Migración lateral de partículas inducida por ferrocarril a través de co intacto

Scientific Reports volumen 12, número de artículo: 21775 (2022) Citar este artículo

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Este artículo presenta un método guiado por rieles para aplicar un recubrimiento capa por capa (LbL) sobre partículas en un dispositivo de microfluidos. El enfoque de microfluidos pasivos permite manipular suspensiones de partículas que se recubrirán en el sistema. La trayectoria de las partículas se controla mediante rieles grabados, lo que induce el movimiento lateral de las partículas mientras se mantiene intacto el flujo de líquido orientado axialmente (y la interfaz de diferentes líquidos). Se estudiaron la profundidad y el ángulo de los rieles junto con la velocidad del líquido para determinar una geometría viable del dispositivo. Un procedimiento de recubrimiento LbL discontinuo se convirtió en un proceso continuo, lo que demuestra que el chip puede realizar siete pasos consecutivos que normalmente se realizan en operación por lotes, y que se pueden ampliar fácilmente a números de ciclos más grandes. El recubrimiento de las partículas con dos bicapas se confirmó mediante microscopía de fluorescencia.

La capacidad de manipular micropartículas es crucial para muchas aplicaciones en ingeniería, química, biología y física. Varias aplicaciones requieren procesamiento, clasificación o autoensamblaje de partículas. El diseño de partículas avanzadas requiere el uso de procesos de deposición para producir bloques de construcción complejos y nanoestructurados. Una de las técnicas de deposición más populares hoy en día es el método de ensamblaje capa por capa (LbL) 1,2 introducido por Decher et al. Este método tiene muchas ventajas: su preparación sencilla, versatilidad, mejora de las propiedades del material, control sobre la estructura del material, porosidad, robustez y posibilidad de aplicar altas cargas de biomoléculas en las películas3. El método LbL recibió considerable atención en los campos de la ingeniería y la biomedicina y se aplica, por ejemplo, en la administración de fármacos, óptica integrada, sensores y recubrimientos reductores de fricción. En el método LbL clásico, se forman películas delgadas mediante la deposición posterior de polielectrolitos con carga opuesta (electrolitos poliméricos) sobre un sustrato de cualquier forma, lo que da como resultado multicapas de polielectrolitos. La adsorción de la película es principalmente el resultado de interacciones electrostáticas que ocurren entre electrolitos policatiónicos y polianiónicos. La capa se puede conseguir de múltiples maneras, por ejemplo, mediante recubrimiento por inmersión, recubrimiento por rotación o recubrimiento por pulverización. La automatización de los procesos LbL utilizando reactores convencionales a macroescala es muy deseable pero difícil de implementar. Estos procesos lentos y no continuos generalmente requieren equipos voluminosos y costosos. Además, a menudo se encuentran problemas como la falta de uniformidad y la agregación de microcápsulas, lo que requiere la aplicación de etapas de procesamiento posteriores como centrifugación, lavado y resuspensión. Además, el consumo de reactivos es mayor en los procesos por lotes, lo que puede ser un factor importante cuando, por ejemplo, se trata de un fármaco caro.

El manejo de partículas es esencial en los enfoques de fabricación de partículas. Entre las muchas técnicas disponibles, las pinzas ópticas son notablemente poderosas para manipular objetos individuales. Las pinzas ópticas utilizan fuerzas ejercidas por un haz de luz fuertemente enfocado para atrapar y mover partículas que varían en tamaño desde decenas de nanómetros hasta decenas de micrómetros y pueden usarse para organizar conjuntos planos de partículas coloidales, pero también para construir bombas y válvulas ópticas construidas con partículas coloidales en canales de microfluidos activados con pinzas ópticas4,5,6. Otra técnica para manipular partículas utiliza ondas sonoras, que requieren una densidad de potencia menor que las pinzas ópticas. Ding et al. desarrolló un dispositivo acústico, basado en ondas acústicas de superficie estacionaria que pueden atrapar y manipular micropartículas individuales con control en tiempo real7. Se utiliza una onda estacionaria acústica de flujo continuo para la separación de partículas en un rango de tamaño de decenas de nanómetros a decenas de micrómetros. La tecnología de pinzas acústicas facilita el enfoque, la separación, la alineación y el modelado de partículas8,9,10. Se utilizó una onda acústica de superficie enfocada (FSAW) en un entorno de microfluidos para producir microcápsulas con una estructura núcleo-cubierta11. Las partículas magnéticas se pueden manipular en canales de microfluidos mediante el uso de un campo magnético12,13. El magnetismo se ha utilizado en microfluidos para actuación, manipulación y detección. Las fuerzas implicadas en la micromagnetofluídica se han descrito ampliamente y, en general, se comprenden bien14. Hasta ahora se han desarrollado muchas aplicaciones, siendo un ejemplo destacado la separación magnética de partículas y células en flujo continuo15. Otro método activo para controlar el movimiento de partículas es la dielectroforesis de ángulo inclinado16. La trayectoria en zigzag de las partículas a través de tres corrientes laminares paralelas se realizó mediante pares de electrodos paralelos inclinados adyacentes dispuestos en zigzag alrededor del canal de microfluidos16. Ya se han estudiado e informado ampliamente métodos para controlar el movimiento de micropartículas en dispositivos de microfluidos17.

Las tecnologías descritas anteriormente, basadas en óptica, acústica, magnetismo o dielectroforesis, exigen fuerzas externas adicionales y, a veces, se aplican sólo a partículas con propiedades específicas (por ejemplo, magnéticas). Además, algunos de esos métodos requieren equipos muy costosos.

El control pasivo del movimiento de micropartículas en microfluidos es un desafío, pero se ha realizado con éxito. Existen métodos que se basan en efectos inerciales o en estructuras guía, siendo el diseño del canal y la estructura funcional el elemento crítico que permite la manipulación de partículas.

La microfluídica inercial utiliza la inercia del fluido para mejorar la mezcla e inducir la separación y el enfoque de partículas18. Mediante la integración de canales curvos (p. ej., espirales), se pueden utilizar microfluidos inerciales para la separación continua de partículas en función de su tamaño19. Sangupta et al. notó que las partículas coloides pueden seguir líneas (surcos) en un chip de microfluidos20. Estas líneas de defectos fueron aleatorias y las líneas de trayectoria no fueron diseñadas deliberadamente. Otros se centraron en controlar la trayectoria de las partículas en un chip de microfluidos utilizando estructuras guía diseñadas. Parque y col. estudiaron la capacidad de clasificar partículas adaptadas que se ajustan al riel solo si tienen una orientación específica21. El concepto de rieles para partículas especialmente diseñadas también se utilizó no sólo para guiarlas sino también para ensamblarlas en chip22,23,24.

Se puede encontrar más diversidad en las estructuras guía cuando se deben manipular gotas. Kantak et al. trayectorias de gotas impuestas por obstáculos para cubrir las gotas LbL en el chip25. También se desarrolló otro método, con las gotas confinadas en el techo del canal y atrapadas y guiadas por rieles y anclajes grabados en la superficie superior del canal. Para reducir la energía superficial de las gotas, estas entran en una depresión local26. Ahn et al. presentaron un método simple para guiar, distribuir y almacenar un tren de gotas mediante el uso de flujos laterales, vías de guía de cavidades y cámaras de almacenamiento27. Las estructuras ferroviarias también se utilizaron para clasificar burbujas de gas en líquidos28.

Otro método implica la interacción magnética. Los rieles ferromagnéticos se utilizan para crear localmente pozos de potencial magnético. Cuando se apaga el campo, las gotas magnéticas siguen el flujo del líquido. Al activar el campo magnético, las gotas experimentan una fuerza magnética que afecta su trayectoria al pasar sobre el riel magnetizado29. En microfluidos se utilizó una combinación de manipulación activa con láser (óptico) y manipulación pasiva mediante estructuras como rieles y anclajes para modelar matrices 2D con gotas de una manera altamente selectiva30.

En el presente artículo, presentamos un concepto para manipular la trayectoria de partículas en canales de microfluidos. Introducimos un método pasivo que no requiere una fuerza externa ni propiedades específicas de las micropartículas. Mostramos el uso de un riel guía de partículas con el objetivo de poner en contacto la partícula con múltiples líquidos que corren en paralelo. Se estudia el impacto de la geometría del carril (altura y ángulo del carril) sobre la estabilidad del movimiento guiado por partículas, así como de la (interfaz) de los líquidos de coflujo. Usar rieles en el fondo del canal es más práctico que usar estructuras en el canal de microfluidos (como pilares) porque es menos propenso a obstruirse durante el recubrimiento LbL, lo que tiene un impacto en garantizar la estabilidad de los flujos multilaminares.

Luego construimos un mapa operativo de los regímenes líquidos obtenidos y aplicamos este conocimiento para diseñar y validar un chip de microfluidos que reemplaza siete pasos consecutivos en una metodología de recubrimiento LbL. El recubrimiento en chip es rápido y requiere sólo unas pocas decenas de segundos.

El chip se fabricó internamente moliendo polimetilmetacrilato (PMMA) como sustrato. El contorno del chip se presenta en la Fig. 1. El chip se compone de tres capas diferentes que posteriormente se ensamblaron y unieron. El chip tiene tres entradas y tres salidas y las dimensiones de la capa superior son 6 mm × 50 mm (2 mm de espesor). La capa intermedia tiene 1 mm de espesor y un canal de 4 mm de ancho y 30 mm de largo. La parte inferior del chip tiene 2 mm de espesor y tiene una ranura (riel) fresada en su superficie. Al inicio del carril existe una zona de ranura en forma de triángulo para facilitar el atrapamiento de las partículas introducidas con el líquido durante el experimento. El ancho del riel es de 300 µm y la profundidad del riel es de 45 a 310 µm, dependiendo del diseño del chip. La profundidad del carril se determinó mediante un perfilómetro (Filmetrics Profilm 3D). Las mediciones se realizaron en cinco posiciones diferentes para cada riel (Fig. 2) antes de unir el chip. Se aplicó el mismo método para medir la rugosidad, Rg, de la superficie inferior de la viruta y del carril. Después de probar diferentes ángulos de rieles: 0°, 5°, 10°, 15°; Se diseñó y fabricó un chip en zig-zag (Fig. 1d). El chip en zig-zag fue diseñado para el recubrimiento de partículas LbL en el chip y está construido, de manera similar a los chips anteriores, a partir de tres capas, pero es más largo (la capa superior tiene unas dimensiones de 6 mm × 20 cm y la capa intermedia tiene un canal de 4 mm de ancho y 18 cm de largo) y su carril está construido con carriles de 0° y 5° conectados entre sí en forma de zig-zag. Por lo tanto, el chip en zig-zag puede acomodar cuatro segmentos de riel a 5° con respecto a la dirección del canal (ver Fig. 1d). Como ejemplo de un chip en zig-zag, en la Fig. 1S se muestra una imagen de un chip de PMMA con un canal escalonado en zig-zag.

Esquema del chip: (a) vista superior, (b) partes del chip, (c) vista lateral, (d) un chip en zig-zag [no a escala: el chip en zig-zag es más largo que un solo riel chip en (c) (50 mm)].

Medición perfilométrica de la profundidad del riel antes de unir las partes del chip: (a) vista 3D, (b) perfil de línea.

Se eligió etanol como líquido portador para estudiar el comportamiento del flujo de líquido en el chip por múltiples razones, la más importante de las cuales es que es un excelente solvente para muchos químicos. Además, humedece el PMMA, lo que garantiza una fácil eliminación de las burbujas de gas y evita que las partículas se adhieran a la superficie.

Se introdujo etanol en el chip a través de las tres entradas. La corriente del medio era pura, mientras que las corrientes adyacentes estaban coloreadas con tinte azul para visualizar el flujo, ver Fig. 3a. El caudal de los tres líquidos se controló con una bomba de jeringa. Los líquidos siempre se introdujeron al mismo caudal, que oscilaba entre 20 y 240 ml h-1 con velocidades de líquido lineales correspondientes de 4,2 a 50 mm s-1. Tenga en cuenta que estos valores se refieren a las velocidades promedio del líquido en el chip. La velocidad del líquido es máxima en la parte central del flujo y disminuye a cero en el límite. Por lo tanto, al nivel de las partículas que se mueven cerca del fondo del chip, la velocidad del fluido es sustancialmente menor que el valor promedio. Las velocidades reales del fluido al nivel de las partículas se estiman a continuación en "Métodos", "Perfil de velocidad del fluido".

(a) Esquema del experimento: (i) vista superior del chip, (ii) sección transversal del chip. (b) Tres regímenes observados para un carril en un ángulo de 15°, barra de escala de 1 mm.

Al realizar los experimentos, se observaron tres tipos de comportamiento del flujo de líquido, denominados regímenes 1, 2 y 3, ver Fig. 3b.

Se observan tres franjas claras en líquidos en coflujo azul-transparente-azul. El líquido en toda la zona del chorro central es transparente. Esto significa que hay etanol (transparente) en el carril y en el canal situado encima del carril. El riel se llena con diferentes líquidos dependiendo de la posición del riel en el chip. Se llena con el líquido que fluye por encima.

Aunque se puede distinguir el coflujo de los tres líquidos, el etanol de color azul está presente a lo largo de toda la longitud del riel. Esto es visible en el chip donde el etanol transparente fluye en el medio del canal mientras que debajo el etanol de color azul fluye dentro del riel. El inicio del carril está en la entrada del chip donde se introduce el etanol de color azul. Este líquido invade el carril y lo llena en toda su longitud.

Ya no se observan fronteras claras entre los líquidos que fluyen simultáneamente. El tinte azul cubre el área de la corriente media.

La ocurrencia de los tres regímenes de transporte de líquidos en el riel en función de la profundidad del riel y la velocidad del líquido se resume en la Fig. 4. El régimen 1 se observó para velocidades de los líquidos > 15 mm s-1 con una profundidad del riel < 100 µm . El régimen 2 se observó para velocidades de los líquidos > 15 mm s-1 y carriles de profundidad > 160 µm. Se observó el régimen 3 para velocidades bajas de los líquidos <15 mm s-1 para todos los rieles probados.

Mapa que muestra dónde se observan los tres regímenes de transporte de líquidos en un ferrocarril en función de la profundidad del carril y el caudal de líquido.

Con el objetivo de proporcionar condiciones para tratamientos químicos repetitivos sobre partículas, sólo se consideran apropiadas las condiciones que conducen al Régimen 1 porque cada partícula que viaja en el carril debe estar en contacto con el líquido de la misma naturaleza que el líquido sobre el carril. Para procedimientos de recubrimiento LbL, por ejemplo, las partículas deben viajar a través de tres líquidos diferentes para someterse a un recubrimiento bicapa, es decir: líquido con el primer agente de recubrimiento, luego líquido de enjuague y luego líquido con el segundo agente de recubrimiento.

Para comprobar cómo las partículas siguen el riel, se introdujeron en el chip esferas de 89 µm de diámetro como una suspensión en etanol de color azul. La suspensión se introdujo en la entrada, que está conectada a la parte inicial del carril. La velocidad de las partículas introducidas en el chip disminuye rápidamente tan pronto como las partículas tocan el fondo del chip. Es crucial que las partículas toquen la superficie del fondo del chip para poder permanecer dentro del riel. Se monitoreó el área del chip (4 mm de ancho × 10 mm de largo) donde el riel cruzó el flujo de líquido para evaluar si las partículas siguen el riel, cruzando así tres corrientes de líquido (ver Fig. 5). La partícula debe seguir el riel sin chocar con otras partículas. Si lo hacen, esto puede provocar golpes y el posterior escape de una o ambas partículas. En el presente estudio sólo se consideraron eventos de partículas individuales.

(a) Partícula que sigue el riel de 10°, profundidad 45 µm, velocidad del líquido 12,5 mm/s; (b) partícula que escapa del riel a 15°, profundidad 73 µm, velocidad del líquido 12,5 mm/s. Las barras de escala son de 1 mm.

Se estudió el comportamiento de las partículas sobre los carriles con los siguientes ángulos con respecto al eje del canal: 0°, 5°, 10° y 15° (ver Fig. 6). El esquema de los chips se presenta en la Fig. 6d. Las profundidades del carril fueron 45 ± 1 µm y 70 ± 1 µm. El rango de caudal de líquido estudiado fue de 4,2 a 42,0 mm s-1. Se observó que a una velocidad lineal del líquido inferior a 6,5 mm s-1, las partículas no viajan sin perturbaciones a lo largo del chip y, a menudo, se detienen en la superficie del chip.

Fracción de las partículas de ø 89 µm siguiendo el carril de profundidad (a) 45 ± 1 µm y (b) 72 ± 1 µm. (c) Velocidad de las partículas que siguen un carril. La estabilidad y la velocidad de las partículas dependen de la profundidad del riel, el ángulo y el caudal del líquido portador. (d) Esquema de las fichas.

Registramos las partículas que viajan en el riel y medimos su velocidad usando GDPTlab v1.2 y Matlab GUI31. Primero, los colores de las imágenes en blanco y negro se invirtieron usando un código Matlab porque GDPTlab funciona solo con imágenes de campo oscuro (fondo oscuro e imágenes de partículas brillantes). Luego, analizamos las posiciones de cada partícula con GDPTlab y medimos su desplazamiento durante un tiempo determinado (Fig. 6c). Cada punto representa la medición de un mínimo de 10 partículas. La desviación estándar relativa (RSD) de la velocidad de las partículas fue del 15%. La velocidad promedio del líquido se calculó midiendo el tiempo de recolección del líquido en la salida del chip en un cilindro medidor. La RSD de la velocidad del líquido fue del 5%. La velocidad de la partícula que sigue el riel es mucho menor que la de la partícula fuera del riel. En general, el desplazamiento de partículas en el riel (en la dirección del riel) fue aproximadamente diez veces más lento que la velocidad promedio del líquido (en dirección axial) en el canal (ver "Métodos", "Perfil de velocidad del fluido").

La reducción observada en la velocidad lineal puede atribuirse a una velocidad local menor que la velocidad promedio en todo el canal, por un lado, y a la aparición de fuerzas (de rotación y de fricción) que actúan sobre la partícula, por otro lado. Para evaluar la magnitud del efecto de la velocidad, se realizaron simulaciones COMSOL en diferentes ángulos de ranura de 0° a 15°, suponiendo un caudal axial promedio fijo de 25 mm s-1 Re = 18,4). La magnitud del campo de velocidad axial se muestra en la Fig. 7a. Como puede observarse, la presencia del surco poco profundo tiene sólo una pequeña influencia en el campo de velocidad axial en el canal de microfluidos. Para comparar la velocidad observada de las partículas en la ranura, se midió la velocidad del líquido local en la dirección de la ranura a una altura del radio de la partícula (44,5 µm). En la Fig. 7b, se puede ver que se observan velocidades ligeramente más altas para un surco menos profundo. Además, la velocidad disminuye ligeramente al aumentar el ángulo. A 25 mm s-1, la velocidad del líquido al nivel del centro de la partícula es (5,4 ± 0,1 mm s-1 para una ranura de 70 µm de profundidad y 6,3 ± 0,1 mm s-1 para una ranura de 40 µm de profundidad) mucho menor que la velocidad promedio. velocidad del flujo (25 mm s-1), pero aún considerablemente mayor que la velocidad de la partícula observada (3,0 ± 1,0 mm s-1). La velocidad local puede variar ligeramente dependiendo de la posición del carril. Se supuso que la partícula permanece cerca del centro de la ranura mientras que, en realidad, es empujada hacia la pared de la ranura, donde la velocidad es ligeramente menor (es decir, 3,2 ± 0,1 mm s-1 para la ranura de 70 µm de profundidad y 4,9 ± 0,1 mm s−1 para la ranura de 40 µm de profundidad). La diferencia de velocidad restante se puede atribuir a las fuerzas de fricción y rotación (consulte la sección siguiente para obtener más detalles).

Simulación COMSOL a un caudal de líquido de 25 mm s-1. (a) Sección transversal del canal de microfluidos que muestra el campo de velocidad axial. (b) Velocidad del líquido local en la dirección de la ranura para diferentes ángulos y profundidades de la ranura, en el centro de la ranura (cuadrados) y cerca de la pared de la ranura (círculos).

La Figura 6a muestra la fracción de partículas que siguen el riel de 45 ± 1 µm de profundidad. Se observa que a medida que aumenta la velocidad del líquido, más partículas escapan del carril. Cabe destacar que el ángulo del riel también es un factor importante. Todas las partículas viajan dentro de la trayectoria del riel de 0° y 5° hasta una velocidad del líquido de 25 mm s-1. A modo de comparación, para la misma velocidad del líquido de 25 mm s−1, ninguna de las partículas permanece en el carril de los ángulos de 10° y 15°. Cuanto mayor es el ángulo del riel, mayor es la fracción de partículas que escapa para una velocidad del líquido dada. Otro factor importante que determina la estabilidad de las partículas es la profundidad del riel. La fracción de partículas guiadas por el riel es mucho mayor para la misma velocidad del líquido y la misma condición de ángulo del riel cuando el riel es más profundo (Fig. 6a, b).

Evidentemente, la calidad de la definición del carril también juega un papel decisivo. Los rieles mecanizados por CNC (control numérico por computadora) (ver “Materiales y productos químicos usados”) tienen pequeñas imperfecciones. La rugosidad local (expresada como Rg) determinada por un perfilómetro (Filmetrics Profilm 3D) siempre estuvo en el rango submicrónico (consulte la Fig. 2b para ver un gráfico de rugosidad característico) para todos los canales probados. Las diferencias en la profundidad del canal a lo largo de un solo canal, medidas en cinco ubicaciones diferentes, fueron significativamente mayores y alcanzaron hasta 7 µm entre los valores máximos (punto más alto y más bajo) dentro de un solo canal. La variación de la profundidad entre virutas y virutas expresó una desviación estándar de 1,0 µm y 2,3 µm para canales de 43,8 µm y 71,0 µm de profundidad, respectivamente (n = 4).

Aunque las líneas que representan la fracción de partículas en el riel en función de la velocidad del líquido para chips similares no son idénticas, es notable que todas tengan la misma posición del umbral en el que las partículas comienzan a ser inestables en el riel y escapar.

Las imperfecciones de la superficie de las paredes laterales y del fondo del carril pueden desencadenar situaciones de fuga. De hecho, si las superficies del riel fueran perfectas, entonces el equilibrio de fuerzas determinaría si una partícula escaparía o no del riel. Por ejemplo, en un riel lo suficientemente profundo, las partículas permanecerían dentro del riel mientras las fuerzas de elevación sean insuficientes para provocar el escape, y esto se mantendría a lo largo de toda la longitud del riel. Por el contrario, si el equilibrio de fuerzas es opuesto, como por ejemplo en un carril muy poco profundo, las partículas se escaparían del carril. Sin embargo, como se observó en el experimento, cuando el ángulo del riel con respecto a la dirección del flujo aumenta, los eventos de escape comienzan a ocurrir con una velocidad creciente en posiciones diferentes, es decir, aleatorias, del riel: a veces las partículas escapan en el desde el comienzo del riel y algunas veces esto sucede en diferentes posiciones, o no sucede en absoluto (es decir, la partícula permanece dentro del riel). Este comportamiento implica que el proceso de escape se puede modelar agregando una fuerza aleatoria en las ecuaciones de movimiento, de manera similar a la fuerza térmica en el caso de las partículas brownianas. Esta fuerza aleatoria puede interpretarse como causada por imperfecciones aleatorias o rugosidades en la superficie del riel.

En general, el movimiento de una partícula impulsada en un riel por un fluido que fluye a lo largo del canal en la configuración que se muestra en la Fig. 8 obedece a la siguiente ecuación de movimiento:

donde m es la masa de la partícula, \(\ddot{r}\) denota la segunda derivada de la coordenada r con respecto al tiempo t, y las fuerzas \({F}_{g},{F}_{ b},{F}_{l},{F}_{dr},{F}_{w},{F}_{d}\) y \({F}_{wf}\) representan la gravedad, la flotabilidad, la(s) fuerza(s) de sustentación, la fuerza motriz, la fuerza de reacción de la pared, el arrastre de Stokes y las fuerzas de fricción de la pared, respectivamente.

(a) El movimiento de una partícula, impulsada por el flujo de fluido, en el riel. Las flechas azules largas muestran el flujo de fluido en el chip y las flechas azules cortas indican el flujo en el riel. Fuerzas y velocidades principales (en el régimen sobreamortiguado): la fuerza de gravedad, Fg, se compensa con la fuerza de reacción desde la parte inferior del carril Frb, la velocidad de las partículas en el carril, vpr, proporcional a la velocidad del fluido en el carril resultante de la velocidad del fluido en la parte inferior del chip, vfcb, y la fuerza de reacción de la pared Frw. (b) Las imperfecciones en la parte inferior y las paredes laterales del riel se modelan mediante una fuerza aleatoria. (c) Ejemplos de trayectorias de partículas simuladas: las partículas escapan del riel (círculos azules y verdes) y siguen el riel (círculos rojos).

Como se observó en el experimento, las partículas se mueven con velocidad constante, a lo largo de trayectorias casi rectas dentro del riel, lo que significa que las fuerzas gobernantes en la ecuación. (1) se equilibran entre sí y el movimiento de las partículas queda sobreamortiguado. Esto nos permite simplificar considerablemente la descripción.

Por tanto, las partículas se mueven con una velocidad constante proporcional a la velocidad del fluido al nivel de la partícula (ver "Métodos", "Perfil de velocidad del fluido"). Además, su movimiento se ve afectado por una fuerza aleatoria debida a las imperfecciones. Este movimiento se puede modelar mediante ecuaciones sobreamortiguadas simples de tipo Langevin en dos dimensiones,

donde v0 es la velocidad de la partícula impulsada por el flujo de fluido (en ausencia de otras fuerzas), θ es la dirección del flujo con respecto al canal del chip, \({\xi }_{0}\left(t \right)=({\xi }_{0, x}\left(t\right),{\xi }_{0, y}\left(t\right))\) es un modelo bidimensional no Ruido gaussiano de tipo térmico correlacionado (debido a las imperfecciones) con funciones de correlación: \(\langle {\xi }_{0,i}\left(t\right)\rangle =0\) y \(\langle {\ xi }_{0,i}\left(t\right){\xi }_{0,j}\left(0\right)\rangle =2{D}_{0}{\delta }_{ij }\delta \left(t\right)\), donde (i, j) = (x, y), D0 es el coeficiente de difusión, y δij y δ(t) son el símbolo delta de Kronecker y la función delta, respectivamente . Tenga en cuenta que la ecuación. (2) es similar a las ecuaciones de Langevin que describen el movimiento de partículas impulsadas o autopropulsadas32,33,34,35, donde la velocidad de conducción v0 corresponde a la velocidad autoimpulsada de las partículas autopropulsadas. La fuerza aleatoria \({\xi }_{0}\left(t\right)\) en la ecuación. (2) tiene distribución gaussiana, y la medida de su amplitud promedio es la “temperatura efectiva”, Teff, que en el caso general es la “intensidad del ruido”36, o una medida de fluctuaciones35. En el caso del movimiento browniano, Teff es la temperatura T, que está relacionada con el coeficiente de difusión, D0, mediante la fórmula de Stokes-Einstein: D0 = kBT/(6πηrp), donde kB es la constante de Boltzmann, η es la viscosidad del fluido y rp es el radio de la partícula. En general, el Teff es una medida de fluctuaciones, no sólo térmicas, sino de cualquier naturaleza, por ejemplo, fluctuaciones de posición (por ejemplo, debido a la rugosidad de la superficie del carril).

El efecto de rugosidad de las paredes del canal se puede introducir mediante la renormalización del coeficiente de difusión efectivo, Deff, de la siguiente manera. Cuando una partícula ejecuta un paseo aleatorio, caracterizado por el tiempo de persistencia τrw y la velocidad vrw, la Deff correspondiente se puede presentar como Deff = D0 + Drw, donde Drw = τrw(vrw)2/4 es la contribución debida al paseo aleatorio33,37 . El efecto de rugosidad resulta en movimientos aleatorios de una partícula con velocidad vrg, que es del orden de la velocidad impulsora del flujo, es decir, vrg ~ vflow ∙ cos(θ), y con tiempo de persistencia τrg = Rg/vrg, donde Rg caracteriza la rugosidad espacial de las paredes. Por lo tanto, podemos aproximar Deff de la siguiente manera: Deff = D0 + Rgvrg/4. Tenga en cuenta que para partículas suficientemente grandes de rp ~ 100 μm y rugosidad submicrométrica de las paredes del canal, Rg ~ 0,1 μm, Rgvrg/4 > > D0 y, por lo tanto, Deff está determinada por la rugosidad de las paredes del canal, Deff ≈ Rgvrg/ 4, mientras que la difusión térmica es insignificante en comparación con los movimientos aleatorios debidos a las imperfecciones de las paredes. Usando la fórmula de Stokes-Einstein, podemos introducir formalmente una “temperatura” efectiva, Teff, que caracteriza las fluctuaciones del movimiento de las partículas debido a la rugosidad de la pared del canal, Deff = kBTeff/(6πηrp). Observamos que esta cantidad, Teff, tiene una naturaleza diferente a la habitual T (que es una medida del ruido térmico) y caracteriza la intensidad del ruido resultante de las colisiones de una partícula con la rugosidad de la superficie: Teff = f(Rg).

Los resultados de la simulación para el ángulo θ = 15° y Rg ~ 0,1 µm para una partícula de 89 µm se presentan en la Fig. 8, donde se muestran tres trayectorias típicas. Una trayectoria corresponde al caso en que el evento de escape (aleatorio) ocurre al comienzo mismo del movimiento de una partícula en el carril. El otro muestra un escape por el centro de la barandilla. Después del escape, las partículas se mueven en el fondo del chip siguiendo la dirección del fluido. Finalmente, en la figura se muestra el caso en el que una partícula no escapa y permanece en el riel. Las trayectorias simuladas presentadas son similares a las observadas en el experimento. Tenga en cuenta que todas las trayectorias que se muestran en la Fig. 8 se calculan para el mismo conjunto de parámetros y los eventos de escape están determinados por una fuerza aleatoria que modela las imperfecciones de las paredes del canal.

Después de definir la geometría óptima del riel y el rango de velocidad del líquido, las condiciones descritas anteriormente se aplicaron a un chip en zig-zag, ver Fig. 1d. El chip en zig-zag tiene un carril de 70 ± 1 µm construido de carriles alternos con ángulos: −5°, 0°, 5°, 0° (primer zig-zag) y nuevamente −5°, 0°, 5°, 0° (segundo zig-zag). Las tres primeras corrientes de etanol se introdujeron a una velocidad de 25 mm s-1. Las corrientes laterales se colorearon con azul patente para visualizar el flujo de líquido. Las partículas se introducen en la corriente media (etanol). Las corrientes líquidas laterales contienen etanol de color azul. A lo largo de toda la longitud del chip en zig-zag, el comportamiento del líquido sigue el Régimen 1. Esto se puede ver en la Fig. 9a y la Fig. 2S. Además, la difusión del tinte desde las corrientes laterales a la corriente intermedia es insignificante para toda la longitud de la viruta.

(a) Imagen de microscopía óptica de (a) el canal en diferentes posiciones en el chip; (b) las partículas que siguen el riel en el primer zig-zag. Líquidos laterales: EtOH con tinte azul, líquido medio: EtOH. Los tres líquidos se introducen a una velocidad del líquido de 25 mm s-1. La barra de escala es de 1 mm.

Las partículas se introdujeron en el chip a través de la corriente intermedia. Esto les da la posibilidad de quedar atrapados en el riel mientras todavía están presentes en la solución de enjuague. Esto garantiza que todas las partículas pasen el mismo tiempo en la corriente lateral. Las partículas seguían el riel que se presenta en la Fig. 9b, el primer zig-zag, y la Fig. 3S (el primer y segundo zig-zag). La distancia entre las partículas cambia depende de la posición en el chip. Más cerca del lado (carril 0°), las partículas se mueven un poco más lentamente y se acercan más unas a otras. Por lo tanto, se prefiere que las partículas se introduzcan en el chip con una distancia de > 5 mm entre ellas.

Se usaron una solución de poli(ácido acrílico) PAA (0,033% p/p) en etanol y una solución de poli(etilenimina) marcada con rodamina PEI-Rh (0,033% p/p) en etanol. Cada paso de recubrimiento se alternó enjuagando las partículas con etanol (Fig. 10). La deposición de la bicapa PAA/PEI-Rh se verificó mediante microscopía de fluorescencia.

Representación esquemática de una partícula de PMMA-NH2 depositada con bicapas de poli(ácido acrílico) (PAA) y poli(etilenimina) marcadas con rodamina (PEI-Rh) mediante la técnica capa por capa (LbL). Los pasos 1 a 4 muestran la deposición de una bicapa de PAA/PEI-Rh (LbL-1-PMMA-NH2) sobre una partícula de PMMA-NH2. Los pasos 5 a 8 muestran la deposición de la segunda bicapa de PAA/PEI-Rh (LbL-2-PMMA-NH2) en una partícula.

Para la deposición de la primera capa, se agregaron 0,5 ml de una solución de PAA a un vial de vidrio que contenía PMMA-MAG-NH2 cargado positivamente. Se dejó que prosiguiera la adsorción durante 10 minutos seguido de una suave agitación. Después de eso, las partículas se mantuvieron en el fondo del vial con la ayuda de un imán, luego se eliminó la solución y las partículas se lavaron dos veces con etanol. Luego se agregaron 0,5 ml de solución de PEI-Rh a las partículas recubiertas de PAA y se dejaron interactuar durante 10 minutos, seguido de la eliminación de la solución y el lavado con etanol. El proceso se repitió, dando lugar a la deposición de una segunda bicapa PAA/PEI-Rh.

A continuación, se realizó el recubrimiento de las partículas con el chip en zig-zag, que tiene un carril de 75 ± 1 µm. Las corrientes secundarias están compuestas por una solución de etanol PAA (solución de polianión) y una solución de etanol PEI-Rh (solución de policatión). En la corriente intermedia se introduce etanol como solución de lavado. Las partículas de PMMA-MAG-NH2 cargadas positivamente (98,5 µm de diámetro) se introducen en la corriente intermedia y son transportadas secuencialmente por la solución de PAA, el etanol y la corriente de PEI-Rh para sufrir la deposición de la primera bicapa (el primer zig-zag). . Después de seguir la trayectoria del segundo zig-zag, se deposita la segunda bicapa, ver Fig. 11a. Las partículas se recogieron en la salida del chip y se colocaron en un vaso de vidrio que contenía etanol. Después de que las partículas sedimentaran, el líquido se eliminó lavando las partículas dos veces con etanol. Las imágenes de microscopía fluorescente confirmaron la presencia de dos bicapas, ver Fig. 11e. La intensidad de la fluorescencia fue comparable a la de las partículas con dos bicapas recubiertas por lotes.

(a) Representación esquemática de partículas de PMMA-NH2 depositadas con poli(ácido acrílico) (PAA) y poli(etilenimina) marcadas con bicapas de rodamina (PEI-Rh) mediante la técnica capa por capa (LbL) en chip. (b – e) Fotografías de fluorescencia de partículas magnéticas PMMA-NH2: (b) partículas sin recubrimiento (control), (c) partículas con una bicapa (LbL-1-PMMA-NH2), recubiertas en lote, (d) partículas con dos bicapas (LbL-2-PMMA-NH2), recubiertas en lote, (e) con dos bicapas (LbL-2-PMMA-NH2), recubiertas en chip. Las barras de escala son de 200 µm.

En la Fig. 11b-e, se presentan imágenes de microscopía fluorescente de partículas PMMA-MAG-NH2 con (b) cero, (c) una y (d) dos bicapas. Las partículas sin recubrimiento no muestran fluorescencia. Las partículas con dos bicapas muestran una intensidad mayor que las partículas con una bicapa.

Todo el proceso de recubrimiento de las partículas con cuatro subcapas requirió siete pasos secuenciales: 1-PAA, 2-lavado, 3-PEI-Rh, 4-lavado, 5-PAA, 6-lavado, 7-PEI-Rh y tomó aproximadamente 1 mín.

Cabe mencionar que el tiempo que las partículas estuvieron expuestas a cada una de las soluciones de recubrimiento y que la solución de lavado fue corta (una docena de segundos), suficiente para sufrir la deposición de una subcapa. Es posible que el hecho de que el líquido se actualice continuamente dentro del riel y que las partículas se deslicen y giren mientras se mueven, ayude al recubrimiento eficiente de las partículas. Esto vuelve a ser una ventaja para realizar LbL en el chip.

El recubrimiento LbL suele ser rápido, pero en caso de que se necesite un tiempo de reacción más prolongado, se pueden disminuir los caudales de los líquidos introducidos. Esto debe hacerse con cuidado de tal manera que el sistema todavía esté en el Régimen 1 y no en el Régimen 3. Para permanecer en el Régimen 1, es posible cambiar la geometría del chip: por ejemplo, alargar o ensanchar el canal, o eventualmente introducir muros entre arroyos. Nuestro sistema se puede aplicar a partículas de diferentes diámetros. Esto requerirá una adaptación de la profundidad del carril. Una estimación cuidadosa de la dimensión óptima será el tema de nuestro próximo estudio. Gracias a que no se aplica ninguna fuerza externa, nuestro sistema es universal para partículas y potencialmente para gotas pesadas o flotantes (invirtiendo el chip en este último caso). Se pueden procesar concentraciones relativamente altas de partículas de forma continua.

Nuestro sistema se puede utilizar en múltiples ensayos químicos y biológicos (por ejemplo, inmunoensayos) que requieren numerosos reactivos líquidos y lavados que se introducen de forma secuencial. Vemos la ventaja de utilizar el riel grabado en que nuestro sistema es menos propenso a obstruirse que las estructuras de guía que obstruyen el flujo y las partículas que transporta, dando como resultado una acción de filtrado.

Los chips de PMMA se diseñaron y fabricaron internamente con el uso de una fresadora CNC de alta velocidad (Datron Neo, Datron AG., Alemania). La profundidad de los surcos se midió con un perfilómetro (Filmetrics Profilm 3D). Las partes del chip se ensamblaron y unieron con el uso de acetato de etilo que se introdujo en cantidades discretas entre las capas del chip38. Se pegaron capilares de vidrio (diámetro interior (ID) 450 µm, diámetro exterior (OD) 670 µm, Polymicro, Achrom) a las entradas y salidas del chip para introducir los líquidos con el uso de bombas de jeringa o bombas presurizadas (Fluigent). Para la suspensión de partículas, se usó un mezclador de vórtice (VWR) para hacer vibrar el tubo Falcon que contenía la suspensión de partículas para evitar la sedimentación de partículas en el fondo del tubo Falcon.

En nuestro trabajo utilizamos partículas magnéticas de poliestireno (PS-MAG-AR110, 89 µm, SD = 1,2 µm, óxido de hierro = 10%, Microparticles GmbH) y partículas magnéticas de poli(metacrilato de metilo) amino funcionalizadas (PMMA-MAG-NH2, 98,5 µm, Micropartículas GmbH). Las propiedades magnéticas de las partículas no son necesarias para nuestros experimentos, pero en la etapa de optimización de la configuración fueron convenientes para regenerar el dispositivo.

Los experimentos se realizaron en etanol de grado técnico. Se utilizó azul patente (Aldrich) como colorante para visualizar los flujos en el chip.

La polietilenimina (PEI, ramificada, promedio de 25 kDa por LS, promedio de Mn de 10 kDa por GPC) y poli(ácido acrílico) (PAA) (35 en peso; % de solución en agua, PM típico de 100 kDa) se adquirieron de Aldrich. El isotiocianato de rodamina se adquirió de Cayman Chemical Company.

La PEI se disolvió en dimetilsulfóxido, DMSO (Sigma-Aldrich) junto con isotiocianato de rodamina B (RITC, isómeros mixtos, Cayman Chemical Company). La mezcla se agitó durante 5 h. Después de eso, se añadió etanol para diluir la PEI al 1%. La mezcla se dializó contra etanol (bolsa de diálisis con un corte de 12 a 15 kDa) durante una semana para eliminar el DMSO y el RITC que no reaccionó. La concentración de la solución marcada con PEI-rodamina (PEI-Rh) dializada se calculó como 0,87% y se usó como solución madre.

Como lo muestran J. Pazourek y J. Chmelik39, la velocidad del fluido en un canal con una sección transversal rectangular donde un lado es mucho mayor que el otro, h > > w, está relacionada con la coordenada y mediante la simple expresión analítica :

donde \(\Delta p\) es la caída de presión entre los lados opuestos del canal, \(\mu\) es la viscosidad dinámica del fluido, L es la longitud del canal y w es la altura del canal en la dirección y.

La velocidad del líquido se puede calcular directamente a partir de la ecuación. (3). Sin embargo, conocemos la velocidad promedio del líquido, , medida experimentalmente y, por lo tanto, es útil expresar v(y) mediante esta cantidad conocida. La velocidad promedio se puede calcular integrando la ecuación. (3) a lo largo de la altura, desde −w/2 hasta w/2, y dividiendo por w, lo que da como resultado:

Este resultado, Ec. (5), es válida para un canal con sección transversal rectangular donde el ancho es mucho mayor que la altura, h >> w, y el valor máximo,

se logra a lo largo de la línea y = 0.

El chip tiene una sección transversal rectangular con ancho y alto comparables, 4 mm × 1 mm. Por lo tanto, es razonable suponer que el perfil de velocidad del fluido es parabólico en ambas direcciones, en la dirección x (ancho) y y (alto), y la velocidad máxima se logra en un punto (x = 0, y = 0 ). Esto significa que vmax en la ecuación. (6) se convierte en una función de x, y su promedio, , se relaciona con vmax(x = 0) mediante la misma relación que y vmax en la ecuación. (6):

Así, la velocidad promedio en un canal con perfil de velocidad parabólico en ambas direcciones es 2/3 de su valor para un canal con ancho infinito [Ecs. (3)–(5)]. Por lo tanto, para evaluar la velocidad del fluido v(y) para x ≈ 0, el lado derecho de la ecuación. (5) debe corregirse por un factor de 3/2.

Así, para una partícula de 89 μm de diámetro, la velocidad del fluido al nivel del centro de la partícula es aproximadamente

Este resultado analítico también es consistente con la estimación del perfil de velocidad del fluido encontrado en las simulaciones COMSOL.

Dentro del riel, el flujo puede considerarse aproximadamente como un flujo de Couette, siendo la capa superior impulsada por el flujo cerca de la parte inferior del chip y teniendo velocidad cero en la parte inferior del riel. Por lo tanto, la velocidad del fluido disminuye aún más en el riel, y para una partícula de 89 µm en un riel de aproximadamente 100 µm de profundidad, la velocidad se estima en ≈ 0,1 del valor promedio en el chip.

La fabricación de partículas, el recubrimiento o los ensayos biológicos son procedimientos laboriosos y que requieren mucho tiempo, que requieren que las soluciones de reacción y/o lavado se carguen por separado y secuencialmente, una a la vez.

En este artículo, presentamos un método pasivo novedoso para guiar altas concentraciones de partículas en canales de microfluidos. Además, hemos demostrado que el recubrimiento de partículas capa por capa se ha realizado con éxito en un chip utilizando un método guiado por rieles. Automatizamos un procedimiento de recubrimiento LbL en un proceso continuo y demostramos que el chip puede reemplazar siete pasos consecutivos en un lote. El uso de un riel proporciona control sobre la trayectoria de las partículas y asegura que todas las partículas sigan la misma ruta. Se estudió la profundidad y el ángulo de los rieles junto con la velocidad del líquido para proporcionar una geometría de canal adecuada.

Además, hemos demostrado que cuando se introducen coflujos laminares en el canal que contiene un surco en el fondo, con un ángulo distinto de cero, se observan tres tipos diferentes de comportamiento del líquido (regímenes), determinados por la profundidad del surco y la velocidad del líquido.

Demostramos la funcionalidad de nuestro dispositivo recubriendo partículas con dos bicapas (cuatro subcapas) en un chip, lo que se confirmó mediante microscopía de fluorescencia. Todos los pasos, que en lotes requieren múltiples manipulaciones de partículas (siete pasos consecutivos), se realizaron en un solo dispositivo, que tomó aproximadamente un minuto.

Esto allana el camino para una amplia gama de aplicaciones en las que se pueden aplicar multicapas en un único proceso continuo. Cuando se necesita un número de capas mucho mayor, la difusión entre las corrientes limitará el tiempo de residencia en los canales y, como resultado, las capas alcanzables, porque las diferentes corrientes de recubrimiento y lavado eventualmente se fusionarán en una única corriente (parcialmente) mezclada. En un futuro estudio integraremos estructuras de obstrucción para minimizar la difusión entre las capas, permitiendo aumentar el tiempo de residencia, lo que permitirá la aplicación de decenas de capas. Esto permitirá las aplicaciones ópticas más exigentes en las que son fundamentales un gran número de capas con espesores de capa bien definidos. Las partículas adaptadas para la administración controlada de fármacos con mecanismos avanzados de activación de liberación son otra perspectiva atractiva para el concepto presentado en el presente artículo.

Si bien en el presente artículo se utilizó PMMA como sustrato de canal, es menos resistente químicamente que el sustrato de vidrio comúnmente utilizado en la industria química. Para funcionar en condiciones químicamente duras, se pueden utilizar, por ejemplo, formatos alternativos como vidrio estampado (o silicio sobre el que se ha aplicado una capa de óxido como último paso), con ranuras obtenidas mediante grabado profundo de iones reactivos (lo que da como resultado paredes muy verticales). . Esto permitirá mantener la variación tanto a escala de corto como de largo alcance en la región submicrónica, lo que es favorable para un mayor aumento en la estabilidad de las partículas, permitiendo así una mayor flexibilidad en términos de caudal y control del tiempo de residencia en las corrientes. .

Los datos generados y analizados durante este estudio se incluyen en este artículo publicado y en los archivos de información complementaria.

Decher, G., Hong, JD y Schmitt, J. Acumulación de películas multicapa ultrafinas mediante un proceso de autoensamblaje: III. Adsorción consecutivamente alterna de polielectrolitos aniónicos y catiónicos sobre superficies cargadas. Películas sólidas delgadas 210 (211), 831–835 (1992).

ADS del artículo Google Scholar

Decher, G. Nanoensamblajes difusos: hacia multicompuestos poliméricos en capas. Ciencia 277, 1232–1237 (1997).

Artículo CAS Google Scholar

Tang, Z., Wang, Y., Podsiadlo, P. y Kotov, NA Aplicaciones biomédicas del ensamblaje capa por capa: desde la biomimética hasta la ingeniería de tejidos. Adv. Madre. 18, 3203–3224 (2006).

Artículo CAS Google Scholar

Grier, DG Una revolución en la manipulación óptica. Naturaleza 424, 810–816 (2003).

Artículo ADS CAS Google Scholar

Neuman, KC y Block, SM Trampa óptica. Rev. Ciencia. Instrumento. 75, 2787–2809 (2004).

Artículo ADS CAS Google Scholar

Moffitt, JR, Chemla, YR, Smith, SB & Bustamante, C. Avances recientes en pinzas ópticas. Año. Rev. Bioquímica. 77, 205–228 (2008).

Artículo CAS Google Scholar

Ding, X. y col. Manipulación en chip de micropartículas, células y organismos individuales utilizando ondas acústicas de superficie. PNAS 109, 11105–11109 (2012).

Artículo ADS CAS Google Scholar

Laurell, T., Petersson, F. & Nilsson, A. Chip integró estrategias para la separación acústica y la manipulación de células y partículas. Química. Soc. Rev. 36, 492–506 (2007).

Artículo CAS Google Scholar

Wang, Z. y Zhe, J. Avances recientes en la manipulación de partículas y gotas para dispositivos de laboratorio en un chip basados en ondas acústicas superficiales. Chip de laboratorio 11, 1280-1285 (2011).

Artículo CAS Google Scholar

Özcelik, A. et al. Pinzas acústicas para las ciencias de la vida. Nat. Métodos 15, 1021–1028 (2018).

Artículo CAS Google Scholar

Jin, S. y col. Construcción de microcápsulas núcleo-cubierta mediante microfluidos de ondas acústicas de superficie enfocada. Chip de laboratorio 20, 3104–3108 (2020).

Artículo CAS Google Scholar

Gijs, MAM, Lacharme, F. & Lehmann, U. Aplicaciones microfluídicas de partículas magnéticas para análisis biológico y catálisis. Química. Rev. 110, 1518-1563 (2010).

Artículo CAS Google Scholar

Pamme, N. Magnetismo y microfluidos. Chip de laboratorio 6, 24–38 (2006).

Artículo CAS Google Scholar

Nguyen, N.-T. Micromagnetofluídica: interacciones entre el magnetismo y el flujo de fluidos a microescala. Microfluido Nanofluido 12, 1–16 (2012).

Artículo de Google Scholar

Hejazian, M., Li, W. y Nguyen, N.-T. Laboratorio en un chip para la separación de células magnéticas de flujo continuo. Chip de laboratorio 15, 959–970 (2015).

Artículo CAS Google Scholar

Sun, H., Ren, Y., Jiang, T., Tao, Y. y Jiang, H. Intercambio de medio dielectroforético alrededor de gotitas para la fabricación en chip de microcápsulas capa por capa. Chip de laboratorio 21, 3352–3360 (2021).

Artículo CAS Google Scholar

Tarn, MD, López-Martínez, MJ y Pamme, N. Procesamiento en chip de partículas y células mediante corrientes de flujo multilaminar. Anal. Bioanal. Química. 406, 139-161 (2014).

Artículo CAS Google Scholar

Di Carlo, D. Microfluidos inerciales. Chip de laboratorio 9, 3038–3046 (2009).

Artículo de Google Scholar

Kuntaegowdanahalli, SS, Bhagat, AAS, Kumar, G. y Papautsky, I. Microfluidos inerciales para la separación continua de partículas en microcanales en espiral. Chip de laboratorio 9, 2973–2980 (2009).

Artículo CAS Google Scholar

Sengupta, S., Bahr, C. y Herminghaus, S. Microfluidos topológicos para conceptos flexibles de microcarga. Materia blanda 9, 7251–7260 (2013).

Artículo ADS CAS Google Scholar

Park, W., Lee, H., Park, H. y Kwon, S. Clasificación de microestructuras orientadas direccionalmente utilizando microfluidos con rieles. Chip de laboratorio 9, 2169–2175 (2009).

Artículo CAS Google Scholar

Chung, SE, Park, W., Shin, S., Lee, SA y Kwon, S. Autoensamblaje guiado y fluídico de microestructuras utilizando canales de microfluidos con rieles. Nat. Madre. 7, 581–587 (2008).

Artículo ADS CAS Google Scholar

Chung, SE, Lee, SA, Kim, J. & Kwon, S. Encapsulación y manipulación optofluídica de microchips de silicio mediante procesamiento de imágenes basado en litografía optofluídica sin máscara y microfluidos con rieles. Chip de laboratorio 9, 2845–2850 (2009).

Artículo CAS Google Scholar

Zhou, CC, Liang, SS, Li, YJ, Li, J. & Chen, HS Ensamblaje microfluídico de microbloques en estructuras entrelazadas para mayor resistencia y tenacidad. Aplicación ACS. Madre. Interfaces 14(5), 7261–7269 (2022).

Artículo CAS Google Scholar

Kantak, C., Beyer, S., Yobas, L., Bansal, T. y Trau, D. Un "pinball de microfluidos" para la generación en chip de microcápsulas de polielectrolitos capa por capa. Chip de laboratorio 11, 1030–1035 (2011).

Artículo CAS Google Scholar

Abbyad, P., Dangla, R., Alexandrou, A. & Baroud, CN Rieles y anclajes: guía y captura de microrreactores de gotas en dos dimensiones. Chip de laboratorio 11, 813–821 (2011).

Artículo CAS Google Scholar

Ahn, B. y col. Guiado, distribución y almacenamiento de trenes de gotas dependientes de la forma. Chip de laboratorio 11, 3915–3918 (2011).

Artículo CAS Google Scholar

Franco-Gómez, A., Thompson, AB, Hazel, AL & Juel, A. Propagación de burbujas sobre un riel: un concepto para clasificar burbujas por tamaño. Materia blanda 13, 8684–8697 (2017).

ADS del artículo Google Scholar

Teste, B., Jamond, N., Ferraro, D., Viovy, J.-L. & Malaquin, L. Manejo selectivo de gotas en un dispositivo de microfluidos utilizando rieles magnéticos. Microfluido Nanofluido 19, 141-153 (2015).

Artículo CAS Google Scholar

McDougall, C., Fradet, E., Baroud, CN y McGloin, D. Manipulación óptica de "gotas sobre rieles" en dispositivos de microfluidos bidimensionales. Proc. SPIE 8097, 809710 (2011).

Artículo de Google Scholar

Barnkob, R., Kähler, CJ y Rossi, M. Seguimiento general de partículas con desenfoque. Chip de laboratorio 15, 3556–3560 (2015).

Artículo CAS Google Scholar

Fily, Y. & Marchetti, MC Separación de fases atérmicas de partículas autopropulsadas sin alineación. Física. Rev. Lett. 108, 235702 (2012).

ADS del artículo Google Scholar

Ghosh, PK, Misko, VR, Marchesoni, F. & Nori, F. Partículas de Janus autopropulsadas en un trinquete: simulaciones numéricas. Física. Rev. Lett. 110, 268301 (2013).

ADS del artículo Google Scholar

Huang, T. y otros. Efecto de exclusión anisotrópica entre partículas fotocatalíticas de Ag/AgCl Janus y perlas pasivas en una matriz coloidal densa. Langmuir 36, 7091–7099 (2020).

Artículo CAS Google Scholar

Huang, T. y otros. Solidificación inversa inducida por partículas activas de Janus. Adv. Función. Madre. 30, 2003851 (2020).

Artículo CAS Google Scholar

Gammaitoni, L., Hänggi, P., Jung, P. y Marchesoni, F. Resonancia estocástica. Rev. P. Modificación. Física. 70, 223–287 (1998).

Artículo ADS CAS Google Scholar

Howse, J.R. et al. Partículas coloidales automóviles: de la propulsión dirigida al paseo aleatorio. Física. Rev. Lett. 99, 048102 (2007).

ADS del artículo Google Scholar

Gelin, PP y cols. Dispositivo microfluídico para la producción de alto rendimiento de gotitas monodispersas. Ing. de Indiana. Química. Res. 59(28), 12784–12791 (2020).

Artículo CAS Google Scholar

Pazourek, J. & Chmelik, J. Solución simple de perfiles de velocidad de flujos laminares en canales de varias secciones transversales utilizados en el fraccionamiento de flujo de campo. J. Cromatogr. 593, 357–362 (1992).

Artículo CAS Google Scholar

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Agradecemos al Prof. Ruslan Efremov por el uso del perfilómetro, y al Prof. Guy van Assche y al Dr. Raphael Marques por las fructíferas discusiones. Este trabajo fue parcialmente financiado por la Fundación de Investigación de Flandes (FWO-Vl), Subvención No. G029322N, Subvención No. 1512018N y por Innoviris (proyecto tipo Puente 'Colores').

µFlow Group, Departamento de Ingeniería Química, Vrije Universiteit Brussel, Pleinlaan 2, 1050, Bruselas, Bélgica

Iwona Ziemecka, Amaury de Hemptinne, Vyacheslav R. Misko, Matthieu Briet, Pierre Gelin, Ilyesse Bihi y Wim De Malsche

Biología Estructural Bruselas, Vrije Universiteit Brussel, Pleinlaan 2, 1050, Bruselas, Bélgica

Dominique Maes

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Conceptualización: WDM, IZ Análisis formal: aplicación de técnicas estadísticas, matemáticas, computacionales u otras técnicas formales para analizar o sintetizar datos de estudio: VRM, PG Adquisición de fondos: WDM Investigación: llevar a cabo un proceso de investigación y de investigación, realizando específicamente los experimentos o los datos. /recolección de evidencia: IZ, Metodología VRM—Desarrollo o diseño de metodología; creación de modelos: IZ, VRM Administración de proyectos: WDM Recursos—Provisión de materiales de estudio, materiales, recursos informáticos u otras herramientas de análisis: AH, IB, IZ Supervisión: WDM, DM Validación: IZ Visualización—Preparación, creación y/o presentación del trabajo publicado, específicamente visualización/presentación de datos: IZ, PG, VRM Escritura—borrador original: IZ, WDM, VRM Escritura—revisión y edición: Todos.

Correspondencia a Wim De Malsche.

Los autores declaran no tener conflictos de intereses.

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Ziemecka, I., de Hemptinne, A., Misko, VR et al. Migración lateral de partículas inducida por ferrocarril a través de líquidos intactos que fluyen conjuntamente. Representante científico 12, 21775 (2022). https://doi.org/10.1038/s41598-022-26387-5

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Recibido: 02 de septiembre de 2022

Aceptado: 14 de diciembre de 2022

Publicado: 16 de diciembre de 2022

DOI: https://doi.org/10.1038/s41598-022-26387-5

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