Un procedimiento de formación de una capa modelada de un perfluoropoliéter fotocurado,

procedimiento que comprende:

(a) proporcionar un sustrato, en el que el sustrato comprende una superficie modelada;

(b) poner en contacto un precursor de perfluoropoliéter con la superficie modelada del sustrato; y

(c) fotocurar el precursor de perfluoropoliéter para formar una capa modelada de un perfluoropoliéter fotocurado.

Perfluoropoliéteres fotocurables para su uso como materiales novedosos en dispositivos microfluídicos

CAMPO TÉCNICO

El uso de un material de perfluoropoliéter (PFPE) fotocurable para fabricar un dispositivo microfluídico basado en PFPE resistente a disolventes, procedimientos de hacer circular un material y realizar una reacción química en un dispositivo microfluídico basado en PFPE resistente a disolventes y los propios dispositivos microfluídicos basados en PFPE resistentes a disolventes.

ABREVIATURAS

al = atolitros ºC = grados Celsius Cm = centímetros cSt = centistokes DBTDA = diacetato de dibutilestaño DMA = dimetacrilato DMPA = 2, 2-dimetoxi-2-fenilacetofenona DMTA = análisis térmico mecánico dinámico EIM = metacrilato de 2-isocianatoetilo fl = femtolitros Freón 113 = 1, 1, 2-triclorotrifluoroetano g = gramos h = horas Hz = hercio kHz = kilohercio kPa = kilopascales MHz = megahercio min = minutos ml = mililitros mm = milímetros mmol = milimoles mN = mili-Newton p.f. = punto de fusión nl = nanolitros nm = nanómetros PDMS = polidimetilsiloxano PFPE = perfluoropoliéter pl = picolitros psi = libras por pulgada al cuadrado s = segundos Tg = temperatura de transición vítrea µl = microlitros µm = micrómetros UV = ultravioleta W = vatios ZDOL = poli (óxido de tetrafluoroetileno-co-óxido de difluorometileno) a, w-diol

ANTECEDENTES

Los dispositivos microfluídicos desarrollados a principios de los 90 se fabricaron a partir de materiales duros tales como silicio y vidrio, usando fotolitografía y técnicas de grabado. Véase Ouellette, J., The Industrial Physicist 2003, agosto/septiembre, 14-17; Scherer, A., y col., Science 2000, 290, 1536-1539. Sin embargo, la fotolitografía y las técnicas de grabado son costosas y laboriosas, requieren condiciones de cuarto limpio y poseen varias desventajas desde un punto de vista de los materiales. Por estos motivos, los materiales blandos han aparecido como materiales alternativos para la fabricación de dispositivos microfluídicos. El uso de materiales blandos ha hecho posible la fabricación y el accionamiento de dispositivos que contienen válvulas, bombas y mezcladores. Véase, por ejemplo, Ouellette, J., The Industrial Physicist 2003, agosto/septiembre, 14-17; Scherer, A., y col., Science 2000, 290, 1536-1539; Unger, M. A., y col., Science 2000, 288, 113-116; McDonald, J. C., y col., Acc. Chem. Res. 2002, 35, 491-499; y Thorsen, T., y col., Science 2002, 298, 580-584. Por ejemplo, un dispositivo microfluídico tal permite el control de la dirección del flujo sin el uso de válvulas mecánicas. Véase Zhao, B., y col., Science 2001, 291, 1023-1026.

La complejidad creciente de los dispositivos microfluídicos ha creado una demanda de usar tales dispositivos en un número rápidamente creciente de aplicaciones. Para este fin, el uso de materiales blandos ha permitido que la microfluídica se desarrolle en una tecnología útil que ha encontrado aplicación en el mapeo de genoma, separaciones rápidas, sensores, reacciones a escala nanométrica, impresión por chorro de tinta, administración de fármacos, laboratorio en un chip ("Lab-on-a-Chip") , diagnósticos in vitro, boquillas de inyección, estudios biológicos y cribado de fármacos. Véase, por ejemplo, Ouellette, J., The Industrial Physicist 2003, agosto/septiembre, 14-17; Scherer, A., y col., Science 2000, 290, 1536-1539; Unger, M. A., y col., Science 2000, 288, 113-116; McDonald, J. C., y col., Acc. Chem. Res. 2002, 35, 491-499; Thorsen, T., y col., Science 2002, 298, 580-584; y Liu, J., y col., Anal. Chem. 2003, 75, 4718-4723.

El poli (dimetilsiloxano) (PDMS) es el material blando de elección para muchas aplicaciones de dispositivos microfluídicos. Véase Scherer, A., y col., Science 2000, 290, 1536-1539; Unger, M. A., y col., Science 2000, 288, 113-116; McDonald, J. C., y col., Acc. Chem. Res. 2002, 35, 491-499; Thorsen, T., y col., Science 2002, 298, 580-584; y Liu, J., y col., Anal. Chem. 2003, 75, 4718-4723. Un material de PDMS ofrece numerosas propiedades atractivas en aplicaciones de microfluídica. Tras la reticulación, el PDMS se vuelve un material elastomérico con un módulo de Young, por ejemplo, de aproximadamente 750 kPa. Véase Unger, M. A., y col., Science 2000, 288, 113-116. Esta propiedad permite que el PDMS se ajuste a superficies y forme sellados reversibles. Además, el PDMS tiene una baja energía superficial, por ejemplo, de aproximadamente 20 erg/cm2, que puede facilitar su desprendimiento de los moldes de modelado. Véanse Scherer, A., y col., Science 2000, 290, 15361539; McDonald, J. C., y col., Acc. Chem. Res. 2002, 35, 491-499.

Otra característica importante del PDMS es su excelente permeabilidad a gases. Esta propiedad permite que burbujas de gas dentro de los canales de un dispositivo microfluídico permeen fuera del dispositivo. Esta propiedad también es útil en el mantenimiento de células y microorganismos dentro de las características del dispositivo microfluídico. La naturaleza no tóxica de las siliconas, tales como PDMS, también es beneficiosa a este respecto y permite oportunidades en el campo de los implantes médicos. McDonald, J. C., y col., Acc. Chem. Res. 2002, 35, 491-499.

Muchos dispositivos microfluídicos de PDMS actuales se basan en Silgard® 184 (Dow Corning, Midland, Michigan, Estados Unidos de América) . Silgard® 184 se cura térmicamente por una reacción de hidrosilación catalizada por platino. El curado completo de Silgard® 184 puede durar hasta cinco horas. Sin embargo, recientemente se ha informado de la síntesis de un material de PDMS fotocurable con propiedades mecánicas similares a las de Silgard® 184 para su uso en litografía blanda. Véase Choi, K. M., y col., J. Am. Chem. Soc. 2003, 125, 4060-4061.

A pesar de las ventajas anteriormente mencionadas, el PDMS tiene en aplicaciones de microfluídica el inconveniente de que se hincha en la mayoría de los solventes orgánicos. Por tanto, los dispositivos microfluídicos basados en PDMS tienen una compatibilidad limitada con diversos disolventes orgánicos. Véase Lee, J. N., y col., Anal. Chem. 2003, 75, 6544-6554. Entre aquellos disolventes orgánicos que hinchan el PDMS están hexanos, éter etílico, tolueno, diclorometano, acetona y acetonitrilo. Véase Lee, J. N., y col., Anal. Chem. 2003, 75, 6544-6554. El hinchamiento de un dispositivo microfluídico de PDMS por disolventes orgánicos puede perturbar sus características de escala micrométrica, por ejemplo, un canal o pluralidad de canales, y pueden restringir o cortar completamente el flujo de disolventes orgánicos por los canales. Por tanto, las aplicaciones de microfluídica con un dispositivo basado en PDMS están limitadas al uso de fluidos tales como agua que no hinchan el PDMS. Como resultado, aquellas aplicaciones que requieren el uso de disolventes orgánicos probablemente necesitarán usar sistemas microfluídicos fabricados a partir de materiales duros tales como vidrio y silicio. Véase Lee, J. N., y col., Anal. Chem. 2003, 75, 6544-6554. Sin embargo, este enfoque está limitado por las desventajas de fabricar dispositivos microfluídicos a partir de materiales duros.

Además, los dispositivos y materiales basados en PDMS son bien conocidos por no ser adecuadamente suficientemente inertes para permitir que se usen incluso químicas basadas en agua. Por ejemplo, el PDMS es susceptible a la reacción con ácidos y bases débiles y fuertes. Los dispositivos basados en PDMS también son bien conocidos por contener extraíbles, en particular oligómeros y siloxanos cíclicos extraíbles, especialmente después de la exposición a ácidos y bases. Debido a que el PDMS es fácilmente hinchado por extractos orgánicos, los materiales hidrófobos, incluso aquellos materiales hidrófobos que son ligeramente solubles en agua, pueden repartirse en materiales basados en PDMS usados para la construcción de dispositivos microfluídicos basados en PDMS.

Por tanto, un material elastomérico que presenta las propiedades mecánicas atractivas del PDMS combinadas con una resistencia al hinchamiento en disolventes orgánicos comunes extendería el uso de los dispositivos microfluídicos a una variedad de nuevas aplicaciones químicas que están inaccesibles por los dispositivos basados en PDMS actuales. Por consiguiente, el enfoque demostrado por la materia presentemente desvelada usa un material elastómero, más particularmente un material de perfluoropoliéter (PFPE) fotocurable, que es resistente al hinchamiento en disolventes orgánicos comunes para fabricar un dispositivo microfluídico.

Los materiales de PFPE fotocurables representan... [Seguir leyendo]

1. Un procedimiento de formación de una capa modelada de un perfluoropoliéter fotocurado, procedimiento que comprende:

(a) proporcionar un sustrato, en el que el sustrato comprende una superficie modelada;

(b) poner en contacto un precursor de perfluoropoliéter con la superficie modelada del sustrato; y

(c) fotocurar el precursor de perfluoropoliéter para formar una capa modelada de un perfluoropoliéter fotocurado.

2. El procedimiento de la reivindicación 1 que comprende:

(a) recubrir la superficie modelada del sustrato con una mezcla de un precursor de perfluoropoliéter y un fotoiniciador para formar un sustrato modelado recubierto;

(b) exponer el sustrato modelado recubierto a radiación ultravioleta durante un periodo de tiempo para formar una capa de un perfluoropoliéter fotocurado sobre el sustrato modelado; y

(c) quitar la capa del perfluoropoliéter fotocurado del sustrato modelado para producir una capa modelada del perfluoropoliéter fotocurado.

3. El procedimiento de la reivindicación 2, en el que el precursor de perfluoropoliéter comprende un perfluoropoliéter funcionalizado en el extremo.

4. El procedimiento de la reivindicación 2, en el que el fotoiniciador comprende 2, 2-dimetoxi-2fenilacetofenona.

5. El procedimiento de la reivindicación 2, en el que el perfluoropoliéter fotocurado comprende un dimetacrilato de perfluoropoliéter o un perfluoropoliéter diestirénico.

6. El procedimiento de la reivindicación 2, en el que el sustrato modelado comprende una oblea de silicio grabada con ácido o un sustrato modelado fotorresistente.

7. El procedimiento de la reivindicación 2, en el que la etapa de recubrimiento comprende una etapa de recubrimiento por centrifugación.

8. El procedimiento de la reivindicación 2, en el que la radiación ultravioleta tiene una longitud de onda de aproximadamente 365 nanómetros.

9. El procedimiento de la reivindicación 2, en el que el periodo de tiempo de la radiación ultravioleta oscila de un segundo a 300 segundos, preferentemente de un segundo a 100 segundos.

10. El procedimiento de la reivindicación 9, en el que el periodo de tiempo de la radiación ultravioleta es aproximadamente 60 segundos, o aproximadamente 6 segundos.

11. El procedimiento de la reivindicación 2, en el que la capa modelada del perfluoropoliéter fotocurado tiene entre 0, 1 micrómetros y 100 micrómetros de espesor, preferentemente entre 1 micrómetros y 100 micrómetros de espesor, más preferentemente entre 1 micrómetro y 50 micrómetros de espesor, incluso más preferentemente aproximadamente 20 micrómetros de espesor.

12. El procedimiento de la reivindicación 2, en el que la capa modelada del perfluoropoliéter fotocurado tiene entre 0, 1 milímetros y 10 milímetros de espesor, preferentemente aproximadamente 5 milímetros de espesor.

13. El procedimiento de la reivindicación 1, en el que la capa modelada del perfluoropoliéter fotocurado comprende una pluralidad de canales a escala micrométrica.

14. El procedimiento de la reivindicación 13, en el que la pluralidad de canales a escala micrométrica comprende una red integrada de canales a escala micrométrica, preferentemente en el que los canales a escala micrométrica de la red integrada intersecan en puntos predeterminados.

15. El procedimiento de la reivindicación 1 que comprende formar una pluralidad de orificios en la capa modelada del perfluoropoliéter fotocurado.

16. El procedimiento de la reivindicación 15, en el que al menos uno de la pluralidad de orificios comprende una apertura de entrada o una apertura de salida.

17. El procedimiento de la reivindicación 15 que comprende al menos una válvula accionada por presión, en el que la válvula accionada por presión se define por uno de:

(a) un canal a escala micrométrica; y

(b) al menos uno de la pluralidad de orificios.

18. El procedimiento de la reivindicación 2 que comprende:

(a) superponer una primera capa modelada del perfluoropoliéter fotocurado sobre una segunda capa modelada del perfluoropoliéter fotocurado, en el que los patrones de la primera y segunda capas del perfluoropoliéter fotocurado están alineados en un alineamiento predeterminado; y

(b) exponer la primera y la segunda capas del perfluoropoliéter fotocurado a radiación ultravioleta durante un periodo de tiempo.

19. El procedimiento de la reivindicación 18, en el que la primera y la segunda capas modeladas del perfluoropoliéter fotocurado se adhieren entre sí.

20. El procedimiento de la reivindicación 18, en el que la primera capa modelada del perfluoropoliéter fotocurado tiene aproximadamente 5 milímetros de espesor.

21. El procedimiento de la reivindicación 18, en el que la segunda capa modelada del perfluoropoliéter fotocurado tiene aproximadamente 20 micrómetros de espesor.

22. El procedimiento de la reivindicación 18, en el que el alineamiento predeterminado de la primera y segunda capas del perfluoropoliéter fotocurado forma una pluralidad de canales a escala micrométrica.

23. El procedimiento de la reivindicación 22, en el que la pluralidad de canales a escala micrométrica comprende una red integrada de canales a escala micrométrica, preferentemente en el que los canales a escala micrométrica de la red integrada intersecan en puntos predeterminados.

24. El procedimiento de la reivindicación 18 que comprende formar una pluralidad de orificios en la primera capa modelada del perfluoropoliéter fotocurado.

25. El procedimiento de la reivindicación 24 que comprende al menos una válvula accionada por presión, en el que la válvula accionada por presión se define por uno de:

(a) un canal a escala micrométrica; y

(b) al menos uno de la pluralidad de orificios.

26. Un dispositivo microfluídico que comprende una capa modelada de un perfluoropoliéter fotocurado.

27. El dispositivo microfluídico de la reivindicación 26, en el que el perfluoropoliéter fotocurado se selecciona de uno de un dimetacrilato de perfluoropoliéter y un perfluoropoliéter diestirénico, o una combinación de los mismos.

28. El dispositivo microfluídico de la reivindicación 26, en el que la capa modelada del perfluoropoliéter fotocurado tiene entre 1 micrómetros y 100 micrómetros de espesor, preferentemente aproximadamente 20 micrómetros de espesor.

29. El dispositivo microfluídico de la reivindicación 26, en el que la capa modelada del perfluoropoliéter fotocurado tiene entre 0, 1 milímetros y 10 milímetros de espesor, preferentemente aproximadamente 5 milímetros de espesor.

30. El dispositivo microfluídico de la reivindicación 26, en el que la capa modelada del perfluoropoliéter fotocurado comprende una pluralidad de canales a escala micrométrica.

31. El dispositivo microfluídico de la reivindicación 30, en el que la pluralidad de canales a escala micrométrica comprende una red integrada de canales a escala micrométrica, preferentemente en el que los canales a escala micrométrica de la red integrada intersecan en puntos predeterminados.

32. El dispositivo microfluídico de la reivindicación 26, en el que la capa modelada del perfluoropoliéter fotocurado comprende una pluralidad de orificios.

33. El dispositivo microfluídico de la reivindicación 32, en el que al menos uno de la pluralidad de orificios comprende una apertura de entrada o una apertura de salida.

34. El dispositivo microfluídico de la reivindicación 32 que comprende al menos una válvula accionada por presión, en el que la válvula accionada por presión se define por uno de:

(a) un canal a escala micrométrica; y 5 (b) al menos uno de la pluralidad de orificios.