Computer numerieke controle Micromilling van een microfluïdisch acrylapparaat met een gespreide beperking voor magnetische immunoassays op basis van nanodeeltjes

De afgelopen jaren heeft microfluïdica een belangrijke rol gespeeld bij immunoassaytechnieken¹. Miniaturisatietechnologie heeft veel uitstekende voordelen in vergelijking met traditionele immunoassays, zoals een lager monster- en reagensverbruik, kortere incubatietijden, efficiënte uitwisseling van oplossingen en hogere integratie en automatisering².

Bovendien verminderen microfluïdische systemen in immunoassays, in combinatie met magnetische nanodeeltjes als immunosupport, de incubatietijden aanzienlijk, waardoor een hoge detectiegevoeligheid wordt bereikt vanwege de verhoogde oppervlakte-volumeverhouding³. Brownse beweging van de deeltjes verbetert de reactiekinetiek tijdens de vorming van het antigeen-antilichaamcomplex ^4,5. Bovendien bieden de magnetische eigenschappen van nanodeeltjes de veelzijdigheid om te worden geïntegreerd in verschillende microfluïdische apparaatconfiguraties, waardoor ze een ideale kandidaat zijn voor signalering en molecuulvangst in geminiaturiseerde on-chip biosensingsystemen⁵. Magnetische krachten zijn echter aanzienlijk zwakker dan luchtweerstandskrachten op nanometerschaal vanwege de hoge oppervlakte-volumeverhouding⁶. Daarom kan het vastleggen van nanodeeltjes voor cruciale immunoassay-stappen zoals wassen en detecteren een uitdaging zijn, en een conventionele magneet is onvoldoende⁴.

Een efficiënte manier om de nanodeeltjes te manipuleren is het gebruik van een microfluïdische magnetische val gevormd door ijzeren microdeeltjes, die zijn verpakt in een microfluïdische structuur³. Daarom, wanneer een externe magneet nadert, wordt een complexe interactie gecreëerd binnen het gemagnetiseerde poreuze medium tussen de magnetische en fluxkrachten. De magnetische kracht die op de nanodeeltjes inwerkt, is sterk genoeg om ze op te vangen en weerstand te bieden aan^de stromingsweerstand ^3,4,7. Deze aanpak vereist microfabricagetechnieken die resoluties bereiken in de orde van enkele micrometers om micrometrische structuren te genereren die de microdeeltjes vasthouden.

De huidige microfabricagetechnieken maken het mogelijk om structuren met hoge resolutie te fabriceren van enkele microns tot honderden nanometers⁸. Veel van deze technieken vereisen echter gespecialiseerde, dure of gecompliceerde apparatuur. Een van de grootste problemen is de vereiste voor een cleanroom voor matrijsfabricage, die duur en tijdrovend blijft ^8,9. Onlangs hebben microfluïdische ingenieurs dit nadeel overwonnen door een verscheidenheid aan alternatieve fabricagemethoden te ontwikkelen, met verschillende voordelen zoals lagere kosten, snellere doorlooptijden, goedkopere materialen en gereedschappen en verhoogde functionaliteit⁸. Op deze manier bracht de ontwikkeling van nieuwe microfabricagetechnieken goedkope, niet-cleanroommethoden met resoluties zo laag als 10 μm⁸. Patroonvorming kan direct op een substraat worden gebruikt zonder een duur gietpatroon te genereren, waardoor een tijdrovend proces wordt vermeden. Directe fabricagemethoden omvatten CNC-frezen, laserablatie en directe lithografie⁸. Al deze methoden zijn geschikt voor het produceren van kanalen met een hoge beeldverhouding in een breed scala aan materialen, ongeacht hun hardheid⁹, waardoor nieuwe en voordelige geometrieën, fysiek gedrag en kwaliteiten in microfluïdische apparaten^{mogelijk worden 8}.

CNC-microfrezen creëren microschaalstructuren met behulp van snijgereedschappen die bulkmateriaal uit een substraat verwijderen en is een effectieve fabricagemethode voor microfluïdische apparaten^10,11. De micromolentechniek kan nuttig zijn in microfluïdische toepassingen om microkanalen en functies direct op het werkoppervlak te creëren, wat een belangrijk voordeel biedt: een werkstuk kan in korte tijd (minder dan 30 minuten) worden vervaardigd, waardoor de doorlooptijd van ontwerp tot prototype¹² aanzienlijk wordt verkort. Bovendien maakt de brede beschikbaarheid van snijaccessoires van verschillende materialen, maten en vormen CNC-freesmachines een geschikt hulpmiddel dat de fabricage van verschillende functies in vele soorten goedkope wegwerpmaterialen mogelijk heeft gemaakt¹³.

Van alle materialen die vaak worden gebruikt in micromolens, blijven thermoplasten een toonaangevende keuze vanwege hun vele gunstige eigenschappen en compatibiliteit met biologische toepassingen ^10,14. Thermoplasten zijn een aantrekkelijk substraat voor microfluïdische systemen vanwege hun aanzienlijke voordelen voor de ontwikkeling van goedkope, wegwerpanalysesystemen⁹. Bovendien zijn deze materialen zeer geschikt voor productieprocessen met een hoog volume, waardoor ze geschikt zijn voor commercialisering en massaproductie. Om deze redenen worden thermoplasten zoals PMMA sinds de beginjaren van microfluïdica als betrouwbare en robuuste materialen beschouwd¹⁰. Er zijn verschillende protocollen beschreven om gesloten kanalen in thermoplasten te fabriceren, zoals solventbinding¹⁵, warmtebinding¹⁶ en ultraviolette (UV) / ozonoppervlakbehandelingsbinding¹⁷.

In veel gevallen is de positioneringsresolutie die wordt bereikt met conventionele micromolenmachines niet voldoende voor sommige microfluïdische toepassingen die structuren kleiner dan 10 μm vereisen. High-end micromilling heeft voldoende resolutie. Helaas is het gebruik ervan vanwege de hoge prijzen beperkt tot een handvol gebruikers¹². Eerder rapporteerde onze onderzoeksgroep de fabricage en manipulatie van een goedkoop gereedschap dat bewerkingsstructuren van minder dan 10 μm mogelijk maakt, waardoor de resolutie van conventionele freesmachines^{wordt overwonnen 12}. Het armatuur is een platform vervaardigd door 3D-printen met eenvoudige elektronica, met drie piëzo-elektrische actuatoren. Het oppervlak bevat scharniervormige verbindingen die het mogelijk maken om te worden opgetild wanneer de piëzo-elektrische elementen tegelijkertijd werken. Z-as verplaatsing kan worden geregeld met een resolutie van 500 nm en een nauwkeurigheid van ±1,5 μm¹².

Dit artikel presenteert de stappen van het productieproces van een acrylapparaat (PMMA) door middel van een micromolentechniek. Het chipontwerp bestaat uit een hoofdkanaal van 200 μm breed en 200 μm hoog en een zijkanaal met dezelfde afmetingen om de stroom van de reagentia te zuiveren. In het centrale gebied wordt het kanaal onderbroken door een fysieke beperking van slechts 5 μm hoog, vervaardigd met het 3D-geprinte piëzo-elektrische platform gemaakt door deze groep¹², om magnetische microdeeltjes te vangen die een magnetische val vormen voor nanodeeltjes door een externe magneet te plaatsen. We tonen de werking van het microfluïdische apparaat door een immunoassay uit te voeren om een commercieel antilichaam te detecteren met behulp van lysozym als een modelantigeen geconjugeerd aan 100 nm magnetische nanodeeltjes. Dit apparaat combineert verschillende functies die het uniek maken⁴: het gebruik van magnetische nanodeeltjes als immuunondersteuning vermindert de totale testtijd van uren tot minuten; het gebruik van een fluorogeen enzym voor detectie zorgt voor detectielimieten die vergelijkbaar zijn met die van standaard enzyme-linked immunosorbent assays (ELISA’s); en het gebruik van een thermoplast als fabricagemateriaal maakt het compatibel met massaproductie, wat niet het geval was voor eerdere magnetische vallen van microfluïdische nanodeeltjes³, en maakt het een uitstekende kandidaat om POCT te ontwikkelen.