In der Mikrofluidik ist es unerlässlich, dass Geräte eine stabile und gut charakterisierte Oberfläche aufweisen, insbesondere wenn sie für biomedizinische Anwendungen eingesetzt werden. Wir klassifizieren Beschichtungen im Allgemeinen in zwei Gruppen: kovalente und adsorptive. In dieser Übersicht stellen wir die relevantesten Beschichtungen vor, die in der Mikrofluidik für verschiedene Materialien verwendet werden.
Welche Parameter beeinflussen die Wahl der Beschichtung?
Das Fluid, das durch die Kanäle Ihres Geräts fließt, steht über die Wände in engerem Kontakt mit der Oberfläche und reagiert daher sehr empfindlich auf deren Chemie. Über die Chemie hinaus spielt das Material eine extrem wichtige Rolle (die Application Note zu den verschiedenen Polymeren für die Mikrofabrikation von mikrofluidischen Chips finden Sie hier), da sein Verhalten gegenüber der Oberflächenbehandlung ein entscheidender Faktor ist.
Sie müssen dann – natürlich abhängig von der Anwendung – das gewünschte Ergebnis bestimmen. Die Beschichtung fällt je nachdem unterschiedlich aus, ob Sie Zellen an der Oberfläche anbringen oder einfach ein Fluid fließen lassen möchten, um am Auslass Tropfen zu bilden.
Schließlich muss ein weiterer Parameter berücksichtigt werden: die Oberflächenspannung. Die Skalenänderung durch Miniaturisierung führt zu Verschiebungen in der relativen Bedeutung physikalischer Phänomene, die normalerweise auf makroskopischer Skala auftreten. Daher sind Oberflächeneffekte in der Mikrofluidik von Bedeutung und können nicht vernachlässigt werden. Das Verhältnis von Oberflächenkräften zu Volumenkräften entwickelt sich proportional zum Kehrwert der charakteristischen Länge des Systems. Seine Relevanz im Mikrometerbereich kann zum Auftreten bestimmter Phänomene wie der Rayleigh-Plateau-Instabilität führen. Kurz gesagt besagt die Instabilität nach Rayleigh-Plateau (Abbildung 1), dass sich ein Fluiddylinder verformt und spontan fragmentiert, um seine Oberflächenenergie zu senken. Ganz allgemein ist der Film instabil und wellt sich bei einer bestimmten Wellenlänge. Diese Wellen wachsen weiter an und lösen sich schließlich in mehrere Tröpfchen auf. Der Endzustand der Instabilität ist bisweilen eine Abfolge kleiner Tropfen, die als „Satelliten“ bezeichnet werden.
Nachdem alle zu berücksichtigenden Parameter besprochen wurden, werden nun die verschiedenen Beschichtungsarten im Detail vorgestellt.
Die verschiedenen Beschichtungsarten
Kovalente Beschichtungsstrategien
Kovalente Beschichtungen zeichnen sich durch eine chemische Bindung aus, die zwischen einer funktionellen Gruppe auf der Substratoberfläche – d. h. den Wänden der mikrofluidischen Kanäle – und einer funktionellen Gruppe des verwendeten Beschichtungsmittels gebildet wird. Kovalente Beschichtungen werden wegen ihrer hervorragenden Stabilität geschätzt. Da sie jedoch an die verfügbare Oberflächenfunktionalität des verwendeten Materials angepasst werden müssen, sind universelle Strategien im Vergleich zu anderen Oberflächenbehandlungsmethoden schwieriger anzuwenden.
Kovalente Beschichtungsstrategien für PDMS
Eine häufig genutzte Strategie der kovalenten Bindung besteht darin, Alkoxysilan-Derivate über hydroxylgruppenhaltige Oberflächen zu verknüpfen, wodurch Siloxanbindungen entstehen. Diese Methode wurde ursprünglich für Glas- und Siliziumoberflächen entwickelt. Heute wird sie auch in mikrofluidischen Geräten auf PDMS-Basis eingesetzt. Der echte Vorteil dieser Technik liegt darin, dass die Bindung über eine bis drei Alkoxygruppen des reagierenden Silans erfolgen kann. Dies ermöglicht eine korrekte Ausrichtung und stabile Vernetzung an der Oberfläche. Darüber hinaus lässt sich die Funktionalität des Silans anpassen, um die gewünschte chemische Reaktivität zu erzielen.
Kovalente Beschichtungsstrategien für PMMA
Zahlreiche Aktivierungs- und Oberflächenkopplungsverfahren, die ein breites Spektrum an Funktionalitäten ermöglichen, wurden für PMMA entwickelt. Sie bestehen hauptsächlich darin, Amin-Funktionalitäten auf den PMMA-Oberflächen einzuführen (siehe Abbildung 2). Ein Beispiel ist die Beschichtung mit Poly(ethylenimin) (PEI), einem Aminpolymer, das bekanntermaßen die Antikörperbindung an der PMMA-Oberfläche verstärkt [Bai et al., 2006 Langmuir].
Ein weiteres Beispiel für die Oberflächenbehandlung von PMMA mit Amin-Funktionalitäten ist die Aktivierung lithiierter Diamine zur Bindung von Alkylcyanaten an PMMA [Henry et al., 2000 Analytical Chemistry]. Diese Methode wurde von Hashimoto et al. [2005 Analytical Chemistry, 2006 Biosensors & Bioelectronics] verwendet, um den Nachweis von Einzelbasen-DNA-Mutationen zu verbessern.
Kovalente Beschichtungsstrategien für Polycarbonat
Ein Ansatz für die kovalente Bindung auf Polycarbonat beinhaltet die Erzeugung von Carboxylgruppen auf der Oberfläche. So kann eine UV-/Ozon-Behandlung genutzt werden, um COOH-Gruppen zur Bindung von Aminogruppen mittels Carbodiimid-Aktivierung zu induzieren [Li et al., 2007 Analytical Chemistry].
Der vorgenannte Ansatz, der bei PMMA gute Ergebnisse erzielt hat, lässt sich auch für Polycarbonat anwenden [Hashimoto et al. 2005 Analytical Chemistry, 2006 Biosensors & Bioelectronics]. Die Oberflächenaktivierung mit lithiierten Diaminen kann bei Polycarbonat zudem für die DNA-Kopplung auf mikrofluidischen Oberflächen eingesetzt werden, um Einzelbasenpaar-Mutationen nachzuweisen und somit Polymerase-Kettenreaktion(PCR)-Anwendungen zu verbessern [Abdallah and Ros, 2013].
Strategien für kovalente Beschichtungen von Glas
Siliziumdioxid- oder SiO2-Oberflächen sind zweifellos die am intensivsten erforschten Oberflächen für mikrofluidische Anwendungen. Tatsächlich eignen sich ihre Oberflächen Eigenschaften für eine Vielzahl von Applikationen wie Mikrofluidik, Kapillarchromatographie oder Kapillarelektrophorese. Glas, Quarzglas und Quarz können alle unter Verwendung derselben Kopplungschemie derivatisiert werden.
Die Silanolgruppen auf den Oberflächen von SiO2 reagieren mit den Alkoxysilanen unter Bildung einer stabilen kovalenten Bindung. Silane, die denen ähneln, welche bei PDMS verwendet werden, kommen auch für SiO2 zum Einsatz und erzeugen kovalente Reaktionen zur Bindung an andere Einheiten, abhängig von der verwendeten Silan-Kopfgruppe [Abdallah and Ros, 2013].
Eine leicht abweichende Anwendung der Silanisierung lässt sich nutzen, um Antikörper auf Glasperlen zu immobilisieren, um Pathogene in einem Mikrokanal nachzuweisen [Lee et al., 2006 Bull. Korean Chem. Soc.].
Strategien für adsorptive Beschichtungen in der Mikrofluidik
Adsorptionsstrategien basieren auf intramolekularen Wechselwirkungen zwischen dem Beschichtungsmaterial und der Substratoberfläche. Sie können durch verschiedene Mechanismen vermittelt werden, wie etwa elektrostatische Wechselwirkungen, Van-der-Waals-Kräfte und/oder hydrophobe Wechselwirkungen. Ein wesentlicher Vorteil dieser Beschichtungen ist ihre einfache Handhabung, da die Mikrokanäle in der Regel lediglich für einen bestimmten Zeitraum mit einer das Beschichtungsmittel enthaltenden Lösung inkubiert werden müssen. Adsorptive Beschichtungen sind weit verbreitet und stehen kovalenten Beschichtungen in Bezug auf die Vermeidung von Biofouling und unspezifischer Adsorption sowie als Bindungsmoleküle für eine verbesserte biomolekulare Fixierung in nichts nach.
Proteinbeschichtung in der Mikrofluidik
Die Proteinbeschichtung ist ein sehr beliebter und weit verbreiteter Ansatz zur Beschichtung von mikrofluidischen Kanaloberflächen. So wird beispielsweise in klassischer Weise die Beschichtung mit Rinderserumalbumin (BSA) in der Molekularbiologie seit mehreren Jahrzehnten eingesetzt, um Oberflächenstellen gegen unspezifische Adsorption zu blockieren.
Streptavidin wird häufig als Bindungsmolekül verwendet, da es eine extrem hohe Affinität zur Bindung von Biotin aufweist. Die Biotin-Streptavidin-Bindung ist nahezu kovalent, und das kleine Biotinmolekül lässt sich leicht mit anderen Bindungsmolekülen oder Proteinen derivatisieren [Abdallah and Ros, 2013]. Daher findet dieses Bindungspaar breite Anwendung in den Natur- und Lebenswissenschaften und kann auch in Adsorptionsstrategien für mikrofluidische Oberflächenbeschichtungen eingesetzt werden. Die Verwendung eines Streptavidin-Derivats, NeutrAvidin, stellt eine Methode dar, um PDMS unkompliziert zu beschichten [Linder et al., 2001 Analytical Chemistry].
Adsorptive Polymerbeschichtungen in der Mikrofluidik
Die Wahl des BeschichtungspolyMERS hängt aufgrund variierender Oberflächenwechselwirkungen zwischen den Materialien stark von der jeweiligen mikrofluidischen Oberfläche ab. Sie eignet sich für zahlreiche Anwendungen, und da Glas, Silica und PDMS eine ähnliche Oberflächenchemie aufweisen, lassen sich vergleichbare polymerbasierte Beschichtungsstrategien anwenden.
Es hat sich gezeigt, dass dynamische Beschichtungsmethoden als stabiler angesehen werden können als eine statische Immobilisierung. Bei dieser Methode wird die Oberfläche des Substrats kontinuierlich mit Beschichtungsmaterial erneuert. Darüber hinaus wurden verschiedene polymere mikrofluidische Materialien Gegenstand dynamischer Beschichtungsverfahren.
Im Falle von PMMA wurde beispielsweise berichtet, dass die dynamische Adsorbensbeschichtung aus Cellulose die langfristige Nutzung (mehr als 100 Durchläufe) eines einzigen mikrofluidischen Chips für die DNA-Elektrophorese ermöglicht [Abdallah and Ros, 2013].
Polyelektrolyt-Multischichten in der Mikrofluidik
Polyelektrolyt-Multischichten (PEM) werden für verschiedene Anwendungen eingesetzt. Diese Methode zeichnet sich dadurch aus, dass Wechselwirkungskräfte zwischen der Beschichtung und der Substratoberfläche über elektrostatische Wechselwirkungen übertragen werden. Dies gewährleistet deren Stabilität. Der Vorteil dieses Verfahrens liegt darin, dass es im Vergleich zu anderen physikalischen Adsorptionsstrategien eine deutlich höhere Lebensdauer bieten kann.
Weitere Beschichtungsstrategien in der Mikrofluidik
Die beiden oben genannten Kategorien (kovalente und adsorptive Beschichtung) umfassen einen Großteil der für mikrofluidische Chips verfügbaren Oberflächenbehandlungen. Es gibt jedoch noch weitere Ansätze zur Modifikation der Oberflächeneigenschaften mikrofluidischer Systeme, die im Folgenden kurz erläutert werden.
Die Einwirkung reaktiver Plasmagase kann Radikale erzeugen, welche die chemische Zusammensetzung einer Oberfläche verändern. So ist es in der Mikrofabrikation gängige Praxis, reaktive Sauerstoffspezies zu verwenden, um PDMS- und Glasoberflächen mittels UV- oder Plasmabehandlung (durch Sauerstoff oder Ozon) zu modifizieren. Meistens schließt sich an diese Art der Behandlung eine kovalente Beschichtung wie beispielsweise eine Silanisierung an.
Eine weitere Methode, die ebenfalls zum Einsatz kommen kann, ist das Metallaufdampfen bzw. -sputtern. So stellt das Aufdampfen und Aufbringen von Gold auf die Oberflächen von Mikrokanälen eine in der Mikrofluidik entwickelte Technik dar. Die goldbeschichteten Oberflächen dienen dabei als Template für selbstorganisierende Monolagen (SAMs), auf die Thiol-Kopfgruppen aufgebracht werden können [Abdallah and Ros, 2013].
Fazit
Oberflächenbeschichtungen sind für den Erfolg zahlreicher mikrofluidischer Systeme und für eine Vielzahl von Applikationen von entscheidender Bedeutung. Die Vielfalt an Materialien und Beschichtungsstrategien für mikrofluidische Werkstoffe ist enorm, weshalb hier nur einige wenige vorgestellt werden konnten. Mit den Parametern, die im ersten Teil dieses Übersichtsartikels umrissen wurden, sowie den kurz skizzierten Anwendungsbeispielen für die jeweiligen Beschichtungen verfügen Sie jedoch über alle Werkzeuge, um die ideale Beschichtung für Ihre mikrofluidische Plattform zu ermitteln.
Für weitere Informationen zu möglichen Anwendungen in Abhängigkeit von der jeweiligen Beschichtung verweisen wir auf die zitierten Artikel.
