Montagem e Caracterização de um Driver Externo para a Geração de Fluxo Oscilatório Sub-Kilohertz em Microcanais

O controle preciso da taxa de fluxo líquido em microcanais é crucial para aplicações de laboratório em um chip, como produção de gotículas e encapsulamento¹, mistura ^2,3, e a classificação e manipulação de partículas suspensas ^4,5,6,7. O método predominantemente utilizado para o controle de fluxo é uma bomba de seringa que produz fluxos estáveis altamente controlados dispensando um volume fixo de líquido ou uma taxa de fluxo volumétrico fixo, muitas vezes limitado ao fluxo totalmente unidirecional. Estratégias alternativas para a produção de fluxo unidirecional incluem o uso da cabeça gravitacional⁸, forças capilares⁹ ou fluxo eletro-osmótico¹⁰. As bombas de seringa programáveis permitem um controle bidirecional dependente do tempo das taxas de fluxo e volumes dispensados, mas limitam-se a tempos de resposta superiores a 1 s devido à inércia mecânica da bomba de seringa.

O controle de fluxo em escalas de tempo mais curtas desbloqueia uma infinidade^de 6,11,12,13,14,15 de outras possibilidades inacessíveis devido a mudanças qualitativas na física do fluxo. O meio mais prático de aproveitar essa física de fluxo variado é através de ondas acústicas ou fluxos oscilatórios com períodos de tempo que variam de ^10-1– ^10-9 s ou 10¹ -10⁹ Hz. A extremidade superior desta faixa de frequência é acessada usando dispositivos de onda acústica a granel (BAW; 100 kHz-10 MHz) e ondas acústicas superficiais (SAW; 10 MHz-1 GHz). Em um dispositivo BAW típico, todo o substrato e a coluna de fluido são vibrados aplicando um sinal de tensão através de uma piezoelétrica ligada. Isso permite rendimentos relativamente altos, mas também resulta em aquecimento em amplitudes mais altas. Nos dispositivos SAW, no entanto, a interface líquido-sólido é oscilada aplicando tensão a um par de eletrodos interdigitados padronizados em um substrato piezoelétrico. Devido aos comprimentos de onda muito curtos (1 μm-100 μm) partículas tão pequenas quanto 300 nm podem ser precisamente manipuladas pela onda de pressão gerada em dispositivos SAW. Apesar da capacidade de manipular pequenas partículas, os métodos SAW estão limitados à manipulação de partículas locais, uma vez que a onda atenua rapidamente com distância da fonte.

Na faixa de frequência de 1-100 kHz, os fluxos oscilatórios são geralmente gerados usando elementos piezo que são ligados a um microcanal polidimetilsiloxano (PDMS) acima de uma cavidade^{projetada 16,17}. A membrana PDMS acima da cavidade padronizada se comporta como uma membrana vibrante ou tambor que pressuriza o fluido dentro do canal. Nesta faixa de frequência, o comprimento de onda é maior do que o tamanho do canal, mas as amplitudes de velocidade de oscilação são pequenas. O fenômeno mais útil nesse regime de frequência é a geração de fluxos de fluxo acústico/viscoso, que são fluxos estáveis corrigidos causados pela não linearidade inerente ao fluxo de líquidos com inércia¹⁸. Os fluxos de fluxo constantes normalmente se manifestam como vórtices de alta velocidade nas proximidades de obstáculos, cantos afiados ou micro-bolhas. Estes vórtices são úteis para misturar^19,20 e separar partículas de tamanho de 10 μm da corrente de fluxo²¹.

Para frequências na faixa de 10-1000 Hz, tanto a velocidade do componente oscilatório quanto seu fluxo viscoso estável associado são consideráveis em magnitude e útil. Fortes fluxos oscilatórios nesta faixa de frequência podem ser usados para focalizar inercial²², facilitar a geração de gotículas²³, e pode gerar condições de fluxo (números de Womersley) que imitam o fluxo sanguíneo para estudos in vitro . Por outro lado, os fluxos de streaming são úteis para mistura, captura de partículas e manipulação. O fluxo oscilatório nesta faixa de frequências também pode ser realizado usando um elemento piezo ligado ao dispositivo como descrito acima^{de 23}. Um obstáculo significativo para implementar fluxos oscilatórios através de um elemento piezo ligado é que ele requer recursos para serem projetados com antecedência. Além disso, os elementos do alto-falante ligados não são destacáveis, e um novo elemento deve ser ligado a cada dispositivo²⁴. No entanto, tais dispositivos apresentam a vantagem de serem compactos. Um método alternativo é o uso de uma válvula de relé eletromecânica²⁰. Essas válvulas requerem fontes de pressão pneumática e software de controle personalizado para operação e, portanto, aumentam a barreira técnica para testes e implementação. No entanto, tais dispositivos permitem a aplicação de amplitude e frequência de pressão definida.

Neste artigo, descreve-se a construção, operação e caracterização de um método fácil de usar para gerar fluxos oscilatórios na faixa de frequência de 10-1000 Hz em microcanais. O método oferece inúmeras vantagens, como montagem econômica, facilidade de operação e pronto para interagir com canais microfluidos padrão e acessórios, como bombas de seringa e tubos. Além disso, em comparação com abordagens similares anteriores²⁵, o método oferece ao usuário controle seletivo e independente de frequências e amplitudes de oscilação, incluindo a modulação entre formas de onda sinusoidal e não sinusoidal. Esses recursos permitem que os usuários implantem facilmente fluxos oscilatórios e, portanto, facilitem a adoção generalizada em uma ampla gama de tecnologias e aplicações microfluidas existentes atualmente nas áreas de biologia e química.