De keuze van het juiste materiaal voor de ontwikkeling van microfluïdische apparaten is van cruciaal belang en niet onbelangrijk, aangezien het gekozen materiaal optische eigenschappen moet combineren die dicht bij die van glas (of idealiter gesmolten siliciumdioxide) liggen voor een optimale detectie, oppervlakte-eigenschappen die adsorptie van biomoleculen en elektro-osmose voorkomen, en het vermogen om structuren op micrometerschaal goed te reproduceren.
(Poly)dimethylsiloxaan (PDMS), poly(methylmethacrylaat) (PMMA), polycarbonaat (PC), polystyreen (PS), polyimide en polyethyleen (PE) zijn enkele van de polymeermaterialen die vaak worden gebruikt voor de productie van chips. Van deze materialen is PDMS het meest populaire substraat. Meer recentelijk heeft SU-8-hars zijn intrede gedaan op de markt voor de microfabricage van microfluïdische chips. Cyclisch olefinecopolymeer (COC) en polyethyleenglycoldiacrylaat (PEGDA) zijn eveneens veelgebruikte materialen voor de productie van microfluïdische chips.
In dit overzicht geeft ons team van experts u een goed beeld van de meest gebruikte materialen in de microfluïdica, zodat u het materiaal kunt kiezen dat het beste bij uw toepassing past.
De meest gebruikte materialen voor microfluïdica
Het verwerken van polymeren is eenvoudig, en het gebruik ervan als materiaal vermindert de tijd, de complexiteit en de kosten van prototyping en productie. Over het algemeen worden microfluïdische systemen vervaardigd door replica's te gieten en te verlijmen in elastomeren zoals PDMS, of thermoplasten zoals PMMA of PC. Andere materialen, zoals COC of SU-8, winnen steeds meer aan populariteit op het gebied van microfluïdica. Deze polymeren danken hun succes aan vier essentiële eigenschappen: biocompatibiliteit, transparantie, lage kosten en, uiteraard, het ontbreken van auteursrechten.
Polydimethylsiloxaan of PDMS
Een aanzienlijk deel van de microfluïdische apparaten wordt vervaardigd uit PDMS. Een van de belangrijkste voordelen van dit materiaal is de hoge optische transparantie in het zichtbare en ultraviolette spectrum, waardoor het geschikt is voor tal van op fluorescentie gebaseerde toepassingen. Een ander pluspunt van PDMS is dat het gasdoorlatend is, waardoor het mogelijk is om cellen te kweken in microfluïdische apparaten die van dit materiaal zijn gemaakt. Ook de productie wordt met PDMS vergemakkelijkt, aangezien chips eenvoudig worden vervaardigd uit een mal met het negatieve reliëf van een gewenst patroon. Het vooraf gestructureerde patroon kan worden verkregen met behulp van standaard fotolithografietechnieken, en voor de assemblage van PDMS-chips is bovendien slechts een minimale cleanroom-infrastructuur vereist. PDMS leent zich uitstekend voor prototypingtechnieken, waardoor het een voorkeursmateriaal is in de microfluïdica.
Naast alle voordelen zijn er ook enkele nadelen gemeld bij het gebruik van PDMS als apparaat voor de opname van geneesmiddelen[Regehr KJ et al. 2009 Lab Chip]of andere moleculen wanneer PDMS oxideert[McDonald et al. 2000 Electroph.], wat onderzoekers ertoe heeft aangezet om apparaten van andere materialen te vervaardigen. Andere nadelen van PDMS zijn bijvoorbeeld het opzwellen bij contact met organische oplosmiddelen (wat het toepassingsgebied voor microfluïdica beperkt), een lage mechanische sterkte (wat leidt tot het instorten van structuren met een hoge aspectverhouding in het hulpmiddel) en onstabiele oppervlaktebehandelingen[Paul et al. 2007 Electroph.].
Polymethylmethacrylaat of PMMA
PMMA is een transparante thermoplast waarvan het monomeer methylmethacrylaat (MMA) is. Dit polymeer is beter bekend onder zijn eerste handelsnaam, Plexiglas. PMMA heeft tal van voordelen, zoals zijn transparantie, zijn weerstand en het feit dat het amorf is. Het zorgt daarom voor een uitstekende lichtdoorlatendheid, tot wel 92% van het zichtbare licht, d.w.z. meer dan glas[website van Good Fellow].
PMMA is relatief gevoelig voor krassen (meer dan conventionele minerale lenzen) en wordt broos wanneer er additieven aan worden toegevoegd. Het materiaal is bovendien relatief slecht bestand tegen veel chemicaliën en lost op in veel organische oplosmiddelen. De omgevingsstabiliteit is echter beter dan die van de meeste andere kunststoffen.
Polycarbonaat of PC
PC is een thermoplastisch polymeer. In vergelijking met andere materialen die in de microfluïdica worden gebruikt, zoals bijvoorbeeld COC (cyclisch olefinecopolymeer), is het minder hydrofoob, waardoor de kanaaltjes een beter vulgedrag vertonen. Het wordt bij voorkeur gebruikt voor toepassingen bij hoge temperaturen, zoals PCR.
Het echte nadeel van polycarbonaat is de relatief hoge intrinsieke fluorescentie, bijvoorbeeld in vergelijking met PMMA. Dit nadeel is zeer nadelig voor fluorescentiemicroscopie en beperkt daarom het gebruik ervan.
Cyclisch olefinecopolymeer of COC
Cyclisch olefinecopolymeer (COC) is een amorf polymeer. COC behoort tot een relatief nieuwe klasse van polymeren in vergelijking met gangbare materialen zoals polypropyleen en polyethyleen. Cyclisch olefinecopolymeer is een materiaal dat uitermate geschikt is voor microfluïdische toepassingen. De lijst met voordelen is dan ook lang en omvat onder meer een goede biocompatibiliteit, een lage wateropname, een goede chemische bestendigheid en een hoge transparantie in het diepe UV-gebied.
Vanwege de vele voordelen kan COC uiteraard op tal van gebieden worden ingezet voor de productie van chips, bijvoorbeeld voor de analyse van parameters zoals bloedgas, glucose- en lactaatconcentraties of voor het bepalen van hematocrietwaarden. Aangezien de kanaalwanden bovendien UV-doorlatend zijn, maken ze het gebruik mogelijk van UV-initiatoren zoals benzofenon, dat op grote schaal wordt gebruikt bij Western blotting.
SU-8-hars
SU-8 is een negatief lichtgevoelige hars die veel wordt gebruikt bij de vervaardiging van microsystemen. SU-8-hars bestaat uit epoxyhars, propyleencarbonaat, een triarylsulfonium-initiator en een organisch oplosmiddel. Door deze samenstelling is SU-8 een zeer viskeus polymeer dat wordt aangebracht in een laagdikte variërend van 1 micrometer tot 2 millimeter en doorgaans wordt bewerkt met behulp van fotolithografie. Het wordt steeds vaker gebruikt voor de vervaardiging van mallen, aangezien het een uitstekende chemische stabiliteit vertoont ten opzichte van diverse zuren en basen, evenals een hoge thermische stabiliteit. Bovendien is SU-8 mechanisch betrouwbaar, optisch transparant en hydrofiel. Deze eigenschappen maken SU-8 dan ook tot een zeer aantrekkelijk materiaal voor een breed scala aan toepassingen, zoals uiteraard microfluïdische toepassingen, maar ook voor micro-optica, micromachining, verpakkingen of analytische toepassingen.
SU-8 wordt zelden als op zichzelf staande chip gebruikt, maar wel als matrijs in combinatie met andere materialen, zoals PDMS of siliconen.
Polyethyleenglycolhydrogels of PEG’s
PEG’s zijn hydrogels die aanzienlijke voordelen bieden ten opzichte van andere biomaterialen. PEG’s zijn namelijk synthetisch, waardoor – in tegenstelling tot natuurlijke biomaterialen – de mechanische eigenschappen, zoals de elasticiteitsmodulus en de afbraaksnelheid, volledig kunnen worden geregeld. Dit betekent ook dat PEG minder variatie vertoont tussen verschillende productiebatches dan materialen van natuurlijke oorsprong. Door hun chemische samenstelling zijn deze hydrogels zeer hydrofiel, bestand tegen eiwitadsorptie en biocompatibel. Er zijn diverse chemische groepen die in PEG-macromeren kunnen worden opgenomen om de polymerisatie en de vorming van een netwerk van kruisverbindingen te vergemakkelijken (acrylaat, methacrylaat, vinylether, norborene, enz.)[Amy H et al. 2013 Chem J].
Materiaaleigenschappen die van fundamenteel belang kunnen zijn, zijn onder meer bewerkbaarheid, oppervlaktelading, moleculaire adsorptie, mobiliteit bij elektro-osmotische stroming, optische eigenschappen en nog vele andere. De keuze van het substraat is daarom van cruciaal belang voor zowel het fabricageproces als de succesvolle toepassing van het apparaat. Om u te helpen bij uw keuze biedt Darwin Microfluidics een breed assortiment aan microfluïdische apparaten aan, waarin verschillende ontwerpen en materialen worden gecombineerd die geschikt zijn voor een breed scala aan toepassingen.
