Assemblaggio e caratterizzazione di un driver esterno per la generazione di flussi oscillatori sub-kilohertz in microcanali

Il controllo preciso della portata del liquido nei microcanali è fondamentale per le applicazioni lab-on-a-chip come la produzione di goccioline e l’incapsulamento¹, la miscelazione ^2,3 e lo smistamento e la manipolazione delle particelle sospese ^4,5,6,7. Il metodo prevalentemente utilizzato per il controllo del flusso è una pompa a siringa che produce flussi costanti altamente controllati che erogano un volume fisso di liquido o una portata volumetrica fissa, spesso limitata a un flusso interamente unidirezionale. Le strategie alternative per la produzione di flusso unidirezionale includono l’uso della testa gravitazionale⁸, delle forze capillari⁹ o del flusso elettro-osmotico¹⁰. Le pompe a siringa programmabili consentono un controllo bidirezionale dipendente dal tempo delle portate e dei volumi erogati, ma sono limitate a tempi di risposta superiori a 1 s a causa dell’inerzia meccanica della pompa a siringa.

Il controllo del flusso a scale temporali più brevi sblocca una pletora^di 6,11,12,13,14,15 di possibilità altrimenti inaccessibili a causa di cambiamenti qualitativi nella fisica del flusso. Il mezzo più pratico per sfruttare questa variegata fisica del flusso è attraverso onde acustiche o flussi oscillatori con periodi di tempo che vanno da ^10-1– ^10-9 s o 10¹ -10⁹ Hz. L’estremità superiore di questa gamma di frequenze è accessibile utilizzando dispositivi a onda acustica di massa (BAW; 100 kHz-10 MHz) e onde acustiche di superficie (SAW; 10 MHz-1 GHz). In un tipico dispositivo BAW, l’intero substrato e la colonna di fluido vengono vibrati applicando un segnale di tensione attraverso un piezoelettrico legato. Ciò consente rendimenti relativamente elevati, ma si traduce anche in riscaldamento ad ampiezze più elevate. Nei dispositivi SAW, tuttavia, l’interfaccia solido-liquido viene oscillata applicando tensione a una coppia di elettrodi interdigitati modellati su un substrato piezoelettrico. A causa delle lunghezze d’onda molto corte (1 μm-100 μm) particelle piccole come 300 nm possono essere manipolate con precisione dall’onda di pressione generata nei dispositivi SAW. Nonostante la capacità di manipolare piccole particelle, i metodi SAW sono limitati alla manipolazione delle particelle locali poiché l’onda si attenua rapidamente con la distanza dalla sorgente.

Nella gamma di frequenza 1-100 kHz, i flussi oscillatori sono solitamente generati utilizzando piezo-elementi che sono legati a un microcanale di polidimetilsilossano (PDMS) sopra una cavità progettata^16,17. La membrana PDMS sopra la cavità modellata si comporta come una membrana vibrante o un tamburo che pressurizza il fluido all’interno del canale. A questa gamma di frequenze, la lunghezza d’onda è maggiore della dimensione del canale, ma le ampiezze della velocità di oscillazione sono piccole. Il fenomeno più utile in questo regime di frequenza è la generazione di flussi di flusso acustico/viscoso, che sono flussi costanti rettificati causati dalla non linearità inerente al flusso di liquidi con inerzia¹⁸. I flussi di flusso costante si manifestano tipicamente come vortici controrotanti ad alta velocità in prossimità di ostacoli, spigoli vivi o microbolle. Questi vortici sono utili per miscelare^19,20 e separare particelle di dimensioni 10 μm dal flusso^{di flusso 21}.

Per le frequenze nell’intervallo 10-1000 Hz, sia la velocità della componente oscillatoria che il suo flusso viscoso costante associato sono considerevoli in grandezza e utili. Forti flussi oscillatori in questa gamma di frequenze possono essere utilizzati per la messa a fuoco inerziale²², facilitano la generazione di goccioline²³ e possono generare condizioni di flusso (numeri di Womersley) che imitano il flusso sanguigno per studi in vitro . D’altra parte, i flussi di streaming sono utili per la miscelazione, l’intrappolamento delle particelle e la manipolazione. Il flusso oscillatorio in questa gamma di frequenze può anche essere realizzato utilizzando un elemento piezoelettrico legato al dispositivo come descritto sopra²³. Un ostacolo significativo all’implementazione di flussi oscillatori attraverso un elemento piezoelettrico legato è che richiede che le caratteristiche siano progettate in anticipo. Inoltre, gli elementi degli altoparlanti incollati non sono staccabili e un nuovo elemento deve essere incollato a ciascun dispositivo²⁴. Tuttavia, tali dispositivi presentano il vantaggio di essere compatti. Un metodo alternativo consiste nell’utilizzare una valvola a relè elettromeccanica²⁰. Queste valvole richiedono sorgenti di pressione pneumatiche e software di controllo personalizzato per il funzionamento e quindi aumentano la barriera tecnica al collaudo e all’implementazione. Tuttavia, tali dispositivi consentono l’applicazione dell’ampiezza e della frequenza di pressione impostate.

In questo articolo, viene descritta la costruzione, il funzionamento e la caratterizzazione di un metodo user-friendly per generare flussi oscillatori nella gamma di frequenze di 10-1000 Hz nei microcanali. Il metodo offre numerosi vantaggi come l’assemblaggio economico, la facilità d’uso e la predisposizione per l’interfaccia con canali e accessori microfluidici standard come pompe a siringa e tubi. Inoltre, rispetto ai precedenti approcci simili²⁵, il metodo offre all’utente un controllo selettivo e indipendente delle frequenze e delle ampiezze di oscillazione, compresa la modulazione tra forme d’onda sinusoidali e non sinusoidali. Queste caratteristiche consentono agli utenti di implementare facilmente flussi oscillatori e, quindi, facilitano l’adozione diffusa in una vasta gamma di tecnologie e applicazioni microfluidiche attualmente esistenti nei campi della biologia e della chimica.