Montaje y caracterización de un driver externo para la generación de flujo oscilatorio sub-kilohercios en microcanales

El control preciso del caudal de líquido en microcanales es crucial para aplicaciones de laboratorio en un chip, como la producción de gotas y la encapsulación¹, la mezcla ^2,3 y la clasificación y manipulación de partículas en suspensión ^4,5,6,7. El método predominantemente utilizado para el control de flujo es una bomba de jeringa que produce flujos constantes altamente controlados que dispensan un volumen fijo de líquido o un caudal volumétrico fijo, a menudo limitado a un flujo completamente unidireccional. Las estrategias alternativas para producir flujo unidireccional incluyen el uso de la cabeza gravitacional⁸, las fuerzas^{capilares 9} o el flujo electro-osmótico¹⁰. Las bombas de jeringa programables permiten un control bidireccional dependiente del tiempo de los caudales y los volúmenes dispensados, pero se limitan a tiempos de respuesta superiores a 1 s debido a la inercia mecánica de la bomba de jeringa.

El control de flujo a escalas de tiempo más cortas desbloquea una gran cantidad de 6,11,12,13,14,15 de posibilidades que de otro modo serían inaccesibles debido a cambios cualitativos en la física de flujo. El medio más práctico de aprovechar esta variada física de flujo es a través de ondas acústicas o flujos oscilatorios con períodos de tiempo que van desde ^{10-1– 10-9} s o 10¹ -10⁹ Hz. Se accede al extremo superior de este rango de frecuencia utilizando dispositivos de onda acústica a granel (BAW; 100 kHz-10 MHz) y onda acústica superficial (SAW; 10 MHz-1 GHz). En un dispositivo BAW típico, todo el sustrato y la columna de fluido vibran aplicando una señal de voltaje a través de un piezoeléctrico unido. Esto permite rendimientos relativamente altos, pero también da como resultado un calentamiento a amplitudes más altas. En los dispositivos SAW, sin embargo, la interfaz sólido-líquido oscila aplicando voltaje a un par de electrodos interdigitados modelados sobre un sustrato piezoeléctrico. Debido a las longitudes de onda muy cortas (1 μm-100 μm), partículas tan pequeñas como 300 nm pueden ser manipuladas con precisión por la onda de presión generada en los dispositivos SAW. A pesar de la capacidad de manipular partículas pequeñas, los métodos SAW se limitan a la manipulación de partículas locales, ya que la onda se atenúa rápidamente con la distancia de la fuente.

En el rango de frecuencia de 1-100 kHz, los flujos oscilatorios generalmente se generan utilizando elementos piezoeléctricos que están unidos a un microcanal de polidimetilsiloxano (PDMS) sobre una cavidad diseñada^16,17. La membrana PDMS por encima de la cavidad estampada se comporta como una membrana vibratoria o tambor que presuriza el fluido dentro del canal. En este rango de frecuencia, la longitud de onda es mayor que el tamaño del canal, pero las amplitudes de velocidad de oscilación son pequeñas. El fenómeno más útil en este régimen de frecuencias es la generación de flujos de flujo acústicos/viscosos, que son flujos constantes rectificados causados por la no linealidad inherente al flujo de líquidos con inercia¹⁸. Los flujos de flujo constante generalmente se manifiestan como vórtices contrarrotatorios de alta velocidad en las cercanías de obstáculos, esquinas afiladas o microburbujas. Estos vórtices son útiles para mezclar^19,20 y separar partículas de 10 μm de tamaño de la corriente de flujo²¹.

Para frecuencias en el rango de 10-1000 Hz, tanto la velocidad del componente oscilatorio como su flujo viscoso constante asociado son considerables en magnitud y útiles. Los flujos oscilatorios fuertes en este rango de frecuencia se pueden utilizar para el enfoque inercial²², facilitar la generación^{de gotas 23} y pueden generar condiciones de flujo (números de Womersley) que imitan el flujo sanguíneo para estudios in vitro . Por otro lado, los flujos de transmisión son útiles para la mezcla, el atrapamiento de partículas y la manipulación. El flujo oscilatorio en este rango de frecuencias también se puede lograr utilizando un elemento piezoeléctrico unido al dispositivo como se describió anteriormente²³. Un obstáculo importante para implementar flujos oscilatorios a través de un elemento piezoeléctrico unido es que requiere que las características se diseñen de antemano. Además, los elementos del altavoz enlazados no son desmontables, y se debe unir un nuevo elemento a cada dispositivo²⁴. Sin embargo, tales dispositivos presentan la ventaja de ser compactos. Un método alternativo es el uso de una válvula de relé electromecánica²⁰. Estas válvulas requieren fuentes de presión neumáticas y software de control personalizado para su operación y, por lo tanto, aumentan la barrera técnica para las pruebas y la implementación. Sin embargo, tales dispositivos permiten la aplicación de la amplitud y frecuencia de presión establecidas.

En este artículo, se describe la construcción, operación y caracterización de un método fácil de usar para generar flujos oscilatorios en el rango de frecuencia de 10-1000 Hz en microcanales. El método ofrece numerosas ventajas, como un montaje rentable, facilidad de operación y listo para interactuar con canales microfluídicos estándar y accesorios como bombas de jeringa y tubos. Además, en comparación con enfoques similares anteriores²⁵, el método ofrece al usuario un control selectivo e independiente de las frecuencias y amplitudes de oscilación, incluida la modulación entre formas de onda sinusoidales y no sinusoidales. Estas características permiten a los usuarios implementar fácilmente flujos oscilatorios y, por lo tanto, facilitan la adopción generalizada en una amplia gama de tecnologías y aplicaciones microfluídicas actualmente existentes en los campos de la biología y la química.