Hydrofiele en hydrofobe coatings voor druppelgeneratie

In dit overzicht bespreken we de verschillende coatingmethoden om druppeltjes te genereren in een microfluïdisch systeem. Er zijn hoofdzakelijk twee soorten coatings: hydrofobe en hydrofiele. Ongeacht het type coating dat wordt aangebracht, moet rekening worden gehouden met twee parameters: de fysische en chemische eigenschappen van het materiaal dat wordt gebruikt voor de vervaardiging van het microfluïdisch systeem, en of men druppeltjes van het type ‘olie-in-water’ of ‘water-in-olie’ wil maken.

Waarom is de bevochtigbaarheid van mijn chip van belang?

Voor een efficiënte druppelgeneratie moet de continue fase de wanden van de microfluïdica-chip effectief bevochtigen. Laten we het voorbeeld nemen van water-in-olie-druppels (w/o): aangezien olie de continue fase is, dienen de kanalen hydrofiel te zijn zodat de olie de wanden bevochtigt.

Materialiën in de microfluidica en populaire coatings

PDMS

Het populairste biomateriaal dat in de microfluïdica wordt gebruikt, is natuurlijk PDMS. Dankzij de talrijke fysisch-chemische eigenschappen, die geschikt zijn voor celkweek en microfabricage, is het materiaal enorm populair geworden. Van de vele eigenschappen zullen we ons concentreren op het sterk hydrofobe karakter ervan, dat gevolgen heeft voor microfluïdica op basis van druppels en PDMS tot een ideaal materiaal maakt voor het genereren van water-in-olie (w/o)-druppels.

Hydrofobe coatings

Om de hydrofobiciteit van PDMS te versterken, wordt aanbevolen om een regenwerend middel zoals Aquapel® te gebruiken of het substraat te silaniseren.

De silanisering bestaat uit de reactie tussen silanolgroepen op $\text{SiO}_2$-oppervlakken en alkoxysilanen, waarbij een stabiele covalente binding wordt gevormd. Silanen worden gebruikt voor $\text{SiO}_2$, en afhankelijk van de gebruikte silaan-kopgroep vinden er vervolgens covalente reacties plaats om andere entiteiten te binden. Het gebruik van silanen (en meer in het bijzonder fluorosilanen) wordt algemeen toegepast bij de generatie van druppels bij gebruik van PDMS- of glazen microfluidische chips.

Aquapel® is van oorsprong een regenafstotend middel dat materialen zoals glas volledig hydrofoob maakt. Het is daarom bijzonder geschikt voor het genereren van water-in-oliedruppeltjes met microfluïdische glazen apparaten of om PDMS nog hydrofoober te maken. In feite kan ook elk ander regenafstotend middel dat siliconen en isopropanol bevat worden gebruikt, zoals bijvoorbeeld TurtleWax®. In de praktijk moeten de kanalen eerst met het regenafstotende middel worden gevuld en vervolgens 1 minuut rusten. Daarna wordt aanbevolen om met lucht te spoelen. De kanalen moeten een tweede keer met het regenafstotende middel worden gevuld (1 min). Spoel opnieuw met lucht. De olie waarin de druppeltjes worden gevormd, kan worden gebruikt om de kanalen grondig te spoelen en eventuele Aquapel-resten te verwijderen (een belangrijke stap om cytotoxiciteit bij het werken met cellen tot een minimum te beperken). Spoel nogmaals met lucht en plaats het behandelde PDMS-apparaat vervolgens gedurende 10 minuten in een oven van 85 °C om het volledig te laten drogen.

Hydrofiele coatings

Vanwege de hoge hydrofobiciteit verhindert PDMS volledig de vorming van olie-in-water-druppels (o/w) zonder voorafgaande oppervlaktewaterbehandeling. De generatie van olie-in-water-druppels is echter noodzakelijk voor een breed scala aan toepassingen, zoals de insluiting van enkele cellen in dubbele emulsies en de vorming van vesikels of andere modelmembranen, om er maar enkele te noemen. Om aan deze behoefte te voldoen om PDMS hydrofiel te maken, zijn er verschillende technieken ontwikkeld, zoals UV- of plasmabestraling, een coating met een hydrofiel polymeer, of de incorporatie van een amfifiele surfactant in de PDMS-bulk.

Om preciezer te zijn, de techniek van UV- of plasmabestraling bestaat uit de oxidatie van het polymeeroppervlak door plasmabestraling of ultraviolette straling (UV). De zuurstofmodificatie vertoont een hydrofiele stabiliteit in het bereik van 2 dagen bij een vermogen van 150 W en een blootstellingstijd van 15 min.

Voor de coating met een hydrofiel polymeer is de methode gebaseerd op het direct na de plasmabehandeling aanbrengen van een PVA-laag op de kanalen. Het wordt aanbevolen om het oppervlak te modificeren door de geoxideerde PDMS-oppervlakken gedurende 10 minuten bloot te stellen aan 1 gewichtsprocent PVA-plasma in water. O₂-plasma genereert alcoholische hydroxylgroepen (C–OH), silanolen (Si–OH) en carbonzuren (COOH), waardoor waterstofbruggen kunnen ontstaan tussen de PVA-moleculen en de geactiveerde PDMS-oppervlakken, wat leidt tot permanent gehydrofiliseerde oppervlakken. Bovendien wordt de vorming van een meerlaagse PVA-structuur bevorderd door hydrofobe interacties tussen de hoofdketengroepen (–CH₂–CH–) en de intermoleculaire waterstofbruggen van de γ–OH-hydroxylgroepen tussen het geabsorbeerde PVA na het drogen van het PDMS-oppervlak en de PVA-keten in waterige oplossing.

De incorporatie van een amfifiele surfactant in de PDMS-bulk wordt beschouwd als een surfactant die wordt toegevoegd aan het mengsel van de PDMS-basis en het uithardingsmiddel tijdens de polymerisatie om hydrofiel poly(dimethylsiloxaan-ethyleenoxide polymeer (PEO-PDMS) te creëren. De hydrofiliciteit blijft gedurende twee maanden stabiel en zal daarna enigszins variëren. Gezien de prijs van de surfactant is het gebruik van deze methode voor routinematige fabricage van microfluidische chips echter op de lange termijn niet duurzaam.

COC, PC en PMMA

Kunststoffen zijn bovendien geschikt voor veel van dezelfde oppervlaktebehandelingen als PDMS en glas, waardoor ze nog veelzijdiger inzetbaar zijn voor toepassingen waarbij oppervlaktefunctionaliteit vereist is. De meeste in de handel verkrijgbare kunststoffen zijn in hun natuurlijke vorm hydrofoob, wat kan leiden tot de adsorptie van moleculen en de nauwkeurigheid van analytische metingen kan beïnvloeden. Er zijn verschillende methoden beschreven om kunststofoppervlakken hydrofieler te maken [Lin et al. 2017, RSC Adv] of juist hun hydrofobie te versterken.

Hydrofiele coatings

Er zijn verschillende methoden beschreven om kunststofoppervlakken hydrofieler te maken, zoals etsen met zuurstofplasma en blootstelling aan UV/ozon (UVO). In hun onderzoek toonden Lin et al. in 2017 aan dat met UVO behandeld PMMA, COC en PC binnen vier weken weer hydrofoob worden en dat de snelheid waarmee dit gebeurt afhankelijk is van de duur van de UVO-behandeling. Bovendien hebben zij ontdekt dat het weer hydrofoob worden van met UVO behandeld COC en PC kan worden geremd door deze materialen op te slaan in ontvochtigde of vide e omstandigheden.

Onlangs is er een nieuw type hydrofiele coating ontwikkeld. Bij dit proces wordt het oppervlak gemodificeerd met behulp van een PEG-achtige coating. Zowel blootgestelde glas- als polymeeroppervlakken (COC, polycarbonaat, PMMA) kunnen met deze substantie worden gecoat. De coating wordt aangebracht met behulp van de plasma-enhanced chemical vapor deposition (PECVD)-techniek. Bij deze methode wordt het oppervlak bedekt met een zeer dunne film die overgaat van een gastoestand (damp) naar een vaste toestand [Micronit website].

Hydrofobe coatings

Wat betreft het versterken van de hydrofobiciteit van het COC is een hydrofobe 3D-nanocoating ontwikkeld die leidt tot een verbeterde hydrofobiciteit van het COC (contacthoek 125°). Bovendien is aangetoond dat de nanocoatings geschikt zijn voor de gebruikelijke omstandigheden bij thermisch compressielassen [website van Surfix].

Glas

In tegenstelling tot hydrofobe materialen is het in materialen zoals glas eenvoudig om olie-in-waterdruppeltjes te vormen. Er zal daarom een oppervlaktebehandeling moeten worden uitgevoerd om op efficiënte wijze water-in-oliedruppeltjes te vormen (figuur 1) of om de hydrofiliteit te vergroten, zodat olie-in-olie-in-waterdruppeltjes kunnen worden gevormd.  

Figuur 1: Vorming van water-in-olie-druppels en olie-in-water-druppels in een microfluidische glazen chip. Overgenomen uit de Droplet Chip User Guide van Dolomite-Microfluidics

Hydrofiele coatings

Khoshmardan et al. rapporteerden in 2019 een nieuwe techniek om de hydrofiliciteit van een microfluïdisch apparaat van glas te verbeteren. Er worden nanostaafjes op het oppervlak van het glazen microkanaal aangebracht om de capillaire kracht te vergroten. De buitenoppervlakken van deze nanostaafjes dragen bij aan het capillaire verschijnsel en zijn bovendien hydrofiel doordat ze geoxideerd zijn en vloeistofmoleculen aantrekken, waardoor de vloeistof zich gemakkelijk en snel tussen de nanostaafjes verplaatst. De vloeistofmoleculen verplaatsen zich van nanostaafje naar nanostaafje, waardoor de vloeistof in het microkanaal op de glazen chip gemakkelijk kan stromen dankzij de capillaire kracht.

Hydrofobe coatings

Ten slotte zijn er twee belangrijke manieren om een microfluïdisch apparaat van glas hydrofoob te maken: het gebruik van een regenafstotend middel of silanisatie, twee methoden die hierboven zijn beschreven.