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Aug 06, 2023

Fabbricazione di array di microvalvole utilizzando il legame selettivo PDMS (polidimetilsilossano) tramite perfluoroottile

Scientific Reports volume 12,

Rapporti scientifici volume 12, numero articolo: 12398 (2022) Citare questo articolo

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Per migliorare la versatilità e la robustezza dei dispositivi analitici microfluidici per l'esplorazione spaziale, è stato implementato un array microfluidico programmabile (PMA) per supportare una varietà di missioni. Quando si progetta un PMA, le valvole normalmente chiuse sono vantaggiose per evitare contaminazioni incrociate e perdite. Tuttavia, è necessario un metodo di fabbricazione stabile per evitare che queste valvole si attacchino e si incollino nel tempo. Questo lavoro presenta come il polidimetilsilossano (PDMS) può essere legato selettivamente utilizzando la passivazione chimica per superare il problema dell'adesione del PDMS durante l'esplorazione spaziale a lungo termine. Innanzitutto, su un timbro PDMS, il perfluoroottil-triclorosilano vaporizzato (PFTCS) viene depositato in condizioni di -80 kPa e 150 °C. Il PFTCS è stato quindi trasferito su PDMS o substrati di vetro controllando la temperatura e il tempo e 15 minuti a 150 °C forniscono il trasferimento ottimale del PFTCS per il legame selettivo. Con questi parametri caratterizzati, abbiamo dimostrato con successo la fabbricazione di PMA per supportare missioni spaziali a lungo termine. Per stimare la stabilità del PFTCS stampato, un PMA è stato testato regolarmente per tre anni e non è stata osservata alcuna attrito o alterazione delle prestazioni. È stato effettuato un test di volo con un razzo Cessaroni L1395 per test di forza g e vibrazioni elevate e non vi è alcuna differenza nelle prestazioni del PMA dopo l'esposizione delle condizioni di lancio e atterraggio. Questo lavoro si dimostra promettente come una tecnica semplice e robusta che amplierà la stabilità e la capacità della PMA per l'esplorazione spaziale.

Sono stati sviluppati strumenti analitici microfluidici per l'esplorazione spaziale per determinare le composizioni chimiche da piccoli campioni di terreno o particelle1,2,3,4,5. Tuttavia, per essere compatibili con missioni più ampie, la programmabilità e la durabilità richiedono un ulteriore sviluppo. Un array microfluidico programmabile (PMA) è progettato per ottenere una manipolazione fluida autonoma come l'estrazione, la spinta, la miscelazione e la distribuzione del fluido con elevata precisione. È possibile definire il design della microvalvola e i parametri operativi per ottenere il volume di erogazione e la portata desiderati. È stato dimostrato che la PMA per la preparazione programmata dei campioni, i test fluorometrici e il biosensing mostra la versatilità utilizzando microvalvole normalmente chiuse4,6,7,8,9,10,11,12. Le tipiche valvole normalmente chiuse hanno una struttura a saracinesca sul lato della membrana flessibile o sul lato del microcanale per bloccare il flusso senza attivazione12,13,14. Anche se questo è un aspetto eccellente per il controllo dei fluidi, la fabbricazione del PMA richiede procedure di incollaggio selettive del PDMS per ridurre al minimo il problema dell'incollaggio della valvola dopo l'esposizione al plasma15. Inoltre, il PDMS può legarsi debolmente al vetro dopo un contatto a lungo termine. L'evidenza empirica della PMA prodotta nel nostro laboratorio implica che se le valvole restano ferme per più di 6 mesi, i cancelli delle microvalvole si attaccano al vetro e ai substrati PDMS. La tempistica tipica per raggiungere pianeti target come Marte, Europa ed Encelado è di circa sette mesi16, cinque anni17 e sette anni18 di viaggio rispettivamente, e quindi, per utilizzare la PMA per esplorare questi pianeti, il problema della stabilità della microvalvola deve essere risolto deciso di ottenere le prestazioni PMA previste.

I PMA tipici vengono fabbricati utilizzando una tecnica di litografia morbida con polidimetilsilossano (PDMS)19,20 e confezionati mediante plasma di ossigeno che tratta tutte le superfici esposte19,21,22. Alcuni legami selettivi sono possibili attraverso l'applicazione manuale di una sostanza chimica passivante, bloccando manualmente le aree o trattando la superficie con PDMS non trattato23,24. Tuttavia, questi hanno una portata limitata alla fabbricazione di strutture 3D invece del legame selettivo con complessi stampi per timbri microfabbricati senza indagare su alcun effetto e stabilità a lungo termine23,24.

Il trattamento chimico è stato effettuato utilizzando vari silani per alterare le proprietà superficiali sui dispositivi microfluidici PDMS. Tra questi, il perfluoroottil-triclorosilano (PFTCS) viene spesso utilizzato per formare superfici superidrofobe23,25,26,27,28 poiché si deposita facilmente sulle superfici grazie alla bassa pressione di vapore. Il PFTCS forma anche strati stabili su superfici idrossilate, come la superficie del PDMS o del vetro dopo il trattamento con plasma di ossigeno, attraverso una reazione di condensazione23,29. Mentre la passivazione manuale del PFTCS senza alcun metodo di modellazione, come l'applicazione manuale di liquidi, può essere utilizzata per la fabbricazione a bassa precisione, i dispositivi attuabili ad alta precisione richiedono un metodo di incollaggio selettivo scalabile.