Rivestimenti idrofili e idrofobi per la generazione di gocce

In questa rassegna, analizzeremo i diversi metodi di rivestimento utilizzati per generare goccioline in un dispositivo microfluidico. Esistono principalmente due tipi di rivestimento: idrofobico e idrofilo. Indipendentemente dal tipo di rivestimento da applicare, occorre tenere conto di due parametri: le proprietà fisiche e chimiche del materiale utilizzato per la fabbricazione del dispositivo microfluidico e il fatto che si desideri ottenere goccioline di tipo “olio in acqua” o “acqua in olio”.

Perché la bagnabilità del mio chip è importante?

Per generare goccioline in modo efficiente, la fase continua deve bagnare efficacemente le pareti del dispositivo microfluidico. Prendiamo l’esempio delle goccioline di tipo acqua-in-olio (w/o): essendo l’olio la fase continua, i canali dovrebbero essere idrofili in modo che l’olio bagni le pareti.

Materiali utilizzati nella microfluidica e rivestimenti più diffusi

PDMS

Il biomateriale più diffuso nella microfluidica è ovviamente il PDMS. Le sue numerose proprietà fisico-chimiche, compatibili con la coltura cellulare e la microfabbricazione, ne hanno determinato il grande successo. Tra le sue numerose proprietà, ci concentreremo sulla sua natura altamente idrofobica, che ha implicazioni per la microfluidica basata sulle goccioline e rende il PDMS un materiale ideale per la generazione di goccioline di tipo acqua-in-olio (w/o).

Rivestimenti idrofobici

Per potenziare l'idrofobicità del PDMS, si consiglia di utilizzare un prodotto idrorepellente come Aquapel® oppure di silanizzare il substrato.

La silanizzazione consiste nella reazione tra i gruppi silanolo presenti sulle superfici_{di SiO₂}e gli alcossisilani, con la formazione di un legame covalente stabile. I silani vengono impiegati per_{il SiO₂}, e le successive reazioni covalenti per il legame con altre entità avvengono a seconda del gruppo terminale del silano utilizzato. L’uso dei silani (e più precisamente dei fluorosilani) è comunemente impiegato nella generazione di goccioline quando si utilizzano dispositivi microfluidici in PDMS o in vetro.

Aquapel® è originariamente un repellente per la pioggia che rende materiali come il vetro completamente idrofobici. È quindi particolarmente indicato per la generazione di goccioline d’acqua in olio con dispositivi microfluidici in vetro o per rendere il PDMS ancora più idrofobico. In realtà, è possibile utilizzare anche qualsiasi altro repellente per la pioggia contenente silicone e isopropanolo, come ad esempio TurtleWax®. In pratica, i canali devono essere prima riempiti con il repellente per la pioggia e lasciati riposare per 1 minuto. Successivamente, si raccomanda di risciacquarli con aria. I canali devono essere riempiti con il repellente per la pioggia una seconda volta (1 min). Risciacquare nuovamente con aria. L’olio in cui vengono generate le goccioline può essere utilizzato per risciacquare accuratamente i canali e rimuovere eventuali residui di Aquapel (un passaggio importante per ridurre al minimo la citotossicità quando si lavora con le cellule). Risciacquare nuovamente con aria, quindi collocare il dispositivo in PDMS trattato in un forno a 85 °C per 10 minuti affinché si asciughi completamente.

Rivestimenti idrofili

A causa della sua elevata idrofobicità, il PDMS impedisce completamente la formazione di goccioline di olio in acqua (o/w) senza alcun trattamento superficiale preliminare. Tuttavia, la generazione di goccioline di olio in acqua è necessaria per un’ampia varietà di applicazioni, quali l’incapsulamento di singole cellule in doppie emulsioni e la formazione di vescicole o altre membrane modello, solo per citarne alcune. Per soddisfare questa esigenza di rendere il PDMS idrofilo, sono state sviluppate diverse tecniche, quali l’irradiazione con raggi UV o plasma, il rivestimento con un polimero idrofilo o l’incorporazione di un tensioattivo anfifilico nella massa del PDMS.

Per essere più precisi, la tecnica di irradiazione con raggi UV o plasma consiste nell’ossidazione della superficie polimerica mediante irradiazione con plasma o raggi ultravioletti (UV). La modifica con ossigeno mostra una stabilità idrofila nell’arco di 2 giorni a una potenza di 150 W e un tempo di esposizione di 15 minuti.

Per il rivestimento con un polimero idrofilo, il metodo si basa sul rivestimento dei canali con PVA immediatamente dopo il trattamento al plasma. Si raccomanda di modificare la superficie esponendo le superfici di PDMS ossidate a plasma di PVA all’1% in peso in acqua per 10 minuti. Il plasma di O₂ genera idrossili alcolici (C–OH), silanoli (Si–OH) e acidi carbossilici (COOH), che consentono la formazione di legami idrogeno tra le molecole di PVA e le superfici di PDMS attivate, determinando così superfici idrofilizzate in modo permanente. Inoltre, la formazione di un assemblaggio multistrato di PVA è facilitata dalle interazioni idrofobiche tra i gruppi della catena principale (–CH₂–CH–) e dai legami idrogeno intermolecolari dei gruppi idrossilici γ–OH tra il PVA assorbito dopo l’essiccazione della superficie in PDMS e la catena di PVA in soluzione acquosa.

L’incorporazione di un tensioattivo anfifilico nella massa di PDMS consiste nell’aggiunta del tensioattivo alla miscela di base di PDMS e all’agente indurente durante la polimerizzazione, al fine di ottenere un polimero idrofilo di polidimetilsilossano-ossido di etilene (PEO-PDMS). L’idrofilicità rimarrà stabile per due mesi, per poi variare leggermente in seguito. Tuttavia, dato il costo del tensioattivo, l’utilizzo di questo metodo per il riempimento di routine dei dispositivi microfluidici non è sostenibile a lungo termine.

COC, PC e PMMA

Le materie plastiche sono inoltre compatibili con molti degli stessi trattamenti superficiali utilizzati per il PDMS e il vetro, il che ne aumenta la versatilità per applicazioni che richiedono la funzionalizzazione delle superfici. La maggior parte delle materie plastiche disponibili in commercio è idrofobica allo stato naturale, il che può comportare l’adsorbimento di molecole e influenzare l’accuratezza delle misurazioni analitiche. Sono stati descritti vari metodi per rendere le superfici plastiche più idrofile [Lin et al. 2017, RSC Adv] o per rafforzarne l’idrofobicità.

Rivestimenti idrofili

Sono stati descritti vari metodi per rendere le superfici in plastica più idrofile, come l’incisione al plasma di ossigeno e l’esposizione ai raggi UV/ozono (UVO). Nel loro lavoro, Lin et al. hanno dimostrato nel 2017 che il PMMA, il COC e il PC trattati con UVO subiscono un recupero delle proprietà idrofobiche entro 4 settimane e che la velocità con cui ciò avviene dipende dalla durata del trattamento UVO. Inoltre, hanno scoperto che il recupero delle proprietà idrofobiche del COC e del PC trattati con UVO può essere inibito conservandoli in condizioni di deumidificazione o di " vide ".

Recentemente è stato sviluppato un nuovo tipo di rivestimento idrofilo. In questo processo, la superficie viene modificata utilizzando un rivestimento a base di PEG. Sia le superfici in vetro che quelle polimeriche (COC, policarbonato, PMMA) possono essere rivestite con questa sostanza. Il rivestimento viene applicato utilizzando la tecnica di deposizione chimica da vapore potenziata al plasma (PECVD). Con questo metodo, la superficie viene ricoperta da un film molto sottile che passa dallo stato gassoso (vapore) allo stato solido [sito webMicronit ].

Rivestimenti idrofobici

Per quanto riguarda il potenziamento dell’idrofobicità del COC, è stato sviluppato un nanorivestimento idrofobico 3D che consente di ottenere una maggiore idrofobicità del COC (angolo di contatto di 125°). Inoltre, è stato dimostrato che i nanorivestimenti sono compatibili con le condizioni tipiche della giunzione per compressione termica [sito web di Surfix].

Vetro

A differenza dei materiali idrofobici, in materiali come il vetro è facile generare goccioline di olio in acqua. Sarà quindi necessario effettuare un trattamento superficiale per generare in modo efficiente goccioline di acqua in olio (Figura 1) o per aumentare l’idrofilia al fine di generare goccioline di olio in olio in acqua.  

Figura 1: Formazione di una goccia di acqua in olio e di una goccia di olio in acqua in un dispositivo microfluidico in vetro. Tratto dalla Guida per l'utente del Droplet Chip di Dolomite-Microfluidics

Rivestimenti idrofili

Nel 2019 Khoshmardan et al. hanno descritto una nuova tecnica per migliorare l’idrofilia di un dispositivo microfluidico in vetro. Sulla superficie del microcanale in vetro vengono depositati dei nanobastoncini al fine di potenziare la forza capillare. Le superfici esterne di questi nanobastoncini contribuiscono al fenomeno capillare e, d’altra parte, sono idrofile poiché ossidate e attraggono le molecole del fluido; in questo modo il fluido si muove facilmente e rapidamente tra i nanobastoncini. Le molecole del fluido si spostano da un nanobastoncino all’altro e, di conseguenza, il fluido all’interno del microcanale sul chip di vetro può scorrere facilmente grazie alla forza capillare.

Rivestimenti idrofobici

Infine, esistono due metodi principali per rendere idrofobico un dispositivo microfluidico in vetro: l’uso di un repellente per la pioggia o la silanizzazione, due metodi descritti in precedenza.