Microfluïdica verwijst naar zowel de wetenschap als de technieken achter het beheer van stromingen op microschaal. Op deze schaal verandert de dynamica van vloeistoffen ingrijpend ten opzichte van het dagelijks leven: waterstromen zijn bijvoorbeeld laminair, wat betekent dat ze zich niet vermengen en geen wervelingen of draaikolken vormen. Deze en andere unieke eigenschappen liggen ten grondslag aan de revolutie die microfluïdica in de wetenschap teweeg heeft gebracht. Om vloeistoffen op microschaal te beheersen en in te sluiten, worden microfluïdische chips gebruikt.
Wat is een microfluïdische chip?
Dit zijn apparaten waarin patronen van microkanalen worden gegoten of gegraveerd. Daarnaast kunnen actieve of passieve stromingsregelelementen, zoals membranen of kleppen, op de chip worden geïntegreerd om vloeistoffen nauwkeurig te regelen. Daarom maken microfluïdische chips het mogelijk om verschillende functies, waarvoor doorgaans een heel laboratorium nodig is, te integreren in één enkel apparaat op microformaat. Daarom worden microfluïdica, en met name microfluïdische chips, vaak aangeduid als „Laboratory-on-chip“. Hieronder volgt een kort overzicht van de meest gangbare materialen die worden gebruikt voor de vervaardiging van microfluïdische chips.
Materialen voor microfluïdische chips
In de loop der jaren zijn verschillende materialen, zoals glas, silicium en polymeren, gebruikt voor de vervaardiging van microfluïdische apparaten. Deze kunnen grofweg worden onderverdeeld in: anorganische, polymere en papieren materialen. Het is duidelijk dat er niet zoiets bestaat als een „perfect“ materiaal, aangezien elk van deze materialen bepaalde voor- en nadelen heeft bij toepassing in de microfluïdica. Uiteindelijk is het de toepassing die de onderzoeker bij de keuze leidt. In dit hoofdstuk worden de meest gangbare materialen in de microfluïdica kort besproken. De nieuwsgierige lezer kan meer informatie vinden in talrijke uitstekende overzichtsartikelen die over dit onderwerp zijn gepubliceerd, zoals die van Nge et al. (2013) en We et al. (2013).
Polymeren
Polymeren worden op grote schaal gebruikt bij de vervaardiging van microfluïdische apparaten vanwege hun goede biochemische eigenschappen en lage kosten. Een van de meest gebruikte polymeren is PDMS. De afkorting PDMS staat voor polydimethylsiloxaan, een anorganisch-organisch polymeer uit de siloxaanfamilie. Dit materiaal komt voor in levensmiddelen als additief (E900), in cosmetische producten en in smeeroliën. Er zijn verschillende redenen waarom PDMS een zeer geschikt materiaal is voor de fabricage van chips; de belangrijkste worden hier samengevat:
- Transparantie: microkanalen en hun inhoud zijn direct zichtbaar
- Elasticiteit: PDMS is vrij elastisch en deze eigenschap kan voor diverse toepassingen worden benut, bijvoorbeeld voor de integratie van kleppen door middel van kanaalvervorming. Bovendien kan de elasticiteit ervan worden „afgestemd” met behulp van verknopingsmiddelen
- Kosten: PDMS is aanzienlijk goedkoper dan andere materialen die worden gebruikt voor de productie van microfluïdische chips;
- Doorlaatbaarheid: PDMS is gasdoorlatend en kan worden gebruikt in celculturen, gassensoren, enzovoort…
Uiteraard zijn er ook nadelen verbonden aan het gebruik van PDMS voor de fabricage van microfluïdische chips. Enkele voorbeelden hiervan zijn: de veroudering van het materiaal, waardoor de prestaties van de chip in de loop der jaren afnemen, en de slechte chemische compatibiliteit met veel organische oplosmiddelen, waardoor PDMS vooral geschikt is voor toepassingen op waterbasis.
Bovendien absorbeert PDMS hydrofobe moleculen en waterdamp, die vervolgens tijdens het experiment onbedoeld kunnen vrijkomen. Een ander nadeel van microfluïdische apparaten van PDMS is dat het onmogelijk is om elektroden in de chip te integreren, hoewel dit kan worden omzeild door de elektroden in het glazen dekglaasje te plaatsen in plaats van in de chip zelf. Meer informatie over PDMS en de toepassing ervan in de microfluïdica is te vinden op de website van Elvesys. Zoals hierboven vermeld, maakt PDMS weliswaar een snelle en eenvoudige fabricage van microfluïdische chips mogelijk, maar het heeft diverse tekortkomingen die het gebruik ervan in sommige toepassingen in de weg staan. Om deze nadelen te ondervangen, maar toch te profiteren van de goedkope en snelle productie, kunnen andere polymeren worden gebruikt voor het bouwen van microfluïdische apparaten. Een voorbeeld van een ander polymeer dat voor microfluïdische chips wordt gebruikt, is polystyreen (PS), een polymeer dat standaard wordt gebruikt in geneesmiddelenonderzoek voor celkweekschalen. PS is optisch transparant, biocompatibel, inert, stijf en het oppervlak ervan kan gemakkelijk worden gefunctionaliseerd.
💡 Het hydrofobe oppervlak kan eenvoudig hydrofiel worden gemaakt door middel van diverse fysische en chemische methoden, waaronder:
corona-ontlading, gasplasma en bestraling. Andere veelgebruikte polymeren voor microfluïdische apparaten zijn polymethylmethacrylaat (PMMA) en polycarbonaat (PC). PC heeft een betere thermische bestendigheid dan PMMA en kan daardoor binnen een breder temperatuurbereik worden gebruikt. PMMA is een elastomeer dat in vergelijking met PDMS weinig vervorming vertoont en wordt daarom gebruikt wanneer stijfheid vereist is, bijvoorbeeld voor de constructie van kanalen in microkleppen. Wilt u meer weten overhydrofiele/hydrofobe coatings, bekijk dan ons volledige overzicht hier! 😉
Microfluïdische chips van silicium en glas
Een van de eerste materialen die in de microfluïdica werd gebruikt, was silicium. De reden hiervoor ligt in de nauwe band tussen de eerste microfluïdische chips en de micro-elektronica-industrie, waar silicium destijds en ook nu nog een van de meest gebruikte materialen is. De voordelen van silicium in microfluïdische toepassingen liggen in de thermische geleidbaarheid, de oppervlaktestabiliteit en de compatibiliteit met oplosmiddelen. Het belangrijkste nadeel van microfluïdische chips van silicium is de optische ondoorzichtigheid in het zichtbare elektromagnetische spectrum, waardoor optische detectie onmogelijk is.
Een ander baanbrekend materiaal bij de fabricage van microfluïdische chips is glas. Dit materiaal heeft dezelfde bovengenoemde voordelen als silicium. Met name de bekende oppervlakte-eigenschappen, de superieure optische transparantie en de uitstekende weerstand tegen hoge druk maken het tot de beste keuze voor tal van toepassingen. Glas is bovendien biocompatibel, chemisch inert, hydrofiel en leent zich uitstekend voor efficiënte coatings. Het grootste nadeel van microfluïdische chips van glas is de vrij hoge kostprijs van de grondstof.
Microfluïdische chips op papierbasis
De laatste tijd wordt ook papier in overweging genomen als potentieel materiaal voor de fabricage van microfluïdische chips. De belangrijkste reden hiervoor is dat papier een zeer goedkope grondstof is. De voordelen van het gebruik van papier voor microfluïdische toepassingen reiken echter verder dan alleen de extreem lage kosten. Papier is namelijk dun, licht van gewicht en gemakkelijk op te slaan, te bewerken en te vervoeren. Bovendien is het compatibel met biologische monsters en kan het chemisch worden behandeld om zich te binden aan moleculen of eiwitten. Last but not least is papier na gebruik gemakkelijk af te voeren, wat het tot een zeer milieuvriendelijk materiaal voor microfluïdische chips maakt. De belangrijkste nadelen bij het gebruik van op papier gebaseerde microfluïdische apparaten zijn de moeilijkheden bij het aanbrengen van de patronen van de kanalen op de chip. Er bestaat namelijk niet zoiets als de „perfecte“ patroonvormingsmethode, aangezien elke methode een afweging vereist tussen kosten, gebruiksgemak en resolutie, die per geval moet worden beoordeeld.
