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Aug 06, 2023

Fabricación de arreglos de microválvulas mediante unión selectiva de PDMS (polidimetilsiloxano) a través de perfluorooctilo

Informes científicos volumen 12,

Scientific Reports volumen 12, Número de artículo: 12398 (2022) Citar este artículo

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Para mejorar la versatilidad y la solidez de los dispositivos analíticos de microfluidos para la exploración espacial, se ha implementado una matriz de microfluidos programable (PMA) para respaldar una variedad de misiones. Al diseñar un PMA, las válvulas normalmente cerradas son ventajosas para evitar la contaminación cruzada y las fugas. Sin embargo, se requiere un método de fabricación estable para evitar que estas válvulas se peguen y adhieran con el tiempo. Este trabajo presenta cómo el polidimetilsiloxano (PDMS) se puede unir de forma selectiva mediante pasivación química para superar el problema de adherencia del PDMS durante la exploración espacial a largo plazo. Primero, en un sello PDMS, el perfluorooctil-triclorosilano vaporizado (PFTCS) se deposita en condiciones de -80 kPa y 150 °C. Luego, el PFTCS se transfirió a PDMS o sustratos de vidrio mediante el control de la temperatura y el tiempo, y 15 min a 150 °C proporciona la transferencia de PFTCS óptima para la unión selectiva. Con estos parámetros caracterizados, demostramos con éxito la fabricación de PMA para apoyar misiones espaciales a largo plazo. Para estimar la estabilidad del PFTCS estampado, se probó regularmente un PMA durante tres años y no se observó fricción estática ni alteración del rendimiento. Se ha realizado una prueba de vuelo con un cohete Cessaroni L1395 para una prueba de alta fuerza G y vibración y no hay diferencia en el rendimiento de PMA después de la exposición de las condiciones de lanzamiento y aterrizaje. Este trabajo se muestra prometedor como una técnica simple y robusta que ampliará la estabilidad y la capacidad de PMA para la exploración espacial.

Se han desarrollado instrumentos analíticos de microfluidos para la exploración espacial a fin de determinar las composiciones químicas a partir de pequeñas muestras de suelo o partículas1,2,3,4,5. Sin embargo, para ser compatible con misiones más amplias, la programabilidad y la durabilidad requieren un mayor desarrollo. Una matriz de microfluidos programable (PMA) está diseñada para lograr una manipulación de fluidos autónoma, como tirar, empujar, mezclar y distribuir fluidos con alta precisión. El diseño de la microválvula y los parámetros operativos se pueden definir para lograr el volumen de dosificación y el caudal deseados. Se ha demostrado PMA para la preparación programada de muestras, ensayos fluorométricos y biodetección para mostrar la versatilidad utilizando microválvulas normalmente cerradas4,6,7,8,9,10,11,12. Las válvulas normalmente cerradas típicas tienen una estructura de compuerta en el lado de la membrana flexible o en el lado del microcanal para bloquear el flujo sin actuación12,13,14. Si bien este es un aspecto excelente para el control de fluidos, la fabricación de PMA requiere procedimientos de unión de PDMS selectivos para minimizar el problema de atascamiento de la válvula después de la exposición al plasma15. Además, el PDMS puede unirse débilmente al vidrio después de un contacto prolongado. La evidencia empírica de PMA producida en nuestro laboratorio implica que si las válvulas descansan más de 6 meses, las compuertas de las microválvulas se adhieren a los sustratos de vidrio y PDMS. La línea de tiempo típica para llegar a planetas objetivo como Marte, Europa y Encelado son aproximadamente siete meses16, cinco años17 y siete años18 de viaje, respectivamente, y por lo tanto, para usar el PMA para explorar estos planetas, el problema de estabilidad de la microválvula debe ser resuelto. resuelto para obtener el rendimiento PMA esperado.

Los PMA típicos se fabrican mediante una técnica de litografía blanda con polidimetilsiloxano (PDMS)19,20 y se empaquetan con plasma de oxígeno que trata todas las superficies expuestas19,21,22. Cierta unión selectiva es posible mediante la aplicación manual de un producto químico pasivante, el bloqueo manual de áreas o el tratamiento de la superficie con PDMS sin tratar23,24. Sin embargo, estos tienen un alcance limitado para fabricar estructuras 3D en lugar de la unión selectiva con moldes de estampado microfabricados complejos sin investigar ningún efecto y estabilidad a largo plazo23,24.

El tratamiento químico se ha realizado utilizando varios silanos para alterar las propiedades de la superficie en dispositivos de microfluidos PDMS. Entre estos, el perfluorooctil-triclorosilano (PFTCS) se usa a menudo para formar superficies superhidrofóbicas23,25,26,27,28, ya que se deposita fácilmente en las superficies debido a su baja presión de vapor. PFTCS también forma capas estables en superficies hidroxiladas, como la superficie de PDMS o vidrio después del tratamiento con plasma de oxígeno, a través de una reacción de condensación23,29. Si bien la pasivación manual de PFTCS sin ningún método de patrón, como la aplicación manual de líquidos, se puede usar para la fabricación de baja precisión, los dispositivos accionables con alta precisión requieren un método de unión selectivo escalable.

En este trabajo, presentamos una técnica simple, precisa y resistente mecánica y químicamente para la unión selectiva de PDMS para mejorar la estabilidad de PMA para misiones espaciales a largo plazo. Investigamos el nivel de vacío, la temperatura y el tiempo asociados con la deposición de PFTCS para obtener una capa de PFTCS precisa en un sello de PDMS y la transferencia de PFTCS entre el sello y un sustrato influenciado por el tiempo, la temperatura y el material del sustrato. Al determinar parámetros fisicoquímicos detallados, pudimos demostrar la fabricación impecable de PMA sin ningún problema de adherencia. Fabricamos dos dispositivos de ejemplo con este procedimiento y los probamos para demostrar la usabilidad y la estabilidad a largo plazo para la futura exploración espacial. Con todos los resultados de la caracterización, este método de fabricación se puede expandir fácilmente más allá de los dispositivos presentados en este trabajo para matrices de microválvulas de alta densidad, dispositivos MEMS estirables con escala de obleas y otros campos de investigación donde se requiere unión selectiva con estabilidad a largo plazo.

Como se describe en la Fig. 1, se corta una máscara de deposición (Roland CAMM-1 Servo GX-24) de cinta de vinilo (Gerber; Tolland, CT) y se aplica a una pieza de PDMS a granel (Stockwell Elastomerics; Filadelfia, PA) para el paso 1 y 2. Este método permite una resolución de características de 300 µm. Sin embargo, se podría crear una máscara de manera similar usando fotolitografía que dé como resultado características a escala de micras. Una cámara de vacío (Fisher Scientific, PA) tenía una tapa de placa de Petri de 5 pulgadas asegurada en la parte superior con cinta adhesiva de doble cara para proporcionar una ubicación de montaje para los sellos. El sello se colocó en el medio de la parte superior de la cámara y el PFTCS (Sigma Aldrich, MO USA) se retiró de un desecador para su uso. Se calentó un bloque térmico durante al menos dos horas antes de colocarlo en la cámara con una tapa de microtubo que contenía PFTCS. Para iniciar la deposición, se agregaron 100 µl de PFTCS a la parte superior del microtubo y se aplicó vacío. Se controló el nivel de vacío en la cámara y se cerró la válvula de la cámara para aislarla una vez que se alcanzó el nivel de vacío requerido. Después del tiempo de depósito deseado, se liberó el vacío de la cámara para obtener un sello depositado de PFTCS descrito en los pasos 3 y 4 en la Fig. 1.

Descripción general del procedimiento de depósito y estampación. (1) Se corta una máscara de cinta de vinilo según el patrón de unión selectiva deseado. (2) Esta máscara se aplica a una losa de PDMS que actuará como sello. (3) La deposición de PFTCS ocurre en un desecador de vacío de bajo costo. (4) La máscara de cinta se quita del sello, dejando el PFTCS solo en el área expuesta. (5) Se utilizan calor y fuerza para transferir el PFTCS del sello al sustrato deseado. (6) Después de la transferencia, el sello muestra signos aparentes de transferencia al sustrato para facilitar las comprobaciones de control de calidad.

El estampado se realizó sobre dos sustratos, vidrio y PDMS con una característica cruzada. Antes del estampado, cada sustrato se limpió con acetona (solo vidrio), IPA y agua desionizada (todos los sustratos) antes de secarlos con gas N2. Luego se usó una plantilla para marcar la parte inferior de los portaobjetos de vidrio para especificar dónde se iba a estampar el PFTCS. Cada sustrato se colocó en una placa calefactora a la temperatura deseada para ese experimento y se dejó reposar a una temperatura de estado estable, ~ 15 min. Los sustratos se retiraron brevemente de la placa calefactora y los sellos se alinearon antes de presionarlos. La alineación se realizó usando marcas en el vidrio o las cruces de PDMS como puntos de referencia. Estos puntos de referencia se alinearon manualmente con la deposición opaca de PFTCS en el propio sello. Como se muestra en el paso 5 de la Fig. 1, después de la alineación, la combinación de sustrato y sello se devolvió a la placa calefactora y se colocó encima un peso cilíndrico de 3 kg, correspondiente a 6,5 ​​kPa o presión. Al final de cada paso de tiempo (1, 15, 30 y 60 min), el sello se retiró del sustrato y se almacenó para su medición junto con el PDMS presentado, si fuera necesario, dejando el sello con el patrón PFTCS residual que se muestra en el paso 6 de la figura 1.

Todas las mediciones de espesor se completaron utilizando un Olympus LEXT OLS5000 (Olympus, Japón). El espesor de la película PFTCS y la variación de la altura se determinaron utilizando la utilidad de paso del software Olympus, comparando la altura promedio entre dos regiones de interés en el perfil. La medición de rugosidad se completó obteniendo la variación de altura a lo largo de una región de interés establecida como área de depósito de PFTCS. La uniformidad de la transferencia se cuantificó utilizando ImageJ para seleccionar áreas de transferencia de PFTCS y compararlas con el área de transferencia posible general. Las mediciones del microscopio electrónico de barrido (SEM) se realizaron con un FEI Quanta 600F (Oregón, EE. UU.) usando el detector de electrones secundario. Las muestras se prepararon como se detalla en los métodos antes de la medición SEM en el modo de bajo vacío de Quanta.

La Figura SI1 muestra un diseño simple de chip de cinco microválvulas en AutoCAD12. Este chip fue diseñado para ser una plataforma simple para probar la unión selectiva. El diseño constaba de cuatro válvulas de dos vías y una válvula central de cuatro vías. Los moldes requeridos se fabricaron usando métodos de xurografía convencionales utilizando un cortador de vinilo y cinta de vinilo30. Se requirieron dos moldes para los dispositivos, correspondientes a la capa neumática y la capa fluídica del dispositivo final. La capa fluídica debe ser delgada para que la membrana de la válvula funcione correctamente, por lo que el patrón de la cinta se colocó en la tapa de una placa de Petri para el recubrimiento por rotación. Esta tapa tenía PDMS sin curar (10:1) vertido sobre la parte superior y se centrifugó a 200 rpm para un espesor de ~ 150 micras. El grosor de la capa neumática no era crítico, por lo que su patrón se colocó dentro de una placa de Petri y se vertió PDMS sin curar hasta un grosor de ~ 3 mm. Las dos capas se curaron a 75 °C durante dos horas. La capa neumática curada se retiró del molde y se punzonaron las entradas neumáticas. La capa fluídica se retiró de su molde presionando una lámina de plástico flexible contra el PMDS y despegando gradualmente la capa del molde. Se colocó una segunda lámina de plástico en el otro lado para evitar la contaminación por polvo. Debido a que cada molde tenía características para nueve chips, la capa fluídica se cortó con tijeras y la capa neumática se cortó con una navaja. Las piezas fluídicas y neumáticas se limpiaron brevemente con cinta antes del tratamiento con plasma de oxígeno para una unión permanente22. Brevemente, los elementos neumáticos y fluídicos coincidentes se colocaron en una cámara de plasma para su exposición. Después de la exposición, cada uno se limpió brevemente con gas N2 para eliminar el polvo, se alineó usando las compuertas como guía y luego se puso en contacto. A continuación, los dispositivos se colocaron en una placa caliente a 65 °C durante 30 min para completar la unión. Por último, se perforaron los puertos fluídicos y los chips se envolvieron en una envoltura de plástico para evitar la contaminación durante el almacenamiento.

Además del chip de la válvula de compuerta, se diseñó una máscara de sello correspondiente en AutoCAD. La máscara tenía áreas abiertas que correspondían a la ubicación de las microválvulas del PMA simple. La máscara se cortó utilizando el mismo método descrito anteriormente y las ubicaciones desenmascaradas se podaron manualmente. A continuación, se polimerizó un cilindro de PDMS de 90 mm de diámetro y 3 mm de espesor, y la máscara se transfirió a este cilindro. El PDMS se cortó en sellos individuales y cada uno se almacenó hasta su depósito.

Los procedimientos de unión son casi idénticos para los dispositivos PDMS estampados y destacados en vidrio. En la caja de vidrio estampado, el vidrio y cuatro chips PDMS se colocaron en la cámara de plasma de oxígeno. El PFTCS en sí mismo es estable bajo plasma de oxígeno y las pruebas mostraron una disminución de menos del 10 % en el espesor con los parámetros de exposición utilizados en este trabajo. Para las microválvulas de PDMS estampadas, se colocaron en una cámara cuatro chips tratados y un portaobjetos de vidrio. En ambos casos, el vidrio y el PDMS se trataron con plasma de oxígeno (PE-50 de Plasma Etch, NV) durante 30 s a 200 mTorr y 80 % de potencia. Los chips de PDMS con características tratadas simplemente se unieron al portaobjetos de vidrio, y los chips de PDMS sin tratar se alinearon con las marcas en la parte inferior del vidrio tratado para alinear las características correctamente con el PFTCS transferido. Después de la alineación, los chips ensamblados se colocaron en una placa caliente a 65 °C durante 30 min para completar la unión.

La prueba de actuación inicial del PMA simple se realizó primero aplicando vacío a cada microválvula. Una vez que se confirmó la funcionalidad de cada microválvula, se verificó la uniformidad de la transferencia comprobando si había fugas. La transferencia no uniforme daría lugar a un sellado deficiente de la válvula debido a las pequeñas diferencias de altura a lo largo de la compuerta. Dos microválvulas se conectaron a una fuente de nitrógeno de 50 kPa como presión de cierre12, mientras que las otras dos se conectaron a vacío. Según los datos de la Fig. 5C, se usó un caudal de 90 µL/min para estar muy por encima de la presión máxima durante el funcionamiento regular del bombeo de microválvulas, y se controlaron las válvulas presurizadas para detectar signos de fugas en estas condiciones.

Además, se fabricó un dispositivo de cinta estirable como una demostración separada de este método. Primero, se preparó un sello con una máscara de deposición y la máscara se muestra en la Fig. SI2. La deposición sobre el sello procedió como se discutió anteriormente con una temperatura de fuente de 115 °C y un tiempo de deposición de 30 min. A continuación, se estiró una tira de PDMS de 75 × 25 mm y se aseguró a un portaobjetos de vidrio. El sello se retiró de la cámara y se presionó sobre la tira de PDMS, estampando durante 30 min a 150 °C. Por último, el PDMS estampado se adhirió al diseño de cinta de PDMS que se muestra en la Fig. SI2 y luego se relajó, donde se observó la separación en función de las áreas estampadas.

Se fabricó un PMA a mayor escala que consta de 25 válvulas de dos y cuatro vías usando los parámetros optimizados detallados anteriormente y se probó su funcionalidad después de un almacenamiento a largo plazo y sujeto a un gran número de actuaciones. En resumen, los moldes SU-8 para capas neumáticas y fluídicas se fabricaron utilizando un protocolo de fotolitografía estándar4,12. Luego, la fabricación procedió como se describió anteriormente para el chip de 5 válvulas. Se creó y aplicó un sello usando los parámetros optimizados determinados antes de unir el PDMS a una oblea de vidrio. Se usó una secuencia de bombeo para demostrar el accionamiento de todas las microválvulas para transportar líquido desde una entrada a una salida. Las mediciones de caudal se tomaron utilizando un monitor de caudal Sensirion (Suiza) SLI-1000 y se compararon después de un almacenamiento en seco a largo plazo o durante un período prolongado de actuación repetida. Además, el PMA fue desafiado en el lanzamiento de un cohete para estar expuesto a condiciones de alta fuerza G y vibraciones inducidas por el lanzamiento del cohete para confirmar la estabilidad del recubrimiento PFTCS. Los parámetros de vuelo se incluyen en la Tabla SI1 y también se incluye un enlace para ver el video del vuelo. También se incluye un video del lanzamiento con la información complementaria. Se utilizó un registrador de datos de fuerza g VB300 (Extech; Nashua, NH) para medir la aceleración y la vibración durante este lanzamiento.

Primero, se investigaron las tasas de vaporización de PFTCS líquido con respecto al tiempo para determinar tiempos de deposición razonables, como se muestra en la Fig. SI4. Esta prueba inicial se realizó a -80 kPa, que está muy por encima de la presión de vapor de PFTCS. Bajo este nivel de presión, la tasa de vaporización de PFTCS comenzó relativamente alta (7,73 mg/min) y cayó exponencialmente y alcanzó un equilibrio de la tasa de vaporización (2,08 mg/min) después de 60 min. Después de estas evaluaciones iniciales, se probó la deposición real de PFTCS en un sello de PDMS con tres niveles de tres parámetros diferentes, considerando las propiedades termodinámicas de PFTCS: cámara de vacío (-5, -37,5 y -80 kPa), tiempo de deposición (20, 30 , y 40 min) y la temperatura de la fuente (85, 115 y 145 °C). Para el vacío de la cámara, elegimos niveles de vacío justo por encima y por debajo de la presión de vapor de PFTCS (−35 kPa)31 y un nivel de vacío alto razonable para un entorno de laboratorio. Los tiempos se eligieron en función de los experimentos de vaporización, ya que son lo suficientemente largos para que las moléculas de PFTCS estén presentes en la cámara, mientras que son lo suficientemente largos para estar dentro del 15 % del valor de estado estacionario. Las temperaturas de origen se seleccionaron para investigar la influencia de la vaporización de PFTCS para promover la tasa de deposición sin dañar el PDMS32 y garantizar la vaporización en el extremo inferior31. La Figura SI4 muestra la deposición de PFTCS bajo estos parámetros de control. A partir de las pruebas de ANOVA (n = 3 para todos los parámetros y niveles), encontramos que el parámetro más influyente entre estos parámetros fue el nivel de vacío de la cámara (α = 0,05). El tiempo y la temperatura muestran un impacto menor en la deposición general sobre la presión, pero afectan la estabilidad general de la deposición. Por lo tanto, el caso de tiempo de deposición de 30 min y temperatura de fuente de 115 °C muestra la desviación estándar más baja de cantidades de deposición significativas.

Se realizaron más investigaciones con varias presiones de vacío para determinar la condición óptima para la deposición de PFTCS que se presenta en la Fig. 2. A una presión de vapor superior a la de PFTCS, la tasa de deposición aumenta exponencialmente entre -73 y -80 kPa, aumentando un promedio de 3,6 nm/min. /kPa (deposición de 36,5 nm/min a -80 kPa frente a deposición de 10,23 nm/min a -73 kPa). Sin embargo, más allá de -87 kPa de vacío, esta tasa de deposición por nivel de vacío cae 0,97 nm/min/kPa. A una presión de vapor inferior a la PFTCS, hay poco cambio en la tasa de deposición debido a las moléculas PFTCS limitadas. El aumento del vacío por encima del nivel crítico de vacío condujo a una deposición más consistente en la superficie del sello PDMS a medida que más molécula de PFTCS vaporizada llenaba la cámara. Curiosamente, observamos que las tasas de depósito aumentaron exponencialmente de -73 a -80 kPa. Por lo tanto, teniendo en cuenta la tasa de deposición y la consistencia general, elegimos usar un vacío de -80 kPa, una temperatura de fuente de 115 °C y un tiempo de deposición de 30 minutos para los experimentos restantes.

La tasa de deposición medida de PFTCS según el nivel de vacío. Todas las mediciones de los experimentos se realizaron después de 30 min de depósito y por triplicado. El fuerte aumento a 73 kPa se debe a la presión de vapor del PFTCS y la deposición a niveles de vacío más bajos se debe principalmente a la volatilidad del PFTCS.

Para demostrar la transferencia de PFTCS a un PDMS con patrón cruzado, se adjuntó una máscara de sombra con la matriz de ventana circular en una hoja de PDMS y se depositó PFTCS con las condiciones óptimas anteriores para crear la matriz de puntos de PFTCS. Este PFTCS se transfirió al PDMS con patrón cruzado con control de la temperatura del sustrato y el tiempo de estampado. Las Figuras 3A y B presentan la transferencia del PFTCS en la superficie de PDMS con patrón cruzado con respecto al tiempo de contacto y la temperatura. Observamos que la temperatura era un parámetro crítico, mientras que el tiempo en la cantidad de transferencia era mínimo, excepto en el caso de la temperatura ambiente. Al elevar la temperatura durante el contacto, la cobertura de PFTCS en el patrón cruzado es uniforme y delgada, mientras que el caso de temperatura ambiente muestra una deposición inconsistente de PFTCS. Esto se debe a que la energía térmica promueve una reacción de condensación en las superficies del sello y del sustrato, lo que hace que el PFTCS se una a la superficie del PDMS. Dado que no hay reacción de condensación en el caso de temperatura ambiente, observamos una variación significativa del espesor de PFTCS tanto en la superficie del sello como en la del sustrato.

Caracterización del estampado PDMS-PDMS a un patrón cruzado. (A) Imagen de la cruz después de estampar con PFTCS resaltada en verde. (B) Cobertura superficial con respecto al tiempo y temperatura de estampado. (C) Imagen de los sellos correspondientes después de estampar durante 30 min. (D) Altura RMS promedio en tres ubicaciones de cada sello que muestra la uniformidad de la transferencia. La imagen insertada describe dónde se obtuvieron A y C. Todos los experimentos fueron realizados por triplicado.

El área de transferencia es fundamental, ya que la transferencia en parches puede provocar una adherencia parcial o total o una superficie irregular, según la aplicación final del sustrato. La Figura 3A y B muestran la cobertura de la superficie de las características PDMS correspondientes y la cobertura de la superficie estampada mediante el control de la temperatura y el tiempo de estampado. Como se indica con el color verde en la Fig. 3A, se puede ver un claro aumento en la cobertura de la superficie a medida que aumenta la temperatura. Al realizar estudios paramétricos con temperatura y tiempo de estampado, pudimos determinar cambios en la cobertura de la superficie. La Figura 3B muestra que en el caso del estampado a temperatura ambiente, la cobertura de la superficie de PFTCS aumentó del 17 al 79 % al aumentar los tiempos de estampado de 1 a 60 min y el calentamiento del sustrato durante el estampado dio como resultado una cobertura de la superficie superior al 95 % independientemente del tiempo. probablemente debido al precalentamiento del sustrato. Sin embargo, el aumento de la temperatura de 85 a 150 °C no mejoró significativamente la cobertura porque ya era posible una transferencia perfectamente uniforme a la temperatura más baja. La simulación de la transferencia de calor durante el proceso de estampado descrito en la Fig. SI5 muestra que las temperaturas alcanzan rápidamente más de 57 y 92 °C en la interfaz PFTCS para los casos de placas calefactoras de 85 y 150 °C, respectivamente, debido al precalentamiento del sustrato que tomó lugar. Las temperaturas se establecen en 65 y 110 °C debido a que el peso de estampado actúa como disipador de calor. Esta acción del disipador de calor provoca un flujo de calor continuo a través de la interfaz de estampado y la temperatura y los resultados experimentales muestran que es probable que ocurra una reacción de condensación, lo que hace que las capas de PFTCS se adhieran a las cruces en lugar de los trozos que se ven en el caso de temperatura ambiente.

Las Figuras 3C y D cuantifican la rugosidad de la transferencia informando la altura RMS en tres puntos de cada uno de los sellos. La altura RMS informa la desviación estándar de la altura de la película que indica la uniformidad del espesor del PFTCS transferido. La altura RMS de la superficie estampada disminuye considerablemente de 1166 ± 459 nm a 25 °C a 194 ± 125 nm a 85 °C de temperatura de la placa caliente, lo que muestra un aumento en la uniformidad, pero solo hay un cambio del 20 % entre 85 °C y la altura de 159,5 ± 37 nm a 150 °C. Sin embargo, la altura RMS a 150 °C tiene una desviación estándar mucho más baja, lo que indica la uniformidad en la superficie del sello.

Se ha realizado una demostración adicional con un sustrato de vidrio. La transferencia a un vidrio desnudo fue constante en todas las temperaturas y tiempos debido a la abundancia de grupos hidroxilo en la superficie del vidrio en comparación con el PDMS no tratado33,34. Esta propiedad promueve la adherencia de PFTCS a la superficie permitiendo una película de PFTCS uniforme (Fig. SI6). Independientemente de la temperatura, no había una cantidad detectable de PFTCS en el sello y el sustrato de vidrio mostró un grosor uniforme cuando se tomaron imágenes, una rugosidad promedio de 350 ± 113 nm en las tres imágenes.

Se probó una unión selectiva adicional para vidrio y se presentó PDMS. En la práctica, el patrón cruzado transferido al PDMS presentado en el experimento anterior coincide con la transferencia que se requiere para pasivar las microválvulas. Por lo tanto, la unión selectiva se confirmó probando tanto las microválvulas estampadas como las microválvulas unidas al vidrio estampado. La figura 4A presenta una matriz de microválvulas simple con una red de 5 microválvulas que se utiliza para los experimentos y la caracterización. Durante la fabricación de la matriz de microválvulas, observamos algunas de las fallas parciales o completas debido a la desalineación del sello, la falta parcial de la microválvula o el área de contacto de la microválvula que conduce al problema de atascamiento de la válvula. Se estimó la tasa de éxito general en un sustrato de vidrio o PDMS. La figura 4B muestra la tasa de éxito de los chips estampados en vidrio. No hay un patrón aparente en la tasa de éxito, ya que la temperatura de estampado varió del 92 al 75 % para el estampado a temperatura ambiente y 150 °C, respectivamente. Los chips estampados de vidrio tuvieron un buen desempeño constante debido a la consistencia de la transferencia, como se señaló anteriormente. Sin embargo, la alineación con vidrio estampado fue difícil debido a la falta de visibilidad de PFTCS, lo que provocó fallas debido a la desalineación de las microválvulas. En general, no se recomienda estampar sobre un sustrato de vidrio desnudo ya que la deposición directa sobre el vidrio aprovecha la opacidad del PFTCS depositado para una alineación simple. Para el sustrato PDMS presentado que se muestra en la Fig. 4C, se observa una tendencia notable hacia la necesidad de una temperatura de transferencia más alta, 17-100 % de éxito a medida que aumenta la temperatura. Como se discutió anteriormente, el estampado a baja temperatura conduce a una transferencia deficiente a las funciones y causa problemas generalizados de adherencia en todo el chip. Por lo tanto, se deben usar al menos 100 °C durante el estampado de PDMS destacados para provocar una reacción de condensación, lo que resulta en una alta uniformidad de transferencia y funcionalidad del dispositivo.

Caracterización de la transferencia de PFTCS desde un sello PDMS a diferentes sustratos. (A) Un diseño de chip simple de 5 microválvulas. (BC) La tasa de éxito de PFTCS transferida de un sello PDMS a características PDMS y al vidrio, respectivamente. Las imágenes insertadas en (B) y (C) muestran la ubicación del PFTCS (verde) con respecto al PDMS (rojo) y el vidrio (azul). (D) Espesor de PFTCS rastreado a lo largo del proceso de fabricación de una puerta de PDMS estampada con PFTCS bajo los parámetros de fabricación optimizados. Todos los resultados son de 10 de los chips de 5 microválvulas que se muestran en (A).

Además, se ha realizado una caracterización adicional para comprender la estabilidad de la unión selectiva de microválvulas mediante SEM. Después de comprobar la compuerta de la microválvula y la superficie de contacto, encontramos que PFTCS se presenta en ambos lados. Como se indica en la Fig. SI7C, las capas de PFTCS se formaron en ambas superficies con aproximadamente la mitad del PFTCS en la compuerta que permite que la microválvula funcione sin problemas de adherencia durante un largo período de tiempo. La figura 4D ofrece un desglose de la distribución de PFTCS a lo largo de todo el proceso de fabricación de un solo chip. Aproximadamente el 30 % del PFTCS del sello se transfiere a la microválvula PDMS y este 30 % se divide uniformemente entre la microválvula y el sustrato de vidrio después del paso final de unión.

Como demostración adicional de esta técnica de unión selectiva, se fabricó y probó el microdispositivo estirable observando el ensamblaje y la calidad de las estructuras 3D diseñadas. Para fabricar el dispositivo estirable que se muestra en la Fig. SI8, el PDMS delgado se estiró unidireccionalmente un 15 %, se enmascaró, se depositó PFTCS y luego se unió a una cinta de PDMS después de la alineación con el patrón de PFTCS antes de la relajación. Se formaron con éxito múltiples estructuras 3D en forma de arco sin ningún procedimiento pesado de microfabricación cuando se relajó el estiramiento del sustrato delgado de PDMS.

La Figura 5 muestra un PMA a mayor escala con 25 microválvulas que se fabricó utilizando los parámetros optimizados para realizar una manipulación fluídica compleja. Este PMA está diseñado para ser un componente de bombeo para un procesador fluídico completo. Si se combina con un sistema de detección, la combinación se puede utilizar para la detección de señales de vida en muestras extraterrestres in situ aprovechando la estabilidad a largo plazo que ofrece el método de fabricación presentado. Por ejemplo, el análisis de muestras de hielo de las lunas de Saturno y Júpiter puede revelar signos de vida en nuestro sistema solar35 y un PMA fabricado con el método de fabricación presentado tiene la capacidad no solo de realizar el procesamiento necesario, sino también de seguir funcionando después de años de almacenamiento. durante el vuelo

Diferentes pruebas de estabilidad a largo plazo para el método de fabricación presentado. (A) Diagrama de ejemplo de secuencia de bombeo que extrae fluido y luego lo empuja hacia donde se necesita. Los números en el diagrama designan los números de válvula para la secuencia de actuación proporcionada en la información complementaria. (B) Comparación del perfil de caudal de un dispositivo complejo basado en microválvulas fabricado con este método basado en PFTCS en la fecha de fabricación y 3 años después. El gráfico insertado muestra un perfil de fuerza g de un minuto de duración que este chip experimentó durante el lanzamiento de un cohete y se estrelló entre el tiempo de los dos gráficos de velocidad de flujo. El lanzamiento tuvo una aceleración sostenida de 7,5 g aplicada al chip y durante el choque la aceleración fue de hasta 25 g. Esto muestra las capacidades de longevidad y la resistencia de este método de impresión por microcontacto. (C) Comparación del desempeño del mismo tipo de dispositivo con uso constante durante miles de operaciones de apertura y cierre. Los accionamientos especificados corresponden a una sola válvula en la secuencia, lo que significa que cada una de las 11 válvulas experimentó ese mismo número de accionamientos.

Por lo tanto, es importante verificar la estabilidad de este componente después de actuaciones a largo plazo, lanzamiento de cohete simulado y almacenamiento a largo plazo. La figura 5A muestra el diseño de PMA y las instantáneas de la secuencia de bombeo con tintes de color utilizados en las pruebas de estabilidad. La numeración en la caricatura designa los números de válvula para la secuencia de actuación proporcionada en la información complementaria (Tabla SI2). La secuencia comenzó abriendo una de las válvulas perimetrales de dos vías y luego, en secuencia, abriendo las válvulas interiores de cuatro vías hasta que todas estén abiertas como se muestra en la Fig. 5A1. Una vez que todas las válvulas de cuatro vías están abiertas (Fig. 5A2), se cierra la válvula de dos vías de entrada y luego se abre una válvula de dos vías de salida. Por último, las válvulas interiores de cuatro vías se cierran en secuencia para expulsar el fluido como se muestra en la Fig. 5A3. Esta secuencia de bombeo se repitió para las siguientes pruebas de estabilidad en diversas condiciones. Las Figuras 5B y C muestran el caudal de esta secuencia después de varias condiciones de almacenamiento, fuerza y ​​actuación, así como el volumen promedio por ciclo de la secuencia de bombeo en cada caso. La Figura 5B muestra que este método es estable con respecto a largos tiempos de reposo, > 3 años, ya que el perfil de flujo es idéntico después de la fabricación y tres años después. Además, el gráfico insertado en la Fig. 5B muestra un diagrama de fuerza g experimentado por ese chip en particular durante un vuelo de prueba de cohete y choque entre el momento de las dos mediciones de caudal. La fuerza g promedio durante el lanzamiento fue de aproximadamente 7,5 g, lo que coincide con lo que se esperaba ligeramente más alto durante los lanzamientos típicos, 3–6 g36, y el chip pudo soportar fuerzas de hasta 25 g durante el choque. Durante el descenso y el choque, el PMA también estuvo sujeto a vibraciones a 7,5 Hz durante aproximadamente 10 s. La resiliencia del PMA a estas condiciones demuestra que el método de enlace selectivo PFTCS es estable durante y después del lanzamiento de un cohete. Otros chips probados después de largos tiempos de descanso (> 3 años) muestran algunos tiempos de respuesta lentos cuando se reabren las válvulas inicialmente. Después de algunas actuaciones de cebado de ~ 10 veces, el PMA vuelve a sus condiciones de funcionamiento habituales. Este almacenamiento a largo plazo demuestra la resistencia del enlace PDMS-vidrio alrededor de la microválvula. Como se trata de un vínculo irreversible, no se prevé la falla del vínculo; sin embargo, la unión de PDMS-vidrio alrededor de la microválvula está sujeta a presiones relativamente altas durante cortos períodos de tiempo cuando la válvula se cierra. Durante la observación, no hay evidencia de fallas o alteraciones en esta región, lo que indica la continuidad de la fuerza de la unión. Además, los resultados de alto uso presentados en la Fig. 5C muestran la estabilidad y consistencia del PMA a pesar de las tareas y secuencias repetitivas. Cada uno de los puntos medidos tiene un gráfico idéntico independientemente del número de actuaciones. Después de 18 h de actuación constante de todas las microválvulas en el PMA, casi no hay diferencia en el rendimiento del PMA. Estos resultados muestran que se puede confiar en el método de enlace selectivo asistido por PFTCS para misiones espaciales que tienen largos tiempos de espera y una gran cantidad de operaciones de ciclo sin riesgo de fallas en las operaciones de microfluidos. Se están realizando más caracterizaciones para comprender los perfiles térmicos y el rendimiento de actuación de PMA bajo cero g.

Para respaldar una misión espacial a largo plazo utilizando una matriz de microválvulas programables, se caracterizó y demostró por primera vez un procedimiento de unión selectiva de PDMS mediante la impresión de microcontactos PFTCS. La fabricación del sello, la deposición de PFTCS y el uso de los sellos se caracterizaron en detalle, y se identificaron los parámetros principales, como la temperatura, la presión y las condiciones de carga para la deposición y el sello, para lograr la unión selectiva de PDMS en varios sustratos. En particular, determinamos los parámetros dominantes tanto para la deposición, alto nivel de vacío, como para el estampado, alta temperatura. Los otros parámetros probados, la temperatura de la fuente y el tiempo durante la deposición y el tiempo de estampación y el material durante la transferencia, no fueron influyentes con respecto al ruido de fondo en los datos. Usando el protocolo detallado en este manuscrito, PFTCS se depositó en sellos de PDMS que se usaron para transferir el PFTCS tanto al vidrio como al PDMS para demostrar una matriz de microválvulas y un dispositivo de cinta 3D estirable. Además, este método de fabricación es estable durante largos períodos de tiempo, una gran cantidad de actuaciones y la exposición a altas fuerzas G, lo que lo hace útil para misiones espaciales a largo plazo sin ninguna alteración de la funcionalidad de la microválvula. Además, la técnica de unión selectiva presentada es fácilmente escalable a dispositivos más grandes con matriz de microválvulas de alta densidad. Un PMA más complejo que el presentado aquí sería capaz de almacenar y diluir reactivos, mezclar y etiquetar muestras y entregar la muestra etiquetada a un sistema de detección, todo con la estabilidad a largo plazo requerida para misiones en el sistema solar exterior. Ese PMA hipotético podría usarse para muchos perfiles de misión diferentes, ya que su programabilidad permite cambios de protocolo sin cambiar el diseño físico del chip. Las pruebas adicionales serán particularmente beneficiosas para el termociclado para comprender el estrés térmico inducido por la expansión térmica y la vibración integral para evaluar la estabilidad mecánica. A pesar de que los resultados preliminares para este tipo de pruebas son prometedores, aún se necesitan pruebas ambientales más extensas para mejorar el nivel de preparación tecnológica (TRL). Además, el método de fabricación presentado se puede mejorar mediante el uso de enmascaramiento basado en fotoprotector del sello PDMS. Esto aumentaría en gran medida la posible resolución de este método para crear patrones de tratamiento de superficie más complejos.

Los conjuntos de datos generados y analizados durante este trabajo no están disponibles públicamente debido a la consideración de la solicitud de patente, pero están disponibles del autor correspondiente a pedido razonable.

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Este trabajo fue apoyado principalmente por la subvención 80NSSC17K0600 y REDDI 80NSSC21K0447 de NASA MatISSE. Además, J. Kim agradece el apoyo financiero de este proyecto de la Universidad de Utah. Todos los autores agradecen a la Sociedad Aeroespacial Raider de la Universidad Tecnológica de Texas por su apoyo para proporcionar el lanzamiento del cohete para las pruebas de estabilidad. Este trabajo se realizó en parte en Utah Nanofab patrocinado por la Facultad de Ingeniería, la Oficina del Vicepresidente de Investigación y la iniciativa de Investigación y Tecnología Científica de Utah (USTAR) del Estado de Utah. Los autores agradecen el apoyo del personal y las instalaciones que hicieron posible este trabajo.

Departamento de Ingeniería Mecánica, Universidad de Utah, Salt Lake City, UT, 84112, EE. UU.

Zachary Estlack y Jungkyu Kim

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investigación diseñada por ZE y JK; ZE realizó investigaciones; ZE y JK analizaron los datos; y ZE y JK escribieron el artículo.

Correspondencia a Jungkyu Kim.

Los autores declaran no tener conflictos de intereses.

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Reimpresiones y permisos

Estlack, Z., Kim, J. Fabricación de arreglos de microválvulas usando unión selectiva de PDMS (polidimetilsiloxano) a través de la pasivación de perfluorooctilo-triclorosilano para la exploración espacial a largo plazo. Informe científico 12, 12398 (2022). https://doi.org/10.1038/s41598-022-16574-9

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Recibido: 01 febrero 2022

Aceptado: 12 julio 2022

Publicado: 20 julio 2022

DOI: https://doi.org/10.1038/s41598-022-16574-9

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