レールが無傷の表面を横切る粒子の横方向の移動を引き起こす

Scientific Reports volume 12、記事番号: 21775 (2022) この記事を引用

447 アクセス

1 引用

メトリクスの詳細

この論文では、マイクロ流体デバイス内の粒子にレイヤーバイレイヤー (LbL) コーティングを適用するレールガイド方式を紹介します。受動的マイクロ流体アプローチにより、システム内でコーティングされる粒子の懸濁液を処理できるようになります。粒子の軌道は彫刻されたレールを使用して制御され、軸方向に配向した液体の流れ (および異なる液体の界面) を妨げずに粒子の横方向の動きを誘発します。レールの深さと角度、および液体の速度を研究して、装置の実行可能な形状を決定しました。不連続な LbL コーティング手順が 1 つの連続プロセスに変換され、通常はバッチ操作で行われる 7 つの連続ステップをチップが実行でき、さらに大きなサイクル数まで簡単に拡張できることが実証されました。２つの二重層による粒子のコーティングは、蛍光顕微鏡によって確認された。

微粒子を操作する能力は、工学、化学、生物学、物理学の多くの用途にとって重要です。さまざまな用途では、粒子の処理、選別、または自己組織化が必要です。高度な粒子を設計するには、複雑なナノ構造の構成要素を生成するために堆積プロセスを使用する必要があります。現在非常に人気のある堆積技術の 1 つは、Decher et al. によって導入されたレイヤーバイレイヤーアセンブリ (LbL) 法 1,2 です。この方法には、簡単な調製、多用途性、材料特性の向上、材料構造の制御、多孔性、堅牢性、フィルムに高い生体分子負荷を適用できる可能性など、多くの利点があります3。 LbL 法は工学および生物医学の分野で大きな注目を集めており、ドラッグデリバリー、集積光学、センサー、摩擦低減コーティングなどに応用されています。古典的な LbL 法では、逆に荷電した高分子電解質 (ポリマー電解質) を任意の形状の基板上に堆積させて薄膜を形成し、高分子電解質の多層を形成します。フィルムの吸着は主に、ポリカチオン電解質とポリアニオン電解質の間で起こる静電相互作用の結果です。この層は、例えばディップコーティング、スピンコーティング、またはスプレーコーティングなどの複数の方法で達成することができる。従来のマクロスケール反応器を使用した LbL プロセスの自動化は非常に望ましいですが、実装は困難です。これらの時間のかかる非連続プロセスには、通常、大型で高価な装置が必要です。さらに、マイクロカプセルの不均一性や凝集といった問題が頻繁に発生し、遠心分離、洗浄、再懸濁などの下流処理ステップの適用が必要になります。また、バッチプロセスでは試薬の消費量が多くなりますが、これは、たとえば高価な薬剤が関与する場合には重要な要素となる可能性があります。

粒子の取り扱いは、粒子製造アプローチにおいて不可欠です。数多くの利用可能な技術の中でも、光ピンセットは個々の物体を操作するのに非常に強力です。光ピンセットは、強く集束した光線によって及ぼされる力を利用して、数十ナノメートルから数十マイクロメートルのサイズの粒子を捕捉して移動させ、コロイド粒子の平面集合体を組織するために使用できますが、光ポンプやバルブを構築するためにも使用できます。光ピンセットで活性化されたマイクロ流体チャネル内のコロイド粒子4、5、6。粒子を操作する別の技術は音波を使用するため、光ピンセットよりも低い電力密度が必要です。ディンら。は、リアルタイム制御で単一の微粒子を捕捉し、操作できる定在表面弾性波に基づく音響デバイスを開発しました7。連続流音響定在波は、数十ナノメートルから数十マイクロメートルのサイズ範囲の粒子を分離するために使用されます。音響ピンセット技術により、粒子の集束、分離、位置合わせ、パターニングが容易になります8、9、10。集束表面弾性波（FSAW）をマイクロ流体環境で使用して、コアシェル構造を持つマイクロカプセルを生成しました11。磁性粒子は、磁場を使用してマイクロ流体チャネル内で操作できます12、13。磁気は、マイクロ流体工学において作動、操作、検出のために使用されてきました。マイクロ磁気流体工学に関与する力は広範囲に説明されており、一般的によく理解されています 14。これまでに多くの用途が開発されており、その代表的な例として粒子と細胞の連続フロー磁気分離が挙げられます15。粒子の動きを制御するもう 1 つの有効な方法は、傾斜角誘電泳動です 16。 3 つの平行な層流を通る粒子のジグザグ軌道は、マイクロ流体チャネルの周囲にジグザグに配置された、隣接する傾斜した平行な電極のペアによって実現されました 16。マイクロ流体デバイス内の微粒子の動きを制御する方法は、すでに広範囲に研究され、報告されています17。

15 mm s−1 with a rail depth < 100 µm. Regime 2 was observed for velocities of the liquids > 15 mm s−1 and rails of the depth > 160 µm. Regime 3 was observed for low velocities of the liquids < 15 mm s−1 for all tested rails./p> > D0, and therefore Deff is determined by the roughness of the channel walls, Deff ≈ Rgvrg/4, while thermal diffusion is negligibly small in comparison to the random movements due to the wall imperfections. Using Stokes–Einstein formula, we can formally introduce an effective “temperature”, Teff, that characterizes the fluctuations of the particle motion due to the roughness of the channel wall, Deff = kBTeff/(6πηrp). We note that this quantity, Teff, has a different nature than usual T (which is a measure of thermal noise) and characterizes the intensity of the noise resulting from the collisions of a particle with the surface roughness: Teff = f(Rg)./p> 5 mm between them./p> > w, is related to the coordinate y by the simple analytical expression:/p>, measured experimentally, and therefore it is useful to express v(y) via this known quantity. The average velocity can be calculated by integrating Eq. (3) along the height, from −w/2 to w/2, and dividing by w, resulting in:/p>> w, and the maximum value,/p>, is related with vmax(x = 0) via the same relation as and vmax in Eq. (6):/p>