Recubrimientos hidrófilos e hidrófobos para la generación de gotas

En esta revisión, analizaremos los diferentes métodos de recubrimiento para generar gotitas en un dispositivo microfluídico. Existen principalmente dos tipos de recubrimiento: hidrófobo e hidrofílico. Independientemente del tipo de recubrimiento que se vaya a aplicar, hay que tener en cuenta dos parámetros: las propiedades físicas y químicas del material utilizado para fabricar el dispositivo microfluídico, y si se desea obtener gotitas de «aceite en agua» o de «agua en aceite».

¿Por qué es importante la humectabilidad de mi chip?

Para generar gotas de forma eficiente, la fase continua debe humedecer eficazmente las paredes del dispositivo microfluídico. Tomemos como ejemplo las gotas de agua en aceite (w/o): dado que el aceite es la fase continua, los canales deben ser hidrofílicos para que el aceite humedezca las paredes.

Materiales utilizados en microfluídica y recubrimientos habituales

PDMS

El biomaterial más utilizado en microfluídica es, por supuesto, el PDMS. Sus numerosas propiedades fisicoquímicas, compatibles con el cultivo celular y la microfabricación, lo han convertido en un material muy popular. Entre sus muchas propiedades, nos centraremos en su naturaleza altamente hidrofóbica, que tiene implicaciones para la microfluídica basada en gotas y convierte al PDMS en un material ideal para la generación de gotas de agua en aceite (w/o).

Recubrimientos hidrofóbicos

Para reforzar la hidrofobicidad del PDMS, se recomienda utilizar un repelente de lluvia, como Aquapel®, o silanizar el sustrato.

La silanización consiste en la reacción entre los grupos silanol presentes en las superficies_{de SiO₂}y los alcoxisilanos, lo que da lugar a un enlace covalente estable. Los silanos se emplean para_{el SiO₂}, y las reacciones covalentes posteriores para unir otras entidades se producen en función del grupo terminal del silano empleado. El uso de silanos (y, más concretamente, de fluorosilanos) es habitual en la generación de gotitas cuando se utilizan dispositivos microfluídicos de PDMS o de vidrio.

Aquapel® es, en origen, un repelente de lluvia que convierte materiales como el vidrio en completamente hidrofóbicos. Por lo tanto, resulta especialmente adecuado para generar gotas de agua en aceite con dispositivos microfluídicos de vidrio o para hacer que el PDMS sea aún más hidrofóbico. De hecho, también se puede utilizar cualquier otro repelente de lluvia que contenga silicona e isopropanol, como, por ejemplo, TurtleWax®. En la práctica, primero hay que llenar los canales con el repelente de lluvia y dejarlo reposar durante 1 minuto. A continuación, se recomienda enjuagar con aire. Los canales deben llenarse con el repelente de lluvia por segunda vez (1 min). Enjuagar de nuevo con aire. El aceite en el que se generan las gotas puede utilizarse para enjuagar adecuadamente los canales y eliminar cualquier residuo de Aquapel (un paso importante para minimizar la citotoxicidad cuando se trabaja con células). Enjuagar de nuevo con aire y, a continuación, colocar el dispositivo de PDMS tratado en un horno a 85 °C durante 10 minutos para que se seque por completo.

Recubrimientos hidrofílicos

Debido a su elevada hidrofobicidad, el PDMS impide por completo la formación de gotitas de aceite en agua (o/w) sin necesidad de un tratamiento superficial previo. Sin embargo, la generación de gotitas de aceite en agua es necesaria para una amplia variedad de aplicaciones, como la encapsulación de células individuales en emulsiones dobles y la formación de vesículas u otras membranas modelo, por citar algunas. Para satisfacer esta necesidad de hacer que el PDMS sea hidrófilo, se han desarrollado varias técnicas, como la irradiación con rayos UV o plasma, el recubrimiento con un polímero hidrófilo o la incorporación de un tensioactivo anfifílico en la masa del PDMS.

Para ser más precisos, la técnica de irradiación con rayos UV o plasma consiste en la oxidación de la superficie del polímero mediante irradiación con plasma o rayos ultravioleta (UV). La modificación con oxígeno muestra estabilidad hidrofílica durante un periodo de 2 días con una potencia de 150 W y un tiempo de exposición de 15 minutos.

Para el recubrimiento con un polímero hidrofílico, el método consiste en recubrir los canales con PVA inmediatamente después del tratamiento con plasma. Se recomienda modificar la superficie exponiendo las superficies de PDMS oxidadas a un plasma de PVA al 1 % en peso en agua durante 10 minutos. El plasma de O₂ genera grupos hidroxilo alcohólicos (C–OH), silanoles (Si–OH) y ácidos carboxílicos (COOH), que permiten la formación de enlaces de hidrógeno entre las moléculas de PVA y las superficies de PDMS activadas, lo que da lugar a superficies hidrofílicas de forma permanente. Además, el ensamblaje de múltiples capas de PVA se ve facilitado por las interacciones hidrofóbicas entre los grupos de la cadena principal (–CH₂–CH–) y los enlaces de hidrógeno intermoleculares de los grupos hidroxilo γ–OH entre el PVA absorbido tras el secado de la superficie de PDMS y la cadena de PVA en solución acuosa.

La incorporación de un tensioactivo anfifílico en la masa de PDMS consiste en añadir dicho tensioactivo a la mezcla de la base de PDMS y el agente de curado durante la polimerización, con el fin de crear un polímero hidrofilico de polidimetilsiloxano-óxido de etileno (PEO-PDMS). La hidrofilia se mantendrá estable durante dos meses y, posteriormente, variará ligeramente. Sin embargo, dado el precio del tensioactivo, el uso de este método para el relleno rutinario de dispositivos microfluídicos resulta insostenible a largo plazo.

COC, PC y PMMA

Los plásticos también son compatibles con muchos de los mismos tratamientos superficiales que el PDMS y el vidrio, lo que aumenta su versatilidad para aplicaciones que requieren la funcionalización de la superficie. La mayoría de los plásticos disponibles en el mercado son hidrófobos en su forma natural, lo que puede provocar la adsorción de moléculas e influir en la precisión de las mediciones analíticas. Se han descrito diversos métodos para hacer que las superficies plásticas sean más hidrofílicas [Lin et al. 2017, RSC Adv] o para reforzar su hidrofobicidad.

Recubrimientos hidrofílicos

Se han descrito diversos métodos para aumentar la hidrofilia de las superficies plásticas, como el grabado con plasma de oxígeno y la exposición a rayos UV y ozono (UVO). En su trabajo, Lin et al. demostraron en 2017 que el PMMA, el COC y el PC tratados con UVO experimentan una recuperación hidrofóbica en un plazo de 4 semanas y que la velocidad a la que se produce depende de la duración del tratamiento con UVO. Además, han descubierto que la recuperación hidrofóbica del COC y el PC tratados con UVO puede inhibirse almacenándolos en condiciones deshumidificadas o de « vide ».

Recientemente se ha desarrollado un nuevo tipo de recubrimiento hidrofílico. En este proceso, la superficie se modifica mediante un recubrimiento similar al PEG. Tanto las superficies de vidrio expuestas como las de polímero (COC, policarbonato, PMMA) pueden recubrirse con esta sustancia. El recubrimiento se aplica mediante la técnica de deposición química en fase de vapor asistida por plasma (PECVD). En este método, la superficie se recubre con una película muy fina que pasa del estado gaseoso (vapor) al estado sólido [página webMicronit ].

Recubrimientos hidrofóbicos

En cuanto al refuerzo de la hidrofobicidad del COC, se ha desarrollado un nanorrevestimiento hidrofóbico tridimensional que permite aumentar la hidrofobicidad del COC (ángulo de contacto de 125°). Además, se ha demostrado que los nanorrevestimientos son compatibles con las condiciones habituales de la unión por compresión térmica [página web de Surfix].

Vidrio

A diferencia de los materiales hidrofóbicos, en materiales como el vidrio resulta fácil generar gotas de «aceite en agua». Por lo tanto, será necesario realizar un tratamiento superficial para generar de forma eficaz gotas de «agua en aceite» (Figura 1) o para aumentar la hidrofilia con el fin de generar gotas de «aceite en aceite en agua».  

Figura 1: Formación de una gota de agua en aceite y de una gota de aceite en agua en un dispositivo microfluídico de vidrio. Extraído de la Guía del usuario del «Droplet Chip» de Dolomite-Microfluidics.

Recubrimientos hidrofílicos

Khoshmardan et al. describieron en 2019 una nueva técnica para mejorar la hidrofilia de un dispositivo microfluídico de vidrio. Se depositan nanobarras sobre la superficie del microcanal de vidrio con el fin de potenciar la fuerza capilar. Las superficies exteriores de estas nanobarras contribuyen al fenómeno capilar y, por otra parte, son hidrófilas debido a su oxidación, lo que hace que atraigan las moléculas del fluido; de este modo, el fluido se desplaza fácil y rápidamente entre las nanobarras. Las moléculas del fluido se desplazan de una nanobarra a otra y, por lo tanto, el fluido del interior del microcanal del chip de vidrio puede fluir fácilmente gracias a la fuerza capilar.

Recubrimientos hidrofóbicos

Por último, existen dos formas principales de conferir hidrofobicidad a un dispositivo microfluídico de vidrio: el uso de un repelente de lluvia o la silanización, dos métodos descritos anteriormente.