite l'utilisation de procédés de dépôt afin de produire des blocs de construction complexes et nanostructurés. L'une des techniques de dépôt qui est très populaire de nos jours est la méthode d'assemblage couche par couche (LbL) 1,2 introduite par Decher et al. Cette méthode présente de nombreux avantages : sa préparation simple, sa polyvalence, l'amélioration des propriétés du matériau, le contrôle de la structure du matériau, sa porosité, sa robustesse, la possibilité d'appliquer des charges élevées de biomolécules dans les films3. La méthode LbL a reçu une attention considérable dans les domaines de l'ingénierie et biomédicaux et est appliquée par exemple dans l'administration de médicaments, l'optique intégrée, les capteurs et les revêtements réduisant le frottement. Dans la méthode LbL classique, des films minces sont formés par dépôt ultérieur de polyélectrolytes chargés de manière opposée (électrolytes polymères) sur un substrat de n'importe quelle forme, ce qui donne des multicouches de polyélectrolytes. L'adsorption du film est principalement le résultat d'interactions électrostatiques se produisant entre des électrolytes polycationiques et polyanioniques. La couche peut être obtenue de multiples manières, par exemple par trempage, centrifugation ou pulvérisation. L'automatisation des processus LbL à l'aide de réacteurs conventionnels à grande échelle est hautement souhaitable mais difficile à mettre en œuvre. Ces procédés chronophages et discontinus nécessitent généralement des équipements encombrants et coûteux. De plus, des problèmes tels que la non-uniformité et l'agrégation des microcapsules sont souvent rencontrés, nécessitant l'application d'étapes de traitement en aval telles que la centrifugation, le lavage et la remise en suspension. En outre, la consommation de réactifs est plus élevée dans les procédés discontinus, ce qui peut être un facteur important lorsqu'il s'agit, par exemple, d'un médicament coûteux.

La manipulation des particules est essentielle dans les approches de fabrication de particules. Parmi les nombreuses techniques disponibles, les pincettes optiques sont remarquablement puissantes pour manipuler des objets individuels. Les pincettes optiques utilisent les forces exercées par un faisceau de lumière fortement focalisé pour piéger et déplacer des particules dont la taille varie de dizaines de nanomètres à des dizaines de micromètres et peuvent être utilisées pour organiser des assemblages plans de particules colloïdales, mais aussi pour construire des pompes et des vannes optiques construites en particules colloïdales dans des canaux microfluidiques activés avec des pincettes optiques4,5,6. Une autre technique de manipulation des particules utilise les ondes sonores, nécessitant une densité de puissance inférieure à celle des pinces optiques. Ding et al. ont développé un dispositif acoustique, basé sur des ondes acoustiques de surface stationnaires qui peuvent piéger et manipuler des microparticules uniques avec un contrôle en temps réel7. Une onde stationnaire acoustique à flux continu est utilisée pour la séparation des particules dans une gamme de tailles allant de dizaines de nanomètres à des dizaines de micromètres. La technologie de la pince acoustique facilite la focalisation, la séparation, l'alignement et la mise en forme des particules8,9,10. Une onde acoustique de surface focalisée (FSAW) a été utilisée dans un environnement microfluidique pour produire des microcapsules avec une structure noyau-coque11. Les particules magnétiques peuvent être manipulées dans des canaux microfluidiques à l'aide d'un champ magnétique12,13. Le magnétisme a été utilisé en microfluidique pour l'actionnement, la manipulation et la détection. Les forces impliquées dans la micro-magnétofluidique ont été largement décrites et sont généralement bien comprises14. De nombreuses applications ont été développées jusqu'à présent, avec comme exemple frappant la séparation magnétique en flux continu de particules et de cellules15. Une autre méthode active pour contrôler le mouvement des particules est la diélectrophorèse à angle incliné16. La trajectoire en zigzag des particules à travers trois flux laminaires parallèles a été réalisée au moyen de paires d'électrodes parallèles inclinées adjacentes disposées en zigzag autour du canal microfluidique16. Les méthodes de contrôle du mouvement des microparticules dans les dispositifs microfluidiques ont déjà été largement étudiées et rapportées17.

Les technologies décrites ci-dessus, basées sur l'optique, l'acoustique, le magnétisme ou la diélectrophorèse exigent des forces externes supplémentaires et ne s'appliquent parfois qu'aux particules de propriétés spécifiques (par exemple, magnétiques). De plus, certaines de ces méthodes nécessitent des équipements très coûteux.

Le contrôle passif du mouvement des microparticules en microfluidique est difficile mais a été réalisé avec succès. Il existe des méthodes reposant sur des effets inertiels ou sur des structures de guidage, la conception du canal et de la structure fonctionnelle étant l'élément critique permettant la manipulation des particules.

La microfluidique inertielle utilise l'inertie des fluides pour améliorer le mélange et induire la séparation et la focalisation des particules18. Par l'intégration de canaux courbes (par exemple, en spirale), la microfluidique inertielle peut être utilisée pour la séparation continue des particules en fonction de leur taille19. Sangupta et al. ont remarqué que les particules colloïdales peuvent suivre des lignes (rainures) dans une puce microfluidique20. Ces lignes de défaut étaient aléatoires et les lignes de trajectoire n'étaient pas délibérément conçues. D'autres se sont concentrés sur le contrôle de la trajectoire des particules dans la puce microfluidique à l'aide de structures de guidage conçues. Parc et al. ont étudié la possibilité de trier les particules sur mesure qui s'adaptent au rail uniquement si elles ont une orientation spécifique21. Le concept de rails pour particules spécialement conçues a également été utilisé non seulement pour les guider mais aussi pour les assembler sur puce22,23,24.

Une plus grande diversité dans les structures de guidage peut être trouvée lorsque des gouttelettes doivent être manipulées. Kantak et al. trajectoires de gouttelettes imposées par des obstacles pour enrober les gouttelettes LbL sur la puce25. Une autre méthode a également été développée, avec les gouttelettes confinées par un toit de canal et piégées et guidées par des rails et des ancres qui ont été gravés dans la surface supérieure du canal. Pour réduire l'énergie de surface des gouttelettes, celles-ci pénètrent dans une dépression locale26. Ahn et al. ont présenté une méthode simple de guidage, de distribution et de stockage d'un train de gouttelettes en utilisant des flux latéraux, des pistes de guidage de cavité et des chambres de stockage27. Les structures ferroviaires ont également été utilisées pour le tri des bulles de gaz dans le liquide28.

Une autre méthode implique une interaction magnétique. Des rails ferromagnétiques sont utilisés pour créer localement des puits de potentiel magnétiques. Lorsque le champ est éteint, les gouttelettes magnétiques suivent le flux de liquide. En activant le champ magnétique, les gouttelettes subissent une force magnétique qui affecte leur trajectoire lors du passage sur le rail aimanté29. Une combinaison de manipulation laser active (optique) et de manipulation passive par des structures telles que des rails et des ancres a été utilisée en microfluidique pour modeler des réseaux 2D avec des gouttelettes de manière hautement sélective30.

Dans le présent article, nous présentons un concept pour manipuler la trajectoire des particules dans les canaux microfluidiques. Nous introduisons une méthode passive qui ne nécessite pas de force externe ou de propriétés spécifiques des microparticules. Nous montrons l'utilisation d'un rail de guidage de particules dans le but de mettre en contact la particule avec plusieurs liquides fonctionnant en parallèle. L'impact de la géométrie du rail (hauteur et angle du rail) sur la stabilité du mouvement guidé des particules ainsi que sur (l'interface) des liquides co-flux est étudié. L'utilisation de rails au fond du canal est plus pratique que l'utilisation de structures dans le canal microfluidique (comme des piliers) car il est moins sujet au colmatage pendant le revêtement LbL, ce qui a un impact sur la stabilité des écoulements multilaminaires.

Nous construisons ensuite une carte opérationnelle des régimes liquides obtenus et appliquons ces connaissances pour concevoir et valider une puce microfluidique qui remplace sept étapes consécutives dans une méthodologie de revêtement LbL. Le revêtement sur puce est rapide, ne nécessitant que quelques dizaines de secondes.

La puce a été fabriquée en interne en broyant du polyméthacrylate de méthyle (PMMA) comme substrat. Le contour de la puce est présenté sur la figure 1. La puce est composée de trois couches différentes qui ont ensuite été assemblées et collées. La puce a trois entrées et trois sorties et les dimensions de la couche supérieure sont de 6 mm × 50 mm (2 mm d'épaisseur). La couche intermédiaire a une épaisseur de 1 mm et un canal de 4 mm de large et 30 mm de long. La partie inférieure de la puce a une épaisseur de 2 mm et présente une rainure (rail) fraisée sur sa surface. Au début du rail se trouve une zone de rainure en forme de triangle pour faciliter le piégeage des particules introduites avec le liquide lors de l'expérience. La largeur du rail est de 300 µm et la profondeur du rail est de 45 à 310 µm, selon la conception de la puce. La profondeur du rail a été déterminée par un profilomètre (Filmetrics Profilm 3D). Des mesures ont été effectuées à cinq positions différentes pour chaque rail (Fig. 2) avant de coller la puce. La même méthode a été appliquée pour mesurer la rugosité, Rg, de la surface inférieure du copeau et du rail. Après avoir testé différents angles de rails : 0°, 5°, 10°, 15° ; une puce en zigzag a été conçue et fabriquée (Fig. 1d). La puce en zig-zag a été conçue pour le revêtement de particules LbL sur puce et est construite, de la même manière que les puces précédentes, à partir de trois couches, mais elle est plus longue (la couche supérieure a des dimensions de 6 mm × 20 cm et la couche intermédiaire a un canal de 4 mm de large et 18 cm de long) et son rail est constitué de rails 0° et 5° reliés entre eux en forme de zig-zag. La puce en zigzag peut donc accueillir quatre segments de rail à 5° par rapport à la direction du canal (voir Fig. 1d). Comme exemple d'une puce en zig-zag, une image d'une puce PMMA avec un canal à gradins en zig-zag est représentée sur la figure 1S.

Schéma de la puce : (a) vue de dessus, (b) parties de la puce, (c) vue de côté, (d) une puce en zig-zag [pas à l'échelle : la puce en zig-zag est plus longue qu'une puce à un seul rail puce en (c) (50 mm)].

Mesure au profilomètre de la profondeur du rail avant collage des parties du copeau : (a) vue 3D, (b) profil de ligne.

L'éthanol a été choisi comme liquide porteur pour étudier le comportement du flux de liquide dans la puce pour de multiples raisons, la plus importante étant qu'il s'agit d'un excellent solvant pour de nombreux produits chimiques. De plus, il mouille le PMMA, ce qui assure une élimination facile des bulles de gaz et empêche les particules de coller à la surface.

L'éthanol a été introduit dans la puce par les trois entrées. Le flux du milieu était pur tandis que les flux adjacents étaient colorés avec un colorant bleu pour visualiser le flux, voir Fig. 3a. Le débit des trois liquides a été contrôlé avec une pompe à seringue. Les liquides ont toujours été introduits au même débit, allant de 20 à 240 mL h-1 avec des vitesses de liquide linéaires correspondantes de 4,2 à 50 mm s-1. Notez que ces valeurs se réfèrent aux vitesses moyennes du liquide dans la puce. La vitesse du liquide est maximale dans la partie centrale de l'écoulement et diminue jusqu'à zéro à la frontière. Par conséquent, au niveau des particules se déplaçant près du fond de la puce, la vitesse du fluide est sensiblement inférieure à la valeur moyenne. Les vitesses réelles du fluide au niveau des particules sont estimées ci-dessous dans "Méthodes", "Profil de vitesse du fluide".

(a) Schéma de l'expérience : (i) vue de dessus de la puce, (ii) coupe transversale de la puce. (b) Trois régimes observés pour un rail à un angle de 15°, barre d'échelle 1 mm.

Lors de la réalisation des expériences, trois types de comportement d'écoulement de liquide ont été observés, appelés régimes 1, 2 et 3, voir Fig. 3b.

Trois bandes claires dans des liquides co-flux bleu-transparent-bleu sont observées. Le liquide dans toute la zone du courant médian est transparent. Cela signifie que l'éthanol (transparent) se trouve dans le rail et dans le canal au-dessus du rail. Le rail est rempli par les différents liquides selon la position du rail dans la puce. Il est rempli par le liquide qui coule dessus.

Bien que le co-écoulement des trois liquides puisse être distingué, de l'éthanol de couleur bleue est présent sur toute la longueur du rail. Ceci est visible dans la puce où l'éthanol transparent coule au milieu du canal tandis qu'en dessous, l'éthanol de couleur bleue coule à l'intérieur du rail. Le début du rail se situe à l'entrée de la puce où l'éthanol de couleur bleue est introduit. Ce liquide envahit le rail et le remplit sur toute sa longueur.

Les frontières claires entre les liquides co-coulants ne sont plus observées. Le colorant bleu couvre la zone du courant intermédiaire.

L'occurrence des trois régimes de transport de liquide dans le rail en fonction de la profondeur du rail et de la vitesse du liquide est résumée à la Fig. 4. Le régime 1 a été observé pour des vitesses des liquides > 15 mm s−1 avec une profondeur de rail < 100 µm . Le régime 2 a été observé pour des vitesses des liquides > 15 mm s−1 et des rails de profondeur > 160 µm. Le régime 3 a été observé pour les faibles vitesses des liquides < 15 mm s−1 pour tous les rails testés.

Carte montrant où les trois régimes de transport de liquide dans un rail sont observés en fonction de la profondeur du rail et du débit de liquide.

Dans le but de fournir des conditions de traitements chimiques répétitifs sur des particules, seules les conditions conduisant au régime 1 sont considérées comme appropriées car chaque particule circulant dans le rail doit être en contact avec le liquide de même nature que le liquide au-dessus du rail. Pour les procédures de revêtement LbL, par exemple, les particules doivent traverser trois liquides différents pour subir un revêtement bicouche, c'est-à-dire : liquide avec le premier agent de revêtement, puis liquide de rinçage, puis liquide avec le deuxième agent de revêtement.

Afin de tester le suivi des particules sur le rail, des sphères de 89 µm de diamètre ont été introduites dans la puce sous forme de suspension dans de l'éthanol coloré en bleu. La suspension a été introduite à l'entrée, qui est reliée à la partie initiale du rail. La vitesse des particules introduites dans la puce diminue rapidement dès que les particules touchent le fond de la puce. Il est crucial que les particules touchent la surface du fond de la puce pour pouvoir rester à l'intérieur du rail. La zone de la puce (4 mm de large × 10 mm de long) où le rail traversait le flux de liquide a été surveillée pour évaluer si les particules suivent le rail, traversant ainsi trois flux de liquide (voir Fig. 5). La particule doit suivre le rail sans entrer en collision avec d'autres particules. S'ils le font, cela peut entraîner un choc et la fuite ultérieure d'une ou des deux particules. Seuls les événements à une seule particule ont été pris en compte dans la présente étude.

(a) Particule suivant le rail de 10°, profondeur 45 µm, vitesse du liquide 12,5 mm/s ; (b) particule s'échappant du rail de 15°, profondeur 73 µm, vitesse du liquide 12,5 mm/s. Les barres d'échelle sont de 1 mm.

Le comportement des particules sur les rails avec les angles suivants par rapport à l'axe du canal a été étudié : 0°, 5°, 10° et 15° (voir Fig. 6). Le schéma des puces est présenté sur la figure 6d. Les profondeurs du rail étaient de 45 ± 1 µm et 70 ± 1 µm. La plage de débit de liquide étudiée était de 4,2 à 42,0 mm s−1. Il a été observé qu'à une vitesse linéaire du liquide inférieure à 6,5 mm s-1, les particules ne se déplacent pas sans être perturbées tout au long de la puce et s'arrêtent souvent à la surface de la puce.

Fraction des particules de ø 89 µm suivant le rail de profondeur (a) 45 ± 1 µm et (b) 72 ± 1 µm. (c) Vitesse des particules suivant un rail. La stabilité et la vitesse des particules dépendent de la profondeur du rail, de l'angle et du débit du liquide porteur. (d) Schéma des puces.

Nous avons enregistré les particules se déplaçant dans le rail et mesuré leur vitesse à l'aide de GDPTlab v1.2 a Matlab GUI31. Tout d'abord, les couleurs des images en noir et blanc ont été inversées à l'aide d'un code Matlab car GDPTlab ne fonctionne qu'avec des images en champ sombre (fond sombre et images de particules lumineuses). Ensuite, nous avons analysé les positions de chaque particule avec GDPTlab et mesuré son déplacement pendant un temps donné (Fig. 6c). Chaque point représente une mesure sur un minimum de 10 particules. L'écart type relatif (RSD) de la vitesse des particules était de 15 %. La vitesse moyenne du liquide a été calculée en mesurant le temps de collecte du liquide à la sortie de la pastille dans une éprouvette graduée. Le RSD de la vitesse du liquide était de 5 %. La vitesse de la particule suivant le rail est bien inférieure à celle de la particule à l'extérieur du rail. Globalement, le déplacement des particules dans le rail (dans le sens du rail) était environ dix fois plus lent que la vitesse moyenne du liquide (dans le sens axial) dans le canal (voir les "Méthodes", "Profil de vitesse du fluide").

La réduction observée de la vitesse linéaire peut être attribuée à une vitesse locale inférieure à la vitesse moyenne dans l'ensemble du canal, d'une part, et à l'apparition des forces (de rotation et de frottement) agissant sur la particule, d'autre part. Pour évaluer l'ampleur de l'effet de vitesse, des simulations COMSOL ont été effectuées à différents angles de rainure de 0° à 15°, en supposant un débit axial moyen fixe de 25 mm s−1 Re = 18,4). L'amplitude du champ de vitesse axiale est représentée sur la figure 7a. Comme on peut le remarquer, la présence de la rainure peu profonde n'a qu'une faible influence sur le champ de vitesse axiale dans le canal microfluidique. Pour comparer la vitesse observée des particules dans la rainure, la vitesse locale du liquide dans la direction de la rainure à une hauteur du rayon des particules (44,5 um) a été mesurée. D'après la figure 7b, on peut voir que des vitesses légèrement plus élevées sont observées pour une rainure moins profonde. De plus, la vitesse diminue légèrement avec l'augmentation de l'angle. A 25 mm s−1, la vitesse du liquide au niveau du centre de la particule est (5,4 ± 0,1 mm s−1 pour un sillon profond de 70 µm et 6,3 ± 0,1 mm s−1 pour un sillon profond de 40 µm) bien inférieure à la moyenne vitesse d'écoulement (25 mm s−1), mais toujours considérablement supérieure à la vitesse des particules observée (3,0 ± 1,0 mm s−1). La vitesse locale peut varier légèrement en fonction de la position du rail. On a supposé que la particule reste près du centre du sillon alors qu'en réalité, elle est poussée vers la paroi du sillon, où la vitesse est légèrement inférieure (c'est-à-dire 3,2 ± 0,1 mm s−1 pour le sillon de 70 µm de profondeur et 4,9 ± 0,1 mm s−1 pour la rainure de profondeur 40 µm). La différence de vitesse restante peut être attribuée aux forces de frottement et de rotation (voir la section ci-dessous pour plus de détails).

Simulation COMSOL à un débit de liquide de 25 mm s−1. (a) Coupe transversale du canal microfluidique montrant le champ de vitesse axiale. (b) Vitesse locale du liquide dans la direction de la rainure pour différents angles et profondeurs de rainure, au centre de la rainure (carrés) et à proximité de la paroi de la rainure (cercles).

La figure 6a montre la fraction des particules qui suivent le rail de 45 ± 1 µm de profondeur. On observe qu'à mesure que la vitesse du liquide augmente, plus de particules s'échappent du rail. Il est à noter que l'angle du rail est également un facteur important. Toutes les particules se déplacent dans la trajectoire du rail de 0° et 5° jusqu'à une vitesse liquide de 25 mm s−1. A titre de comparaison, pour une même vitesse liquide de 25 mm s−1, aucune des particules ne reste dans le rail d'angles 10° et 15°. Plus l'angle du rail est grand, plus la fraction de particules qui s'échappe pour une vitesse de liquide donnée est élevée. Un autre facteur important déterminant la stabilité des particules est la profondeur du rail. La fraction des particules guidées par le rail est beaucoup plus grande pour la même vitesse du liquide et la même condition d'angle du rail lorsque le rail est plus profond (Fig. 6a, b).

La qualité de définition du rail joue évidemment aussi un rôle critique. Les rails usinés CNC (commande numérique par ordinateur) (voir "Matériaux et produits chimiques utilisés") présentent de petites imperfections. La rugosité locale (exprimée en Rg) déterminée par un profilomètre (Filmetrics Profilm 3D) était toujours dans la gamme submicronique (voir Fig. 2b pour un tracé de rugosité caractéristique) pour tous les canaux testés. Les différences de profondeur de canal le long d'un seul canal, mesurées à cinq emplacements différents, étaient significativement plus importantes et atteignaient jusqu'à 7 µm entre les valeurs maximales (point le plus haut et le point le plus bas) dans un seul canal. La variance puce à puce en profondeur exprimée par un écart type était de 1,0 µm et 2,3 µm pour les canaux de 43,8 µm et 71,0 µm de profondeur, respectivement (n = 4).

Bien que les droites représentant la fraction des particules dans le rail en fonction de la vitesse du liquide pour des copeaux similaires ne soient pas identiques, il est remarquable qu'elles aient toutes la même position du seuil à partir duquel les particules commencent à être instables dans le rail et s'échapper.

Des imperfections de la surface des parois latérales et du bas du rail peuvent déclencher des événements d'échappement. En effet, si les surfaces du rail étaient parfaites, alors le fait qu'une particule s'échappe ou non du rail serait déterminé par l'équilibre des forces. Par exemple, dans un rail suffisamment profond, les particules resteraient à l'intérieur du rail tant que les forces de portance sont insuffisantes pour provoquer l'échappement, et cela se maintiendrait sur toute la longueur du rail. D'autre part, si l'équilibre des forces est opposé comme, par exemple, dans un rail très peu profond, alors les particules s'échapperaient du rail. Cependant, comme observé dans l'expérience, lorsque l'angle du rail par rapport à la direction de l'écoulement augmente, les événements d'échappement commencent à se produire avec une vitesse croissante à différentes positions, c'est-à-dire aléatoires, du rail : parfois, des particules s'échappent au tout début du rail et parfois cela se produit à différentes positions, ou ne se produit pas du tout (c'est-à-dire que la particule reste à l'intérieur du rail). Ce comportement implique que le processus d'échappement peut être modélisé en ajoutant une force aléatoire dans les équations du mouvement, de manière similaire à la force thermique dans le cas des particules browniennes. Cette force aléatoire peut être interprétée comme causée par des imperfections aléatoires, ou rugosité, à la surface du rail.

En général, le mouvement d'une particule entraînée dans un rail par un fluide circulant le long du canal dans la configuration illustrée à la Fig. 8, obéit à l'équation de mouvement suivante :

où m est la masse de la particule, \(\ddot{r}\) désigne la dérivée seconde de la coordonnée r par rapport au temps t, et les forces \({F}_{g},{F}_{ b},{F}_{l},{F}_{dr},{F}_{w},{F}_{d}\) et \({F}_{wf}\) représentent la gravité, la flottabilité, la ou les forces de portance, la force motrice, la force de réaction de la paroi, la traînée de Stokes et les forces de friction de la paroi, respectivement.

(a) Le mouvement d'une particule, entraînée par l'écoulement du fluide, dans le rail. Les longues flèches bleues indiquent l'écoulement du fluide dans la puce et les courtes flèches bleues indiquent l'écoulement dans le rail. Forces et vitesses principales (en régime suramorti) : la force de gravité, Fg, est compensée par la force de réaction du bas du rail Frb, la vitesse des particules dans le rail, vpr, proportionnelle à la vitesse du fluide dans le rail résultant de la vitesse du fluide au fond de la puce, vfcb, et la force de réaction de paroi Frw. (b) Les imperfections au fond et sur les parois latérales du rail sont modélisées par une force aléatoire. (c) Exemples de trajectoires de particules simulées : particules s'échappant du rail (cercles bleus et verts) et suivant le rail (cercles rouges).

Comme observé dans l'expérience, les particules se déplacent à une vitesse constante, le long de trajectoires presque rectilignes à l'intérieur du rail, ce qui signifie que les forces gouvernantes dans l'Eq. (1) s'équilibrent et le mouvement des particules est suramorti. Cela nous permet de simplifier considérablement la description.

Ainsi, les particules se déplacent avec une vitesse constante proportionnelle à la vitesse du fluide au niveau de la particule (voir "Méthodes", "Profil de vitesse du fluide"). De plus, leur mouvement est affecté par une force aléatoire due aux imperfections. Ce mouvement peut être modélisé par de simples équations suramorties de type Langevin en deux dimensions,

où v0 est la vitesse de la particule entraînée par le flux de fluide (en l'absence d'autres forces), θ est la direction du flux par rapport au canal de la puce, \({\xi }_{0}\left(t \right)=({\xi }_{0, x}\left(t\right),{\xi }_{0, y}\left(t\right))\) est un non- bruit gaussien de type thermique corrélé (dû aux imperfections) avec des fonctions de corrélation : \(\langle {\xi }_{0,i}\left(t\right)\rangle =0\) et \(\langle {\ xi }_{0,i}\left(t\right){\xi }_{0,j}\left(0\right)\rangle =2{D}_{0}{\delta }_{ij }\delta \left(t\right)\), où (i, j) = (x, y), D0 est le coefficient de diffusion, et δij et δ(t) sont respectivement le symbole delta et la fonction delta de Kronecker . Notez que l'éq. (2) est similaire aux équations de Langevin décrivant le mouvement des particules entraînées ou automotrices32,33,34,35, où la vitesse d'entraînement v0 correspond à la vitesse automotrice des particules automotrices. La force aléatoire \({\xi }_{0}\left(t\right)\) dans Eq. (2) est de distribution gaussienne, et la mesure de son amplitude moyenne est la "température effective", Teff, qui dans le cas général est "l'intensité du bruit"36, ou une mesure des fluctuations35. Dans le cas du mouvement brownien, Teff est la température T, qui est liée au coefficient de diffusion, D0, via la formule de Stokes-Einstein : D0 = kBT/(6πηrp), où kB est la constante de Boltzmann, η est la viscosité du fluide, et rp est le rayon de la particule. Dans le cas général, Teff est une mesure des fluctuations, pas seulement des fluctuations thermiques, mais de toute nature, par exemple, des fluctuations de position (par exemple dues à la rugosité de la surface du rail).

L'effet de la rugosité des parois du canal peut être introduit via la renormalisation du coefficient de diffusion effectif, Deff, comme suit. Lorsqu'une particule exécute une marche aléatoire, caractérisée par un temps de persistance τrw et une vitesse vrw, le Deff correspondant peut être présenté comme Deff = D0 + Drw, où Drw = τrw(vrw)2/4 est la contribution due à la marche aléatoire33,37 . L'effet de la rugosité se traduit par des mouvements aléatoires d'une particule avec une vitesse vrg, qui est de l'ordre de la vitesse motrice de l'écoulement, c'est-à-dire vrg ~ vflow ∙ cos(θ), et avec un temps de persistance τrg = Rg/vrg, où Rg caractérise la rugosité spatiale des parois. Par conséquent, nous pouvons approximer Deff comme suit : Deff = D0 + Rgvrg/4. Notez que pour des particules suffisamment grandes de rp ~ 100 μm et une rugosité inférieure au micromètre des parois du canal, Rg ~ 0,1 μm, Rgvrg/4 > > D0, et donc Deff est déterminé par la rugosité des parois du canal, Deff ≈ Rgvrg/ 4, tandis que la diffusion thermique est négligeable par rapport aux mouvements aléatoires dus aux imperfections des parois. En utilisant la formule de Stokes-Einstein, nous pouvons formellement introduire une "température" effective, Teff, qui caractérise les fluctuations du mouvement des particules dues à la rugosité de la paroi du canal, Deff = kBTeff/(6πηrp). Notons que cette grandeur, Teff, a une nature différente de T usuel (qui est une mesure du bruit thermique) et caractérise l'intensité du bruit résultant des collisions d'une particule avec la rugosité de surface : Teff = f(Rg).

Les résultats de la simulation pour l'angle θ = 15° et Rg ~ 0,1 µm pour une particule de 89 µm sont présentés sur la Fig. 8, où trois trajectoires typiques sont représentées. Une trajectoire correspond au cas où l'événement d'échappement (aléatoire) se produit au tout début du mouvement d'une particule dans le rail. L'autre montre une fuite vers le milieu du rail. Après la fuite, les particules se déplacent sur le fond de la puce en suivant la direction du fluide. Enfin, le cas est représenté sur la figure lorsqu'une particule ne s'échappe pas et reste dans le rail. Les trajectoires simulées présentées sont similaires à celles observées dans l'expérience. Notez que toutes les trajectoires illustrées à la Fig. 8 sont calculées pour le même ensemble de paramètres et que les événements d'échappement sont déterminés par une force aléatoire modélisant les imperfections de la paroi du canal.

Après avoir défini la géométrie optimale du rail et la plage de vitesse du liquide, les conditions décrites ci-dessus ont été appliquées à une puce en zig-zag, voir Fig. 1d. La puce en zig-zag a un rail de 70 ± 1 µm constitué de rails alternés avec des angles : -5°, 0°, 5°, 0° (premier zig-zag) et encore -5°, 0°, 5°, 0° (deuxième zig-zag). Les trois premiers flux d'éthanol ont été introduits à une vitesse de 25 mm s-1. Les courants latéraux ont été colorés avec du bleu patenté pour la visualisation de l'écoulement du liquide. Les particules sont introduites dans le flux médian (éthanol). Les courants liquides latéraux contiennent de l'éthanol de couleur bleue. Sur toute la longueur de la puce en zig-zag, le comportement du liquide suit le régime 1. Cela peut être vu sur la figure 9a et la figure 2S. De plus, la diffusion du colorant des flux latéraux vers le flux médian est négligeable sur toute la longueur de la puce.

(a) Image de microscopie optique de (a) le canal à différentes positions dans la puce ; (b) les particules suivant le rail dans le premier zig-zag. Liquides secondaires : EtOH avec colorant bleu, liquide intermédiaire : EtOH. Les trois liquides sont introduits à une vitesse de liquide de 25 mm s-1. La barre d'échelle est de 1 mm.

Les particules ont été introduites dans la puce par le courant intermédiaire. Cela leur donne la possibilité d'être piégés dans le rail alors qu'ils sont encore présents dans la solution de rinçage. Cela garantit que toutes les particules passent le même temps dans le flux latéral. Les particules suivaient le long du rail qui est présenté sur la Fig. 9b, le premier zig-zag, et la Fig. 3S (le premier et le deuxième zig-zag). La distance entre les particules change en fonction de la position dans la puce. Plus près du côté (rail 0°), les particules se déplacent légèrement plus lentement et se rapprochent les unes des autres. Par conséquent, il est préférable que les particules soient introduites dans la puce avec une distance > 5 mm entre elles.

Une solution de poly(acide acrylique) PAA (0,033 % p/p) dans de l'éthanol et une solution de poly(éthylènimine) marquée à la rhodamine PEI-Rh (0,033 % p/p) dans de l'éthanol ont été utilisées. Chaque étape de revêtement a été alternée en rinçant les particules avec de l'éthanol (Fig. 10). Le dépôt de la bicouche PAA/PEI-Rh a été vérifié par microscopie à fluorescence.

Représentation schématique d'une particule de PMMA-NH2 déposée avec du poly(acide acrylique) (PAA) et du poly(éthylènimine) marqués avec des bicouches de Rhodamine (PEI-Rh) par la technique couche par couche (LbL). Les étapes 1 à 4 montrent le dépôt d'une bicouche de PAA/PEI-Rh (LbL-1-PMMA-NH2) sur une particule de PMMA-NH2. Les étapes 5 à 8 montrent le dépôt de la deuxième bicouche de PAA/PEI-Rh (LbL-2-PMMA-NH2) sur une particule.

Pour le dépôt de la première couche, 0,5 ml d'une solution de PAA a été ajouté à un flacon en verre contenant du PMMA-MAG-NH2 chargé positivement. On a laissé l'adsorption se dérouler pendant 10 min suivie d'une agitation douce. Après cela, les particules ont été maintenues au fond du flacon à l'aide d'un aimant, puis la solution a été retirée et les particules ont été lavées deux fois avec de l'éthanol. Une solution de 0, 5 ml de PEI-Rh a ensuite été ajoutée aux particules revêtues de PAA et laissée interagir pendant 10 min, suivie d'une élimination de la solution et d'un lavage à l'éthanol. Le processus a été répété, conduisant au dépôt d'une seconde bicouche PAA/PEI-Rh.

Ensuite, le revêtement des particules a été réalisé avec la puce en zig-zag, qui a un rail de 75 ± 1 µm. Les flux latéraux sont composés d'une solution d'éthanol PAA (solution de polyanion) et d'une solution d'éthanol PEI-Rh (solution de polycation). L'éthanol est introduit dans le courant intermédiaire comme solution de rinçage. Des particules de PMMA-MAG-NH2 chargées positivement (98,5 µm de diamètre) sont introduites dans le flux intermédiaire et sont séquentiellement portées par la solution de PAA, l'éthanol et le flux de PEI-Rh afin de subir le dépôt de la première bicouche (le premier zig-zag) . Après avoir suivi la trajectoire du deuxième zig-zag, la deuxième bicouche est déposée, voir Fig. 11a. Les particules ont été recueillies à la sortie de la puce dans un bécher en verre contenant de l'éthanol. Après sédimentation des particules, le liquide a été éliminé en lavant les particules deux fois avec de l'éthanol. Les images de microscopie fluorescente ont confirmé la présence de deux bicouches, voir Fig. 11e. L'intensité de fluorescence était comparable à celle des particules à deux bicouches enrobées en batch.

(a) Représentation schématique de particules de PMMA-NH2 déposées avec du poly(acide acrylique) (PAA) et du poly(éthylènimine) marqués avec des bicouches de Rhodamine (PEI-Rh) par la technique couche par couche (LbL) sur puce. (b–e) Photographies de fluorescence de particules magnétiques PMMA-NH2 : (b) particules sans revêtement (témoin), (c) particules avec une bicouche (LbL-1-PMMA-NH2), revêtues en lot, (d) particules avec deux bicouches (LbL-2-PMMA-NH2), enrobées en batch, (e) avec deux bicouches (LbL-2-PMMA-NH2), enrobées sur puce. Les barres d'échelle sont de 200 µm.

Sur la Fig. 11b – e, des images de microscopie fluorescente sont présentées de particules PMMA-MAG-NH2 avec (b) zéro, (c) une et (d) deux bicouches. Les particules sans revêtement ne montrent aucune fluorescence. Les particules à deux bicouches présentent une intensité plus élevée que les particules à une bicouche.

L'ensemble du processus de revêtement des particules avec quatre sous-couches a nécessité sept étapes séquentielles : 1-PAA, 2-lavage, 3-PEI-Rh, 4-lavage, 5-PAA, 6-lavage, 7-PEI-Rh et a pris environ 1 min.

Il est à noter que le temps d'exposition des particules à chacune des solutions de revêtement et que la solution de lavage était court (une dizaine de secondes), ce qui était suffisant pour subir le dépôt d'une sous-couche. Il est possible que le fait que le liquide soit continuellement rafraîchi à l'intérieur du rail, et que les particules glissent et tournent tout en se déplaçant, contribue au revêtement efficace des particules. C'est encore un avantage pour effectuer LbL sur puce.

Le revêtement LbL est généralement rapide mais dans le cas où un temps de réaction plus long est nécessaire, les débits de liquides introduits peuvent être diminués. Cela doit être fait avec soin de manière à ce que le système soit toujours en régime 1 et non en régime 3. Afin de rester en régime 1, il est possible de modifier la géométrie de la puce : par exemple, allonger ou élargir le canal, ou éventuellement introduire des murs entre les cours d'eau. Notre système peut être appliqué à des particules de différents diamètres. Cela nécessitera une adaptation de la profondeur du rail. Une estimation minutieuse de la dimension optimale fera l'objet de notre prochaine étude. Grâce au fait qu'aucune force extérieure n'est appliquée, notre système est universel pour les particules et potentiellement pour les gouttelettes lourdes ou flottantes (en inversant la puce dans ce dernier cas). Une concentration relativement élevée de particules peut être traitée de manière continue.

Notre système peut être utilisé dans de multiples dosages chimiques et biologiques (par exemple, des dosages immunologiques) qui nécessitent de nombreux réactifs liquides et lavages qui sont introduits séquentiellement. Nous voyons l'avantage d'utiliser le rail gravé que notre système est moins sujet au colmatage que les structures de guidage qui obstruent le flux et les particules qu'il transporte, ce qui entraîne une action de filtrage.

Les puces PMMA ont été conçues et fabriquées en interne à l'aide d'une fraiseuse CNC à grande vitesse (Datron Neo, Datron AG., Allemagne). La profondeur des rainures a été mesurée avec un profilomètre (Filmetrics Profilm 3D). Les parties de la puce ont été assemblées et collées à l'aide d'acétate d'éthyle qui a été introduit en quantité discrète entre les couches de la puce38. Des capillaires en verre (diamètre intérieur (ID) 450 µm, diamètre extérieur (OD) 670 µm, Polymicro, Achrom) ont été collés aux entrées et sorties de la puce afin d'introduire les liquides à l'aide de pousse-seringues ou de pompes sous pression (Fluigent). Dans Pour la suspension de particules, un mélangeur vortex (VWR) a été utilisé pour faire vibrer le tube Falcon contenant la suspension de particules afin d'empêcher la sédimentation des particules au fond du tube Falcon.

Dans notre travail, nous avons utilisé des particules magnétiques de polystyrène (PS-MAG-AR110, 89 µm, SD = 1,2 µm, Oxyde de fer = 10 %, Microparticles GmbH) et des particules magnétiques de poly(méthacrylate de méthyle) fonctionnalisé amino (PMMA-MAG-NH2, 98,5 µm, Microparticules GmbH). Les propriétés magnétiques des particules ne sont pas nécessaires pour nos expériences, mais au stade de l'optimisation de la configuration, elles étaient pratiques pour régénérer l'appareil.

Les expériences ont été réalisées dans de l'éthanol de qualité technique. Le bleu patenté (Aldrich) a été utilisé comme colorant pour visualiser les écoulements dans la puce.

Polyéthylèneimine, (PEI, ramifié, moyenne 25 kDa par LS moyenne Mn 10 kDa par GPC) et Poly (acide acrylique) (PAA) (35% en poids; solution dans l'eau, MW typique 100 kDa) ont été achetés chez Aldrich. L'isothiocyanate de rhodamine a été acheté auprès de Cayman Chemical Company.

Le PEI a été dissous dans du diméthylsulfoxyde, du DMSO (Sigma-Aldrich) avec de l'isothiocyanate de rhodamine B (RITC, isomères mixtes, Cayman Chemical Company). Le mélange a été agité pendant 5 h. Après cela, de l'éthanol a été ajouté pour diluer le PEI à 1 %. Le mélange a été dialysé contre de l'éthanol (sac de dialyse avec un seuil de coupure de 12 à 15 kDa) pendant une semaine afin d'éliminer le DMSO et le RITC non réagi. La concentration de la solution marquée PEI-Rhodamine (PEI-Rh) dialysée a été calculée à 0,87 % et utilisée comme solution mère.

Comme le montrent J. Pazourek et J. Chmelik39, la vitesse du fluide dans un canal de section rectangulaire dont un côté est beaucoup plus grand que l'autre, h > > w, est liée à la coordonnée y par la simple expression analytique :

où \(\Delta p\) est la chute de pression entre les côtés opposés du canal, \(\mu\) est la viscosité dynamique du fluide, L est la longueur du canal et w est la hauteur du canal dans la direction y.

La vitesse du liquide peut être calculée directement à partir de l'équation. (3). Cependant, nous connaissons la vitesse moyenne du liquide, , mesurée expérimentalement, et il est donc utile d'exprimer v(y) via cette quantité connue. La vitesse moyenne peut être calculée en intégrant l'Eq. (3) le long de la hauteur, de −w/2 à w/2, et en divisant par w, résultant en :

et

Ce résultat, éq. (5), est valable pour un caniveau de section rectangulaire où la largeur est bien plus grande que la hauteur, h >> w, et la valeur maximale,

est obtenu le long de la ligne y = 0.

La puce a une section rectangulaire de largeur et de hauteur comparables, 4 mm × 1 mm. Par conséquent, il est raisonnable de supposer que le profil de vitesse du fluide est parabolique dans les deux directions, dans les directions x (largeur) et y (hauteur), et que la vitesse maximale est atteinte en un point (x = 0, y = 0 ). Cela signifie que vmax dans Eq. (6) devient une fonction de x, et sa moyenne, , est liée à vmax(x = 0) via la même relation que et vmax dans l'Eq. (6):

Ainsi, la vitesse moyenne dans un canal à profil de vitesse parabolique dans les deux sens est de 2/3 de sa valeur pour un canal à largeur infinie [Eqs. (3)–(5)]. Par conséquent, afin d'évaluer la vitesse du fluide v(y) pour x ≈ 0, le membre droit de l'Eq. (5) doit être corrigé d'un facteur 3/2.

Ainsi, pour une particule de diamètre 89 μm, la vitesse du fluide au niveau du centre de la particule est d'environ

Ce résultat analytique est également cohérent avec l'estimation du profil de vitesse du fluide trouvée à partir des simulations COMSOL.

À l'intérieur du rail, l'écoulement peut être approximativement considéré comme un écoulement de Couette, étant une couche supérieure entraînée par l'écoulement près du bas du copeau et ayant une vitesse nulle au bas du rail. Par conséquent, la vitesse du fluide diminue encore dans le rail, et pour une particule de 89 μm dans un rail d'environ 100 μm de profondeur, la vitesse est estimée à ≈ 0,1 de la valeur moyenne dans la puce.

La fabrication de particules, le revêtement ou les essais biologiques sont des procédures laborieuses et chronophages, qui nécessitent que les solutions de réaction et/ou de lavage soient chargées séparément et séquentiellement une à la fois.

Dans cet article, nous présentons une nouvelle méthode passive pour guider des concentrations élevées de particules dans les canaux microfluidiques. De plus, nous avons montré que le revêtement couche par couche de particules a été réalisé avec succès sur puce en utilisant une méthode guidée par rail. Nous avons automatisé une procédure de revêtement LbL en un seul processus continu et démontré que la puce peut remplacer sept étapes consécutives en lot. L'utilisation d'un rail permet de contrôler la trajectoire des particules et garantit que toutes les particules suivent le même trajet. La profondeur et l'angle des rails ainsi que la vitesse du liquide ont été étudiés pour fournir une géométrie de canal appropriée.

De plus, nous avons montré que lorsque des co-écoulements laminaires sont introduits dans le canal qui contient une rainure au fond, avec un angle non nul, trois types différents de comportement du liquide (régimes) sont observés, déterminés par la profondeur de la rainure et la vitesse du liquide.

Nous avons démontré la fonctionnalité de notre dispositif par revêtement sur puce de particules avec deux bicouches (quatre sous-couches), ce qui a été confirmé par microscopie à fluorescence. Toutes les étapes, qui en lot nécessitent de multiples manipulations de particules (sept étapes consécutives), ont été effectuées dans un seul appareil, ce qui a pris environ une minute seulement.

Cela ouvre la voie à une large gamme d'applications pour lesquelles les multicouches peuvent être appliquées en un seul processus continu. Lorsque des nombres de couches beaucoup plus importants sont nécessaires, la diffusion entre les flux limitera le temps de séjour dans les canaux, et par conséquent les couches réalisables, car les différents flux de revêtement et de lavage finiront par fusionner en un seul flux (partiellement) mélangé. Dans une étude future, nous intégrerons des structures d'obstruction pour minimiser la diffusion entre les couches, permettant d'augmenter le temps de séjour, ce qui permettra l'application de dizaines de couches. Cela permettra les applications optiques les plus exigeantes dans lesquelles un grand nombre de couches avec des épaisseurs de couche bien définies sont critiques. Des particules sur mesure pour l'administration contrôlée de médicaments avec des mécanismes de déclenchement de libération avancés sont une autre perspective attrayante pour le concept présenté dans le présent article.

Alors que dans le présent article, le PMMA a été utilisé comme substrat de canal, il est moins résistant chimiquement que le substrat de verre couramment utilisé dans l'industrie chimique. Pour fonctionner dans des conditions chimiquement sévères, des formats alternatifs comme le verre imprimé (ou le silicium sur lequel une couche d'oxyde a été appliquée en dernière étape) peuvent par exemple être utilisés, avec les rainures obtenues par gravure ionique réactive profonde (conduisant à des parois très verticales) . Cela permettra de maintenir une variation à la fois à courte et à longue portée dans la région submicronique, ce qui est favorable à une augmentation supplémentaire de la stabilité des particules, permettant ainsi une plus grande flexibilité en termes de débit et de contrôle du temps de séjour dans les flux. .

Les données générées et analysées au cours de cette étude sont incluses dans cet article publié et dans les fichiers d'informations complémentaires.

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Nous remercions le professeur Ruslan Efremov pour l'utilisation du profilomètre, et le professeur Guy van Assche et le Dr Raphael Marques pour des discussions fructueuses. Ce travail a été partiellement soutenu par Research Foundation-Flanders (FWO-Vl), Grant No. G029322N, Grant No. 1512018N, et par Innoviris (projet de type 'Colores' Bridge).

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Dominique Maès

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Conceptualisation : WDM, IZ Analyse formelle : application de techniques statistiques, mathématiques, informatiques ou autres techniques formelles pour analyser ou synthétiser les données de l'étude : VRM, PG Acquisition de financement : WDM /collecte de preuves : IZ, VRM Méthodologie—Développement ou conception de la méthodologie ; création de modèles : IZ, VRM Administration de projet : WDM Ressources—Fourniture de supports d'étude, matériels, ressources informatiques ou autres outils d'analyse : AH, IB, IZ Supervision : WDM, DM Validation : IZ Visualisation—Préparation, création et/ou présentation du travail publié, en particulier la visualisation/présentation des données : IZ, PG, VRM Rédaction—ébauche originale : IZ, WDM, VRM Rédaction—révision et édition : Tous.

Correspondance à Wim De Malsche.

Les auteurs ne déclarent aucun intérêt concurrent.

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Réimpressions et autorisations

Ziemecka, I., de Hemptinne, A., Misko, VR et al. Migration latérale induite par le rail de particules à travers des liquides co-coulants intacts. Sci Rep 12, 21775 (2022). https://doi.org/10.1038/s41598-022-26387-5

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Reçu : 02 septembre 2022

Accepté : 14 décembre 2022

Publié: 16 décembre 2022

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

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