In de microfluïdica is het van essentieel belang dat apparaten een stabiel en goed gekarakteriseerd oppervlak hebben, met name wanneer ze worden gebruikt voor biomedische toepassingen. Over het algemeen onderscheiden we twee soorten coatings: covalente en adsorptieve. In dit overzicht bespreken we de meest relevante coatings die in de microfluïdica worden gebruikt voor verschillende materialen.
Welke parameters zijn van invloed op de keuze van de coating?
De vloeistof die door de kanalen van uw apparaat stroomt, komt via de wanden in nauw contact met het oppervlak en is daarom zeer gevoelig voor de chemische samenstelling van het oppervlak. Naast de chemische samenstelling speelt ook het materiaal een uiterst belangrijke rol (bekijk hier de toepassingsnota over de verschillende polymeren die worden gebruikt voor de microfabricage van microfluïdische chips), omdat de manier waarop het reageert op de oppervlaktebehandeling een doorslaggevende factor zal zijn.
Vervolgens moet je, uiteraard afhankelijk van de toepassing, bepalen wat het gewenste resultaat is. De coating zal namelijk anders zijn als je cellen aan het oppervlak wilt laten hechten, of juist als je een vloeistof wilt laten stromen zodat er bij de uitlaat druppels ontstaan.
Ten slotte moet nog een andere parameter in aanmerking worden genomen: oppervlaktespanning. De schaalverandering als gevolg van miniaturisatie leidt tot ingrijpende veranderingen in het relatieve belang van de fysische verschijnselen die gewoonlijk op macroscopische schaal voorkomen. In de microfluïdica zijn oppervlakte-effecten dan ook belangrijk en mogen ze niet worden verwaarloosd. De verhouding tussen oppervlaktekrachten en volumekrachten ontwikkelt zich als het omgekeerde van de karakteristieke lengte van het systeem. Het belang hiervan op micrometerschaal kan leiden tot het optreden van specifieke verschijnselen, zoals de Rayleigh-Plateau-instabiliteit. Kort samengevat houdt de instabiliteit van het R-plateau (Figuur 1) in dat een vloeistofcilinder spontaan vervormt en uiteenvalt om zijn oppervlakte-energie te verlagen. In zeer algemene termen is de film instabiel: hij golft met een bepaalde golflengte. Vervolgens worden de golvingen steeds groter en vallen ze uiteindelijk uiteen in verschillende druppeltjes. De uiteindelijke toestand van instabiliteit is soms een opeenvolging van kleine druppeltjes die „satellieten“ worden genoemd.
Nu we alle parameters die in aanmerking moeten worden genomen hebben bekeken, is het tijd om de verschillende soorten coatings nader te beschrijven.
De verschillende soorten coatings
Strategieën voor covalente coating
Covalente coatings worden gekenmerkt door een chemische binding die ontstaat tussen een functionele groep op het oppervlak van het substraat – dat wil zeggen de wanden van de microfluïdische kanalen – en een functionele groep van het gebruikte coatingmiddel. Covalente coatings worden gewaardeerd om hun uitstekende stabiliteit. Aangezien ze echter moeten worden aangepast aan de beschikbare oppervlaktefunctionaliteit van het gebruikte materiaal, is het moeilijker om universele strategieën toe te passen in vergelijking met andere methoden voor oppervlaktebehandeling.
Strategieën voor covalente coating van PDMS
Een van de vaak toegepaste strategieën voor covalente binding is het koppelen van alkoxysilaan-derivaten via oppervlakken met hydroxylgroepen, waardoor siloxaanbindingen ontstaan. Deze methode werd voor het eerst toegepast op glas- en siliciumdioxide-oppervlakken. Tegenwoordig wordt deze methode ook toegepast in microfluïdische apparaten op basis van PDMS. Het echte voordeel van deze techniek is dat de binding tot stand kan worden gebracht via één tot drie alkoxygroepen van het reagerende silaan. Dit maakt vervolgens een correcte oriëntatie en stabiele verknoping aan het oppervlak mogelijk. Bovendien kan de functionaliteit van het silaan worden aangepast om de gewenste chemische reactiviteit te bereiken.
Strategieën voor covalente coating van PMMA
Er zijn talrijke activerings- en oppervlaktekoppelingsprocedures voor PMMA ontwikkeld die een breed scala aan functionaliteiten mogelijk maken; deze bestaan voornamelijk uit het aanbrengen van aminegroepen op de PMMA-oppervlakken (zie figuur 2). Een daarvan is een coating van poly(ethyleenimine) (PEI), een aminopolymeer waarvan bekend is dat het de binding van antilichamen aan het PMMA-oppervlak bevordert [Bai et al., 2006 Langmuir].
Een ander voorbeeld van oppervlaktebehandeling van PMMA met aminegroepen is de activering van met lithium behandelde diamines om alkylcyanaten aan PMMA te binden [Henry et al., 2000, Analytical Chemistry]. Deze methode werd door Hashimoto et al. [2005, Analytical Chemistry; 2006, Biosensors & Bioelectronics] gebruikt om de detectie van DNA-mutaties op één baseniveau te verbeteren.
Strategieën voor covalente coating van polycarbonaat
Een van de methoden voor het tot stand brengen van covalente bindingen op polycarbonaat is het aanbrengen van carboxylgroepen op het oppervlak. Zo kan een UV/ozonbehandeling worden gebruikt om COOH-groepen te genereren voor de binding van aminogroepen via carbodiimide-activering [Li et al., 2007, Analytical Chemistry].
De hierboven genoemde aanpak, die goede resultaten heeft opgeleverd bij PMMA, kan ook worden toegepast op polycarbonaat [Hashimoto et al. 2005 Analytical Chemistry, 2006 Biosensors & Bioelectronics]. Oppervlakteactivering met lithiumhoudende diaminen kan ook bij polycarbonaat worden toegepast voor DNA-koppeling op microfluïdische oppervlakken om mutaties van één basenpaar te detecteren en zo de toepassingen van de polymerasekettingreactie (PCR) te verbeteren [Abdallah en Ros, 2013].
Strategieën voor covalente coating van glas
Oppervlakken van siliciumdioxide of SiO₂ zijn ongetwijfeld de meest bestudeerde oppervlakken voor microfluïdische toepassingen. Hun oppervlakte-eigenschappen lenen zich namelijk uitstekend voor een breed scala aan toepassingen, zoals microfluïdica, capillaire chromatografie of capillaire elektroforese. Glas, gesmolten siliciumdioxide en kwarts kunnen allemaal worden vervaardigd met behulp van dezelfde koppelingschemie.
De silanolgroepen op het oppervlak van SiO₂ reageren met de alkoxysilanen, waardoor een stabiele covalente binding ontstaat. Voor SiO₂ worden silanen gebruikt die vergelijkbaar zijn met die welke bij PDMS worden toegepast; deze gaan covalente reacties aan om zich aan andere entiteiten te binden, afhankelijk van de gebruikte silaankopgroep [Abdallah en Ros, 2013].
Er kan een iets andere toepassing dan silanisatie worden gebruikt om antilichamen op glasbolletjes te fixeren, met als doel pathogenen in een microkanaal op te sporen [Lee et al., 2006 Bull. Korean Chem. Soc.].
Strategieën voor adsorptieve coatings in de microfluïdica
Adsorptiestrategieën zijn gebaseerd op intramoleculaire interacties tussen het coatingmateriaal en het substraatoppervlak. Deze interacties kunnen op verschillende manieren tot stand komen, zoals via elektrostatische interacties, van der Waals-krachten en/of hydrofobe interacties. Een groot voordeel van deze coatings is hun gebruiksgemak, aangezien de microkanalen doorgaans slechts gedurende een bepaalde tijd hoeven te worden geïncubeerd met een oplossing die het coatingmiddel bevat. Adsorptieve coatings worden op grote schaal gebruikt en presteren even goed als covalente coatings wat betreft het voorkomen van biofouling en niet-specifieke adsorptie, en fungeren tevens als bindende moleculen voor een betere fixatie van biomoleculen.
Eiwitcoating in de microfluïdica
Eiwitcoating is een zeer populaire en veelgebruikte methode om de oppervlakken van microfluïdische kanalen te coaten. Zo wordt bijvoorbeeld al tientallen jaren in de moleculaire biologie op een zeer klassieke manier gebruikgemaakt van coating met runderserumalbumine (BSA) om oppervlakteplaatsen af te schermen tegen niet-specifieke adsorptie.
Streptavidine wordt op grote schaal gebruikt als bindingsmolecuul, aangezien het een hoge affiniteit heeft voor biotine. De biotine-streptavidinebinding is vrijwel covalent en het kleine biotinemolecuul kan gemakkelijk worden gedervatiseerd met andere bindingsmoleculen of eiwitten [Abdallah en Ros, 2013]. Dit bindingspaar kent dan ook talrijke toepassingen in de natuur- en levenswetenschappen en kan ook worden gebruikt in adsorptiestrategieën voor microfluïdische oppervlaktecoatings. Het gebruik van een streptavidinederivaat, NeutrAvidin, is een methode om PDMS eenvoudig te coaten [Linder et al., 2001 Analytical Chemistry].
Adsorptieve polymeercoatings in de microfluïdica
De keuze van het polymeer voor de coating hangt in hoge mate af van het microfluïdische oppervlak, vanwege verschillen in de interacties tussen materialen aan het oppervlak. Het is geschikt voor tal van toepassingen en aangezien glas, silica en PDMS een vergelijkbare oppervlaktechemie hebben, kunnen bovendien vergelijkbare coatingstrategieën op basis van polymeren worden toegepast.
Er is aangetoond dat dynamische coatingmethoden als stabieler kunnen worden beschouwd dan statische immobilisatie. Bij deze methode wordt het oppervlak van het substraat immers voortdurend vernieuwd met coatingmateriaal. Bovendien zijn verschillende polymere microfluïdische materialen onderworpen aan dynamische coatingprocedures.
Zo is bijvoorbeeld in het geval van PMMA gemeld dat de dynamische adsorbentlaag van cellulose het langdurig gebruik (meer dan 100 doorlopen) van één enkel microfluïdisch apparaat voor DNA-elektroforese mogelijk maakt [Abdallah en Ros, 2013].
Polyelektrolyt-multilagen in de microfluïdica
Meerlaagse polyelektrolyten (PEM) worden voor diverse toepassingen gebruikt. Deze methode wordt gekenmerkt door de overdracht van interactiekrachten tussen de coating en het oppervlak van het substraat via elektrostatische interacties. Dit zorgt voor hun stabiliteit. Het voordeel van deze methode is dat ze een veel langere levensduur kan bieden in vergelijking met andere fysische adsorptiemethoden.
Andere strategieën voor het aanbrengen van een coating in de microfluïdica
De twee hierboven genoemde categorieën (covalente en adsorptieve coating) omvatten veel van de oppervlaktebehandelingen die beschikbaar zijn voor microfluïdische apparaten. Er zijn echter nog andere benaderingen waarmee de oppervlakte-eigenschappen van microfluïdische apparaten kunnen worden aangepast, die we hier kort zullen toelichten.
Blootstelling aan reactieve plasmagassen kan radicalen vormen die de chemische samenstelling van een oppervlak veranderen. Zo is het in de microfabricage gebruikelijk om reactieve zuurstofsoorten in te zetten om PDMS- en glasoppervlakken te modificeren door middel van UV- of plasmabehandeling (met zuurstof of ozon). In de meeste gevallen wordt dit soort behandeling gevolgd door een covalente coating, zoals silanisatie.
Er kan ook een andere methode worden toegepast: metaalspuiten. Zo is het spuiten en verdampen van goud op de oppervlakken van microkanalen een techniek die in de microfluïdica is ontwikkeld. De met goud beklede oppervlakken dienen als sjablonen voor zelfgeassembleerde monolaagjes (SAM), waarop groepen thiolgroepen kunnen worden aangebracht [Abdallah en Ros, 2013].
Conclusie
Oppervlaktecoatings zijn van cruciaal belang voor het succes van veel microfluïdische apparaten en voor een breed scala aan toepassingen. De verscheidenheid aan materialen en coatingstrategieën voor microfluïdische materialen is enorm, en we hebben er slechts enkele kunnen bespreken. Met de parameters die in het eerste deel van dit overzicht zijn beschreven en de korte toepassingsvoorbeelden die voor elke coating zijn genoemd, beschikt u echter over alle benodigde informatie om de ideale coating voor uw microfluïdische platform te bepalen.
Voor meer informatie over mogelijke toepassingen, afhankelijk van de coating, verwijzen wij u graag naar de genoemde artikelen.
