In dieser Übersicht besprechen wir die verschiedenen Beschichtungsmethoden zur Erzeugung von Tröpfchen in einem mikrofluidischen Chip. Es gibt im Wesentlichen zwei Arten von Beschichtungen: hydrophobe und hydrophile. Unabhängig von der Art der aufzutragenden Beschichtung müssen zwei Parameter berücksichtigt werden: die physikalischen und chemischen Eigenschaften des Materials, aus dem der mikrofluidische Chip hergestellt ist, und ob Sie Öl-in-Wasser-Tröpfchen oder Wasser-in-Öl-Tröpfchen erzeugen möchten.
Warum ist die Benetzbarkeit meines Chips wichtig?
Um Tröpfchen effizient zu erzeugen, muss die kontinuierliche Phase die Wände des mikrofluidischen Chips effektiv benetzen. Nehmen wir das Beispiel von Wasser-in-Öl-Tröpfchen (w/o): Da Öl die kontinuierliche Phase ist, sollten die Kanäle hydrophil sein, damit das Öl die Wände benetzt.
Materialien in der Mikrofluidik und gängige Beschichtungen
PDMS
Das beliebteste Biomaterial in der Mikrofluidik ist natürlich PDMS. Seine zahlreichen physikochemischen Eigenschaften, die mit Zellkultur und Mikrofabrikation kompatibel sind, haben es äußerst beliebt gemacht. Unter seinen vielen Eigenschaften werden wir uns auf seine stark hydrophobe Natur konzentrieren, die Konsequenzen für die tröpfchenbasierte Mikrofluidik hat und PDMS zu einem idealen Material für die Erzeugung von Wasser-in-Öl-Tröpfchen (w/o) macht.
Hydrophobe Beschichtungen
Um die Hydrophobie von PDMS zu verstärken, wird die Verwendung eines Regenabweisers wie Aquapel® oder die Silanisierung des Substrats empfohlen.
Die Silanisierung besteht aus der Reaktion zwischen Silanolgruppen auf SiO2-Oberflächen und Alkoxysilanen, wodurch eine stabile kovalente Bindung gebildet wird. Silane werden für SiO2 eingesetzt, und nachfolgende kovalente Reaktionen zur Bindung anderer Einheiten finden je nach der verwendeten Silankopfgruppe statt. Die Verwendung von Silanen (und genauer gesagt von Fluorsilanen) ist bei der Erzeugung von Tröpfchen unter Verwendung von PDMS- oder Glas-Mikrofluidikgeräten gängige Praxis.
Aquapel® ist ursprünglich ein Regenabweiser, der Materialien wie Glas vollständig hydrophob macht. Daher eignet es sich besonders gut für die Erzeugung von Wasser-in-Öl-Tröpfchen mit mikrofluidischen Glasgeräten oder um PDMS noch hydrophober zu machen. Tatsächlich kann auch jeder andere silikon- und isopropanolhaltige Regenabweiser wie zum Beispiel TurtleWax® verwendet werden. In der Praxis müssen die Kanäle zuerst mit dem Regenabweiser gefüllt und 1 Minute lang ruhen gelassen werden. Danach wird empfohlen, mit Luft zu spülen. Die Kanäle sollten ein zweites Mal mit dem Regenabweiser gefüllt werden (1 Min.). Erneut mit Luft spülen. Das Öl, in dem die Tröpfchen erzeugt werden, kann zum ordnungsgemäßen Spülen der Kanäle verwendet werden, um eventuelle Aquapel-Rückstände zu entfernen (ein wichtiger Schritt zur Minimierung der Zytotoxizität bei der Arbeit mit Zellen). Erneut mit Luft spülen und das behandelte PDMS-Gerät anschließend für 10 Minuten in einen 85 °C warmen Ofen geben, um es vollständig zu trocknen.
Hydrophile Beschichtungen
Aufgrund seiner hohen Hydrophobie verhindert PDMS ohne vorherige Oberflächenbehandlung die Bildung von Öl-in-Wasser-Tröpfchen (o/w) vollständig. Die Erzeugung von Öl-in-Wasser-Tröpfchen ist jedoch für eine Vielzahl von Anwendungen erforderlich, wie etwa die Verkapselung einzelner Zellen in Doppel emulsions sowie die Bildung von Vesikeln oder anderen Modellmembranen, um nur einige zu nennen. Um diesem Bedarf gerecht zu werden, PDMS hydrophil zu machen, wurden verschiedene Techniken entwickelt, wie zum Beispiel UV- oder Plasmabestrahlungen, eine Beschichtung mit einem hydrophilen Polymer oder die Einarbeitung eines amphiphilen Surfactants in die PDMS-Matrix.
Genauer gesagt besteht die Technik der UV- oder Plasmabestrahlung in der Oxidation der Polymeroberfläche durch Plasmabestrahlung oder ultraviolettes Licht (UV). Die Modifikation durch Sauerstoff zeigt eine hydrophile Stabilität im Bereich von 2 Tagen bei einer Leistung von 150 W und einer Expositionszeit von 15 min.
Für die Beschichtung mit einem hydrophilen Polymer basiert das Verfahren darauf, die Kanäle unmittelbar nach der Plasmabehandlung mit PVA zu beschichten. Es wird empfohlen, die Oberfläche zu modifizieren, indem die oxidierten PDMS-Oberflächen 10 Minuten lang einem PVA-Plasma (1 Gew.-% in Wasser) ausgesetzt werden. O2-Plasma erzeugt alkoholische Hydroxylgruppen (C–OH), Silanole (Si–OH) und Carbonsäuren (COOH), die Wasserstoffbrückenbindungen zwischen den PVA-Molekülen und den aktivierten PDMS-Oberflächen ermöglichen, was zu dauerhaft hydrophilisierten Oberflächen führt. Darüber hinaus wird ein mehrschichtiger PVA-Aufbau durch hydrophobe Wechselwirkungen zwischen den Hauptkettengruppen (–CH2–CH–) und intermolekularen Wasserstoffbrückenbindungen der γ-OH-Hydroxylgruppen zwischen dem adsorbierten PVA nach dem Trocknen der PDMS-Oberfläche und der PVA-Kette in wässriger Lösung begünstigt.
Die Einarbeitung eines amphiphilen Tensids in die PDMS-Masse erfolgt, indem das Tensid während der Polymerisation der Mischung aus PDMS-Basis und Vernetzer zugegeben wird, um ein hydrophiles Poly(dimethylsiloxan-ethylenoxid-Polymer) (PEO-PDMS) zu erzeugen. Die Hydrophilie bleibt zwei Monate lang stabil und variiert danach leicht. Angesichts des Preises des Tensids ist die Anwendung dieses Verfahrens für die routinemäßige Herstellung microfluidischer Chips jedoch langfristig nicht nachhaltig.
🧠Was Sie beachten müssen:
• Aquapel® ist ein Regioabweiser, der Materialien wie Glas vollständig hydrophob macht, wodurch er sich für die Erzeugung von Wasser-in-Öl-Tröpfchen mit microfluidischen Glas-Chips eignet oder um PDMS noch hydrophober zu machen. Es wird empfohlen, die Kanäle mit dem Regioabweiser zu füllen, 1 Minute einwirken zu lassen, mit Luft zu spülen und den Vorgang zu wiederholen. Um den Chip zu trocknen, können Sie ihn zur vollständigen Trocknung 10 Minuten lang bei 85 °C in einem Ofen erhitzen.
• UV- oder Plasmabestrahlung ist eine Technik, die verwendet wird, um PDMS durch Oxidation der Polymeroberfläche mittels Plasmabestrahlung oder ultraviolettem Licht (UV) hydrophil zu machen. Es hat sich gezeigt, dass diese Modifikation eine stabile Hydrophilie über einen Zeitraum von etwa 2 Tagen ermöglicht.
• Die PVA-Beschichtung ist eine weitere Methode, um PDMS-Oberflächen hydrophil zu machen. Sie beinhaltet die Beschichtung von Kanälen mit PVA unmittelbar nach der Plasmabehandlung und das Aussetzen der oxidierten PDMS-Oberflächen für 10 Minuten gegenüber einem 1 gewichtsprozentigen PVA-Plasma in Wasser.
• Amphiphile Tenside werden ebenfalls verwendet, um hydrophiles PDMS zu erzeugen, indem sie der Mischung aus PDMS-Basis und Vernetzer während der Polymerisation zugesetzt werden. Angesichts des Preises dieser Tenside sind sie jedoch möglicherweise nicht für die routinemäßige Beschichtung von microfluidischen Chips geeignet.
COC, PC und PMMA
Kunststoffe sind ebenfalls mit vielen derselben Oberflächenbehandlungen wie PDMS und Glas kompatibel, was ihre Vielseitigkeit für Anwendungen erhöht, die eine Oberflächenfunktionalisierung erfordern. Die meisten im Handel erhältlichen Kunststoffe sind in ihrer Grundform hydrophob, was zur Adsorption von Molekülen führen und die Genauigkeit analytischer Messungen beeinflussen kann. Es wurden verschiedene Methoden beschrieben, um Kunststoffoberflächen hydrophiler zu machen [Lin et al. 2017, RSC Adv] oder ihre Hydrophobie zu verstärken.
Hydrophile Beschichtungen
Es wurden verschiedene Methoden beschrieben, um Kunststoffoberflächen hydrophiler zu machen, wie etwa Sauerstoffplasmagestütztes Ätzen und UV/Ozon-Exposition (UVO). In ihrer Arbeit aus dem Jahr 2017 zeigten Lin et al., dass UVO-behandeltes PMMA, COC und PC innerhalb von 4 Wochen eine hydrophobe Regeneration erfahren und die Geschwindigkeit dieses Prozesses von der Dauer der UVO-Behandlung abhängt. Darüber hinaus haben sie herausgefunden, dass die hydrophobe Regeneration von UVO-behandeltem COC und PC durch die Lagerung unter entfeuchteten oder vide-Bedingungen (vide) gehemmt werden kann.
Kürzlich wurde eine neue Art von hydrophiler Beschichtung entwickelt. Bei diesem Verfahren wird die Oberfläche mit einer PEG-ähnlichen Beschichtung modifiziert. Sowohl freiliegende Glas- als auch Polymeroberflächen (COC, Polycarbonat, PMMA) können mit dieser Substanz beschichtet werden. Die Beschichtung wird mithilfe der plasmaunterstützten chemischen Gasphasendeposition (PECVD) aufgebracht. Bei dieser Methode wird die Oberfläche mit einem sehr dünnen Film überzogen, der sich von einem gasförmigen Zustand (Dampf) in einen festen Zustand umwandelt [Micronit website].
Hydrophobe Beschichtungen
Hinsichtlich der Verstärkung der Hydrophobie von COC wurde eine hydrophobe 3D-Nanobeschichtung entwickelt, die zu einer verbesserten Hydrophobie von COC führt (Kontaktwinkel 125°). Darüber hinaus wurde nachgewiesen, dass die Nanobeschichtungen mit den typischen Bedingungen für das thermische Kompressionsbonden kompatibel sind [Surfix website].
Glas
Im Gegensatz zu hydrophoben Materialien ist es einfach, Öl-in-Wasser-Tröpfchen in Materialien wie Glas zu erzeugen. Daher ist eine Oberflächenbehandlung erforderlich, um effizient Wasser-in-Öl-Tröpfchen zu erzeugen (Abbildung 1) oder die Hydrophilie zu erhöhen, um Öl-in-Öl-in-Wasser-Tröpfchen zu erzeugen.
Abbildung 1: Bildung von Wasser-in-Öl-Tröpfchen und Öl-in-Wasser-Tröpfchen in einem microfluidischen Glas-Chip. Entnommen aus dem Droplet Chip User Guide von Dolomite-Microfluidics
Hydrophile Beschichtungen
Khoshmardan et al. berichteten 2019 über eine neue Technik zur Verbesserung der Hydrophilie eines microfluidischen Glas-Chips. Nanostäbchen werden auf der Oberfläche von Glas-microchannel abgeschieden, um die Kapillarkraft zu erhöhen. Die Außenflächen dieser Nanostäbchen tragen zum Kapillarphänomen bei und sind zudem hydrophil, da sie oxidiert sind und Fluidmoleküle anziehen, wodurch sich das Fluid leicht und schnell zwischen den Nanostäbchen bewegt. Die Fluidmoleküle bewegen sich von Nanostäbchen zu Nanostäbchen, sodass das Fluid im Inneren des microchannel auf dem Glas-Chip durch die Kapillarkraft leicht fließen kann.
Hydrophobe Beschichtungen
Schließlich gibt es zwei Hauptwege, um einen microfluidischen Glas-Chip hydrophob zu machen: die Verwendung eines Regioabweizers oder die Silanisierung, zwei der oben beschriebenen Methoden.
