손상되지 않은 공동을 가로지르는 입자의 레일 유도 측면 이동

Scientific Reports 12권, 기사 번호: 21775(2022) 이 기사 인용

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이 문서에서는 미세유체 장치의 입자에 LbL(레이어별) 코팅을 적용하는 레일 유도 방법을 제시합니다. 수동적 미세유체 접근 방식을 사용하면 시스템에 코팅된 입자 현탁액을 처리할 수 있습니다. 입자의 궤적은 새겨진 레일을 사용하여 제어되어 축 방향 액체 흐름(및 다양한 액체의 인터페이스)을 방해받지 않고 유지하면서 입자의 측면 이동을 유도합니다. 액체 속도와 함께 레일의 깊이와 각도를 연구하여 장치의 실행 가능한 형상을 결정했습니다. 불연속 LbL 코팅 절차가 하나의 연속 공정으로 전환되어 칩이 일반적으로 배치 작업에서 수행되는 7개의 연속 단계를 수행할 수 있으며 더 큰 사이클 수로 더욱 쉽게 확장할 수 있음을 입증했습니다. 두 개의 이중층으로 입자가 코팅된 것을 형광 현미경으로 확인했습니다.

미립자를 조작하는 능력은 공학, 화학, 생물학 및 물리학의 많은 응용 분야에서 매우 중요합니다. 다양한 응용 분야에는 입자 처리, 분류 또는 자체 조립이 필요합니다. 고급 입자를 설계하려면 복잡한 나노구조의 빌딩 블록을 생산하기 위해 증착 공정을 사용해야 합니다. 요즘 매우 인기 있는 증착 기술 중 하나는 Decher 등이 도입한 LbL(Layer-by-Layer Assembly) 방법 1,2입니다. 이 방법은 간단한 준비, 다용도성, 재료 특성 향상, 재료 구조 제어, 다공성, 견고성, 필름에 높은 생체분자 부하를 적용할 수 있는 가능성 등 많은 장점을 가지고 있습니다3. LbL 방법은 엔지니어링 및 생의학 분야에서 상당한 주목을 받았으며 예를 들어 약물 전달, 통합 광학, 센서 및 마찰 감소 코팅에 적용됩니다. 고전적인 LbL 방법에서는 임의의 형태의 기판에 반대로 하전된 고분자 전해질(고분자 전해질)을 후속 증착하여 박막을 형성하여 고분자 전해질 다층을 생성합니다. 필름의 흡착은 주로 다가양이온 전해질과 다가음이온 전해질 사이에서 발생하는 정전기적 상호작용의 결과입니다. 층은 예를 들어 딥 코팅, 스핀 코팅 또는 스프레이 코팅과 같은 다양한 방법으로 달성될 수 있습니다. 기존의 매크로 규모 반응기를 사용하여 LbL 공정을 자동화하는 것은 매우 바람직하지만 구현하기가 어렵습니다. 이러한 시간 소모적이고 비연속적인 프로세스에는 일반적으로 부피가 크고 값비싼 장비가 필요합니다. 더욱이, 마이크로캡슐의 불균일성 및 응집과 같은 문제가 종종 발생하므로 원심분리, 세척 및 재현탁과 같은 다운스트림 처리 단계를 적용해야 합니다. 또한 배치 공정에서는 시약 소비가 더 높으며 이는 예를 들어 값비싼 약품이 관련된 경우 중요한 요소가 될 수 있습니다.

입자 제조 접근 방식에서는 입자 처리가 필수적입니다. 사용 가능한 많은 기술 중에서 광학 핀셋은 개별 개체를 조작하는 데 매우 강력합니다. 광학 핀셋은 강력하게 집중된 광선에 의해 가해지는 힘을 사용하여 수십 나노미터에서 수십 마이크로미터 크기의 입자를 포획하고 이동하며 콜로이드 입자의 평면 어셈블리를 구성하는 데 사용할 수 있을 뿐만 아니라 광학 펌프 및 밸브를 구성하는 데에도 사용할 수 있습니다. 광학 핀셋4,5,6으로 활성화된 미세유체 채널의 콜로이드 입자. 입자를 조작하는 또 다른 기술은 음파를 사용하므로 광학 핀셋보다 낮은 전력 밀도가 필요합니다. Dinget al. 실시간 제어를 통해 단일 미세 입자를 포착하고 조작할 수 있는 정립 표면 탄성파를 기반으로 하는 음향 장치를 개발했습니다. 연속 흐름 음향 정재파는 수십 나노미터에서 수십 마이크로미터 크기 범위의 입자를 분리하는 데 사용됩니다. 음향 핀셋 기술은 입자 집중, 분리, 정렬 및 패턴화를 촉진합니다8,9,10. 코어-쉘 구조를 가진 마이크로캡슐을 생성하기 위해 미세유체 환경에서 집중된 표면탄성파(FSAW)가 사용되었습니다. 자성 입자는 자기장12,13을 사용하여 미세유체 채널에서 조작될 수 있습니다. 자성은 작동, 조작 및 감지를 위해 미세 유체에서 사용되었습니다. 미세 자기유체와 관련된 힘은 광범위하게 설명되었으며 일반적으로 잘 이해됩니다. 입자와 세포의 연속 흐름 자기 분리의 대표적인 예로 지금까지 많은 응용 프로그램이 개발되었습니다. 입자의 움직임을 제어하는 또 다른 활성 방법은 기울어진 각도 유전 영동입니다. 3개의 평행한 층류 흐름을 통한 입자의 지그재그 궤적은 미세유체 채널 주위에 지그재그 방식으로 배열된 인접한 기울어진 평행 전극 쌍을 통해 실현되었습니다. 미세유체 장치에서 미세입자의 움직임을 제어하는 방법은 이미 광범위하게 연구되고 보고되었습니다.

15 mm s−1 with a rail depth < 100 µm. Regime 2 was observed for velocities of the liquids > 15 mm s−1 and rails of the depth > 160 µm. Regime 3 was observed for low velocities of the liquids < 15 mm s−1 for all tested rails./p> > D0, and therefore Deff is determined by the roughness of the channel walls, Deff ≈ Rgvrg/4, while thermal diffusion is negligibly small in comparison to the random movements due to the wall imperfections. Using Stokes–Einstein formula, we can formally introduce an effective “temperature”, Teff, that characterizes the fluctuations of the particle motion due to the roughness of the channel wall, Deff = kBTeff/(6πηrp). We note that this quantity, Teff, has a different nature than usual T (which is a measure of thermal noise) and characterizes the intensity of the noise resulting from the collisions of a particle with the surface roughness: Teff = f(Rg)./p> 5 mm between them./p> > w, is related to the coordinate y by the simple analytical expression:/p>, measured experimentally, and therefore it is useful to express v(y) via this known quantity. The average velocity can be calculated by integrating Eq. (3) along the height, from −w/2 to w/2, and dividing by w, resulting in:/p>> w, and the maximum value,/p>, is related with vmax(x = 0) via the same relation as and vmax in Eq. (6):/p>