На микромасштабе, где поверхностные силы преобладают над объемными, а число Рейнольдса обычно значительно меньше единицы, микростолбики позволяют исследователям с высокой точностью управлять линиями тока жидкости, траекториями движения частиц и межфазными явлениями.
Определенное расположение микростолбиков внутри микроканалов позволяет создавать предсказуемые потоки, которые можно использовать для разделения частиц, смешивания жидкостей, повышения эффективности реакций и обеспечения механической поддержки элементов микрофлюидных устройств. В этой статье рассмотрим возможности применения микростолбиков в микрофлюидных системах.
Различные способы применения микростолбиков
Чтобы понять возможности микростолбиков и то, как они могут улучшить характеристики прототипа микрофлюидного устройства, необходимо рассмотреть разнообразие выполняемых ими функций. Эти микроскопические структуры способны решать сразу несколько различных задач.
В качестве структурных опор
Когда микрофлюидное устройство должно выдерживать давление или содержать крупные полости, микростолбики выполняют функцию опорных элементов, подобно несущим конструкциям здания. Они предотвращают деформацию и схлопывание тонких поверхностей микроканалов под действием механической нагрузки, помогая сохранять целостность всей системы во время эксплуатации.
Макроизображение системы «лаборатория-на-чипе»
В качестве селективных фильтров
Еще один способ применения микростолбиков — фильтрация. Микростолбики могут задерживать определенные клетки, пропуская при этом частицы загрязнений, или, наоборот, задерживать нежелательные частицы. Такая фильтрация позволяет защитить чувствительные участки микрофлюидного устройства от попадания посторонних частиц.
Иллюстрация фильтра в микрофлюидном генераторе капель.
В качестве распределителей потока
Если необходимо создать мелкодисперсное распыление или равномерно распределить жидкость между несколькими каналами, микростолбики могут использоваться для равномерного распределения потока. Они позволяют разделить один поток жидкости на множество отдельных путей, обеспечивая однородное распределение жидкости.
Изображение из International Journal of Pharmaceutics, Vol. 283, Issues 1–2, R. Dalby, M. Spallek, T. Voshaar, «A review of the development of Respimat® Soft Mist™ Inhaler»
Для увеличения площади поверхности
Микростолбики существенно изменяют отношение площади поверхности к объему внутри микрофлюидных каналов. Добавление вертикальных структур на плоское дно канала создает дополнительную площадь поверхности, на которой молекулы могут взаимодействовать со стенками микростолбиков. Увеличение площади особенно важно для приложений, в которых реакции протекают на поверхности. К ним относятся, например, иммуноанализы с иммобилизованными на поверхности антителами и каталитические процессы, протекающие на границе раздела твердой и жидкой фаз.
В качестве платформы для сортировки клеток
Одной из наиболее интересных возможностей микростолбиков является высокоселективное разделение частиц и клеток на основании их размера, морфологии и механических свойств. Особенно эффективными являются два хорошо изученных механизма микрофлюидного разделения.
- Сортировка на основе деформируемости использует различия в способности клеток к деформации. Когда клетки проходят через сужения, размер которых меньше их диаметра, возникающее напряжение сдвига вызывает упругую деформацию более эластичных клеток, тогда как более жесткие клетки отклоняются потоком. Этот механизм особенно полезен для выделения циркулирующих опухолевых клеток, механические свойства которых часто отличаются от свойств здоровых клеток крови.
- Детерминированное латеральное смещение (Deterministic Lateral Displacement, DLD) работает подобно последовательности односторонних направляющих, которые постепенно распределяют частицы разных размеров по различным траекториям. Частицы, размер которых превышает критический диаметр, движутся по линиям тока, отклоняющимся от общего направления потока, тогда как более мелкие частицы сохраняют первоначальную траекторию.
Критический диаметр DcD_c определяется геометрией микростолбиков и может быть рассчитан по формуле:
Dc = 1,4 × Gap × (ε/N)^0,48,
где ε — смещение микростолбиков, а N — количество микростолбиков в одном ряду.
Изображение DLD-чипа. Источник: Curate Biosciences.
Выбор материала: основа рабочих характеристик
Выбор материала в значительной степени определяет возможную геометрию микростолбиков, масштабируемость производства и функциональные характеристики устройства. Каждый материал имеет свои преимущества и ограничения, которые необходимо учитывать с учетом конкретного применения и требований к производству. Рассмотрим основные материалы, используемые для изготовления микростолбиков, с точки зрения их механических характеристик, химической совместимости и технологических ограничений.
Стекло: химическая совместимость и оптическая прозрачность
Стекло обладает высокой химической инертностью и оптической прозрачностью в УФ- и видимом диапазонах спектра. Это особенно важно для приложений, требующих микроскопического наблюдения в реальном времени или регистрации флуоресценции. Однако обработка стекла преимущественно основана на изотропном жидкостном травлении, которое ограничивает достижимое соотношение высоты и ширины структур и приводит к формированию микростолбиков с закругленным профилем. Ограничения, связанные с селективностью и равномерностью травления, также влияют на минимально возможные размеры элементов и расстояния между микростолбиками, особенно в массивах высокой плотности.
PDMS: быстрое прототипирование и научные исследования
Полидиметилсилоксан (PDMS) обеспечивает высокую гибкость проектирования и позволяет быстро изготавливать прототипы. Благодаря этому материал особенно удобен для проверки концепций и последовательной оптимизации конструкции. PDMS хорошо подходит для методов мягкой литографии и позволяет с высокой точностью воспроизводить сложную геометрию.
Однако для прецизионных применений материал имеет ряд существенных ограничений. К ним относится нестабильность размеров вследствие относительно низкой механической прочности, особенно при воздействии давления. Кроме того, пористость и гидрофобность поверхности PDMS могут приводить к неспецифической адсорбции веществ и набуханию материала в органических растворителях, что способно снижать точность количественного анализа в биологических исследованиях.
Meijer, H.A. (2018). Coupling of microfluidic chips for the sorting of testicular biopsies. Master's thesis, University of Twente. Не опубликовано.
Кремний: высокоточные структуры с большим аспектным отношением
Кремний позволяет изготавливать микростолбики с высокой точностью геометрических параметров и аспектным отношением более 20:1 с помощью глубокого реактивного ионного травления (Deep Reactive Ion Etching, DRIE). Хорошо изученные механические свойства кремния и его химическая инертность в водных средах делают этот материал подходящим для систем, где необходимо сохранять структурную целостность при высоких давлениях или скоростях потока. Основным ограничением является непрозрачность кремния, которая не позволяет непосредственно наблюдать характер течения жидкости или взаимодействие частиц. Кроме того, более высокая стоимость материала и его обработки ограничивает экономическую целесообразность использования кремния в недорогих устройствах.
Полимеры: решения для масштабируемого производства
Термопластичные полимеры представляют собой один из наиболее перспективных вариантов для крупносерийного производства с применением литья под давлением, горячего тиснения и микрофрезерования. Такие материалы, как циклоолефиновый сополимер (COC) и полистирол, обеспечивают хорошую оптическую прозрачность и химическую стойкость, одновременно позволяя снизить стоимость при массовом производстве. При этом технологии обработки полимеров накладывают ограничения на достижимое аспектное отношение структур и требуют технологических уклонов, которые могут влиять на функциональность микростолбиков. При использовании таких материалов в прецизионных системах также необходимо учитывать способ герметизации устройства и возможную деформацию под давлением. Первоначальные затраты на изготовление производственной оснастки могут быть значительными, поэтому такой подход экономически оправдан прежде всего при достаточных объемах производства.
Научные применения микростолбиков
Практическое использование микрофлюидных систем на основе микростолбиков позволило добиться значительных результатов в различных областях исследований. Следующие примеры показывают, как определенная конструкция микростолбиков помогает решать сложные аналитические задачи и превращать фундаментальные принципы микрофлюидики в функциональные исследовательские инструменты.
Платформы для жидкостной биопсии
В медицинской диагностике микростолбики могут применяться для выделения циркулирующих опухолевых клеток из образцов крови. Платформа Cellsway использует инерционную фокусировку в сочетании с микростолбиками для высокопроизводительной сортировки клеток без использования меток. Такой подход потенциально позволяет выявлять опухолевые клетки с помощью обычного анализа крови без сложных процедур мечения, делая раннюю диагностику онкологических заболеваний более доступной и менее инвазивной.
Micronit сотрудничала с Cellsway в рамках проекта MIH.
Повышение нефтеотдачи
В энергетической отрасли микростолбики используются для создания прозрачных моделей пористой среды, имитирующих структуру нефтеносных пород. Такие устройства позволяют исследователям непосредственно наблюдать движение нефти через структуры, моделирующие горную породу, проверять результаты компьютерного моделирования и оптимизировать технологии добычи. Дополнительная площадь поверхности, создаваемая микростолбиками, усиливает взаимодействие между жидкостями и поверхностью модели породы, повышая реалистичность и практическую ценность подобных исследований.
Макроизображение структуры породы в EOR-чипе Micronit.
Разделение клеток крови
Для исследований, в которых необходимо получать образцы клеток крови с минимальным повреждением, могут применяться массивы микростолбиков, работающие по принципу детерминированного латерального смещения (DLD). Такие системы позволяют мягко разделять различные типы клеток, сохраняя их целостность. Это особенно важно для последующих исследований, например генетического анализа или культивирования клеток, где повреждение клеток может негативно повлиять на результаты эксперимента.
