Устройства на основе микрофлюидных модулей сегодня всё более активно применяют для исследования химического состава воздуха, воды, нефти или биологических жидкостей. Особенно перспективно использовать такие устройства в медицине ― в качестве экспресс-тестов и биосенсоров для диагностики заболеваний и анализа крови.
В основном для этих целей применяют закрытые микрофлюидные модули, которые сложны в изготовлении. Для движения жидкости по закрытым микроканалам требуется герметизация устройства и использование сложных систем дегазации для удаления пузырьков во избежание отказа в его работе, а также применение специального насосного оборудования. Один из эффективных подходов для решения перечисленных проблем и упрощения конструкции микрофлюидных модулей — использование модулей открытого типа. Применение в приборах открытых микрофлюидных модулей позволит исключить этап герметизации на стадии их изготовления и отказаться от использования насосов в пользу одноразовых пипеток.
Технология изготовления открытого микрофлюидного модуля на комбинированном материале «металл-полимер». Иллюстрация взята из научной статьи
Сотрудники центра химической инженерии совместно с лабораторией лазерных микро- и нанотехнологий, центром информационных оптических технологий Университета ИТМО, а также учеными Физического института имени П. Н. Лебедева РАН предложили инновационную методику создания таких открытых модулей. В основе разработки ― сочетание металлической подложки и полимерного покрытия с каркасом из силоксана. Комбинация гидрофобного полимерного покрытия и гидрофильной металлической подложки позволяет увеличить градиент смачивания более чем в два раза (по сравнению со стальной подложкой без покрытия при тех же параметрах лазерной обработки). Таким образом, скорость движения в микрофлюидном модуле возрастает, что повышает способность устройства к транспорту вязких жидкостей, таких, например, как плазма крови.
«Чтобы жидкость сама растекалась по поверхности без воздействия насоса, нужно создать достаточный градиент смачивания. Это достигается как за счет изменения параметров лазерного воздействия, так и за счет покрытия тонким гидрофобным слоем полимера. Изменяя плотность энергии лазерного воздействия, мы получили диапазон углов смачивания от 100 до 10 градусов. Для сравнения: на поверхности стали без покрытия при тех же параметрах лазерной обработки краевые углы смачивания находятся в диапазоне от 35 до 10 градусов», ― объясняет первый автор исследования Ирина Крылач.
Ирина Крылач. Фото из личного архива собеседницы
Ученые покрыли стальную пластинку размером пять на пять сантиметров тончайшим (от 0,1 до 1 мкм) слоем полимерного покрытия MicroCoat на основе силоксана, запатентованного компанией FinCoatingSystems. Затем, изменяя плотность энергии лазера, вырезали на поверхности пластины ряды канавок разной ширины ― так получились четыре участка с различными значениями углов смачивания. В качестве тестовой жидкости использовали дистиллированную воду: капля поочередно опускалась на границу участков с разной смачиваемостью — и всегда двигалась в направлении участка с меньшим углом смачивания. Таким образом, исследователи реализовали пассивное градиентное течение капли воды в открытом микрофлюидном модуле при помощи простой технологии лазерной абляции.
Движение капли воды по открытому микрофлюидному модулю. Гиф-изображение предоставлено Ириной Крылач
По словам ученых, разработка имеет перспективы для практического применения, но для этого еще предстоит решить ряд проблем.
«Проблема стабильности работы открытых микрофлюидных модулей остается актуальной и требует дополнительных исследований для практического применения, чем мы сейчас и занимаемся», ― заключает Ирина Крылач.
Подробнее об исследовании: I. V. Krylach, M. I. Fokina, S. I. Kudryashov, A. V. Veniaminov, R. O. Olekhnovich, V. E. Sitnikova, M. K. Moskvin, L. N. Borodina, N. N. Shchedrina, S. N. Shelygina, A. A. Rudenko, M. V. Uspenskaya Microfluidic water flow on laser-patterned MicroCoat® - coated steel surface (Applied Surface Science, Volume 581, 2022).
