Assemblage et caractérisation d’un pilote externe pour la génération d’un flux oscillatoire submillétz dans des microcanaux

Le contrôle précis du débit de liquide dans les microcanaux est crucial pour les applications de laboratoire sur puce telles que la production de gouttelettes et l’encapsulation¹, le mélange ^2,3 et le tri et la manipulation des particules en suspension ^4,5,6,7. La méthode principalement utilisée pour le contrôle du débit est une pompe à seringue qui produit des débits stables hautement contrôlés distribuant soit un volume fixe de liquide, soit un débit volumétrique fixe, souvent limité à un débit entièrement unidirectionnel. Les stratégies alternatives pour produire un écoulement unidirectionnel comprennent l’utilisation de la tête gravitationnelle⁸, des forces^{capillaires 9} ou du flux électro-osmotique¹⁰. Les pompes à seringue programmables permettent un contrôle bidirectionnel dépendant du temps des débits et des volumes distribués, mais sont limitées à des temps de réponse supérieurs à 1 s en raison de l’inertie mécanique de la pompe à seringue.

Le contrôle des flux à des échelles de temps plus courtes déverrouille une pléthore^de 6,11,12,13,14,15 de possibilités autrement inaccessibles en raison de changements qualitatifs dans la physique des écoulements. Le moyen le plus pratique d’exploiter cette physique des écoulements variée est à travers des ondes acoustiques ou des écoulements oscillatoires avec des périodes allant de ^10-1-10-9 s ou^{10 1} -10⁹ Hz. L’extrémité supérieure de cette gamme de fréquences est accessible à l’aide de dispositifs à ondes acoustiques en vrac (BAW; 100 kHz-10 MHz) et à ondes acoustiques de surface (SAW; 10 MHz-1 GHz). Dans un dispositif BAW typique, l’ensemble du substrat et la colonne de fluide sont vibrés en appliquant un signal de tension à travers un piézoélectrique lié. Cela permet des débits relativement élevés, mais entraîne également un chauffage à des amplitudes plus élevées. Dans les dispositifs SAW, cependant, l’interface solide-liquide est oscillée en appliquant une tension à une paire d’électrodes interdigitées modelées sur un substrat piézoélectrique. En raison des longueurs d’onde très courtes (1 μm-100 μm), des particules aussi petites que 300 nm peuvent être manipulées avec précision par l’onde de pression générée dans les appareils SAW. Malgré la capacité de manipuler de petites particules, les méthodes SAW se limitent à la manipulation locale des particules puisque l’onde s’atténue rapidement avec la distance de la source.

Dans la gamme de fréquences 1-100 kHz, les écoulements oscillatoires sont généralement générés à l’aide d’éléments piézo-volatils qui sont liés à un microcanal de polydiméthylsiloxane (PDMS) au-dessus d’une cavité conçue^16,17. La membrane PDMS au-dessus de la cavité à motifs se comporte comme une membrane vibrante ou un tambour qui met sous pression le fluide dans le canal. Dans cette gamme de fréquences, la longueur d’onde est supérieure à la taille du canal, mais les amplitudes de vitesse d’oscillation sont faibles. Le phénomène le plus utile dans ce régime de fréquence est la génération d’écoulements acoustiques/visqueux, qui sont des écoulements réguliers rectifiés causés par la non-linéarité inhérente à l’écoulement des liquides à inertie¹⁸. Les flux de flux réguliers se manifestent généralement par des tourbillons contrarotatifs à grande vitesse à proximité d’obstacles, de virages serrés ou de microbulles. Ces vortex sont utiles pour mélanger^19,20 et séparer des particules de 10 μm du flux^{d’écoulement 21}.

Pour les fréquences comprises entre 10 et 1000 Hz, la vitesse de la composante oscillatoire et son écoulement visqueux constant associé sont d’une ampleur considérable et utiles. De forts écoulements oscillatoires dans cette gamme de fréquences peuvent être utilisés pour la focalisation inertielle²², faciliter la génération de gouttelettes²³ et peuvent générer des conditions d’écoulement (nombres de Womersley) qui imitent le flux sanguin pour les études in vitro . D’autre part, les flux de flux sont utiles pour le mélange, le piégeage des particules et la manipulation. L’écoulement oscillatoire dans cette gamme de fréquences peut également être réalisé à l’aide d’un élément piézoélectrique lié au dispositif comme décrit ci-dessus²³. Un obstacle important à la mise en œuvre d’écoulements oscillatoires à travers un élément piézoélectrique lié est qu’il nécessite que les caractéristiques soient conçues à l’avance. De plus, les éléments de haut-parleurs collés ne sont pas détachables et un nouvel élément doit être collé à chaque appareil²⁴. Cependant, de tels appareils présentent l’avantage d’être compacts. Une autre méthode consiste à utiliser une vanne à relais électromécanique²⁰. Ces vannes nécessitent des sources de pression pneumatiques et un logiciel de contrôle personnalisé pour le fonctionnement et augmentent donc la barrière technique aux tests et à la mise en œuvre. Néanmoins, de tels dispositifs permettent l’application de l’amplitude et de la fréquence de la pression définie.

Dans cet article, la construction, le fonctionnement et la caractérisation d’une méthode conviviale pour générer des flux oscillatoires dans la gamme de fréquences de 10 à 1000 Hz dans les microcanaux sont décrits. La méthode offre de nombreux avantages tels qu’un assemblage rentable, une facilité d’utilisation et une interface prête à être utilisée avec des canaux microfluidiques standard et des accessoires tels que des pompes à seringues et des tubes. De plus, par rapport aux approches similaires précédentes²⁵, la méthode offre à l’utilisateur un contrôle sélectif et indépendant des fréquences et des amplitudes d’oscillation, y compris la modulation entre les formes d’onde sinusoïdales et non sinusoïdales. Ces fonctionnalités permettent aux utilisateurs de déployer facilement des flux oscillatoires et, par conséquent, facilitent l’adoption généralisée dans un large éventail de technologies et d’applications microfluidiques actuellement existantes dans les domaines de la biologie et de la chimie.