DISPOSITIVO MICROFLUÍDICO Y PROCEDIMIENTO PARA SU FABRICACIÓN.

Dispositivo microfluídico y procedimiento para su fabricación.

El dispositivo microfluídico comprende: un sustrato; un par de depósitos de tinta impresa de capa gruesa opuestos que definen un canal funcional y estructural, comprendiendo dichos depósitos una primera estructura de depósito de tinta que comprende una pluralidad de capas depositadas sobre el sustrato por serigrafía, y una segunda estructura de depósito de tinta que comprende una pluralidad de capas depositadas sobre el sustrato por serigrafía y posicionadas para oponerse a dicha primera estructura de depósito de tinta; un segundo y posteriores pares de depósitos de tinta impresa de capa gruesa alineados para oponerse entre sí a lo largo de la longitud de los depósitos anteriores, formando una extensión de dicho canal; y una tapa. Entre el sustrato, los pares de depósitos de tinta, la primera y segunda estructuras de depósito de tinta y la tapa se forma un microcanal tridimensional.

Dispositivo microfluídico y procedimiento para su fabricación.

La invención se aplica a la fabricación microsistemas y microrreactores de bajo costo y fáciles de fabricar usando técnicas de capa gruesa (serigrafía, estampación) , donde los componentes estructurales se vuelven elementos funcionales capaces de llevar a cabo una variedad de funciones relacionadas con su naturaleza eléctricamente conductora y sus capacidades electroquímicas. También se pueden usar propiedades adicionales de las tintas aplicadas en microsistemas y microrreactores, tales como filtración, cribado molecular, y similar.

Antecedentes de la invención Los dispositivos microfluídicos tienen muchas ventajas respecto a sistemas macro-dimensionados convencionales para aplicaciones de laboratorio en un chip, y más recientemente para el desarrollo de procesos químicos [1, 2]. Los dispositivos microfluídicos se fabrican comúnmente por fotolitografía, grabado en seco y húmedo, moldeo por inyección, y estampación en caliente [3]. Tales procedimientos permiten la incorporación de elementos funcionales tales como sensores y accionadores, válvulas y elementos pasivos o activos con diferentes grados de complejidad y coste dependiendo de si la realización final se realiza en plástico o en silicio. A menudo se requiere el trabajo en sala blanca. Para tales procedimientos, la creación de prototipos tiene un ciclo de iteración largo, y es factible pero laborioso de producir dispositivos híbridos que incorporan especialmente sensores y elementos activos. Para muchas aplicaciones el costo de estos procedimientos puede considerarse elevado, y deben llevarse a cabo estudios cuidadosos de volúmenes de producción antes del desarrollo del producto. Para muchos productos, sin embargo, la baja resolución requerida para los elementos microfluídicos (del orden de cien micrómetros) no justifica el gasto de las técnicas de alta resolución.

Para la mayoría de las aplicaciones de volumen elevado, tales como dispositivos de diagnóstico desechables, instrumentos de campo, control de calidad de producción alimentaria, configuraciones versátiles para la optimización de procesos, y selección de catalizador, el coste aceptable para la aplicación es al menos un orden de magnitud inferior a lo que las técnicas de fabricación actuales permiten. Los microsistemas se fabrican habitualmente por técnicas fotolitográficas que usan una variedad de procedimientos. Un problema perenne de los microsistemas fabricados de esta manera es la dificultad de obtener dispositivos híbridos que incorporan diferentes materiales con diferentes funcionalidades. La creación de prototipos es otro problema, aunque es una inversión necesaria para la fabricación. Tales problemas aumentan el coste de investigación y desarrollo, especialmente para laboratorios integrados en chip pero también para algunas aplicaciones de microsistemas y microrreactores.

Sería altamente deseable generar un dispositivo microfluídico útil que fuese rentable, fácil de producir y versátil en aplicación, por ejemplo en varias aplicaciones de microsistemas y/o microrreactores.

Breve descripción de los dibujos La figura 1 es una tabla que muestra parámetros fijos de rasqueta y de pantalla de 300 SDS (65/20) .

La figura 2 es un gráfico que muestra una variación de un espesor de línea impresa como una función de ancho de pantalla. Velocidad=6, 40·10-2 m/s. Espacio de impresión = 1, 1·10-3 m. Presión = 1, 1·104 Pa (n = 40; confianza del 95%) .

La figura 3 es un gráfico que muestra una variación de un espesor de línea impresa como una función de ancho de pantalla. Velocidad=6, 40·10-2 m/s. Espacio de impresión = 1, 1·10-3 m. Presión = 1, 1·104 Pa (n = 40; confianza del 95%) .

La figura 4 es un gráfico que muestra una variación de un ancho de microcanal como una función de ancho de pantalla. Velocidad=6, 40·10-2 m/s. Espacio de impresión = 5, 0·10-4 m. Presión = 4, 23·104 Pa (n = 6; confianza del 95%) .

La figura 5 es un gráfico que muestra una variación de un espesor de microcanal como una función de ancho de pantalla. Velocidad=6, 40·10-2 m/s. Espacio de impresión = 5, 0·10-4 m. Presión = 4, 23·104 Pa (n = 6; confianza del 95%) .

La figura 6 es un gráfico que muestra una variación de un ancho y un espesor de microcanal con alineación óptica en impresión multicapa. Velocidad=6, 40·10-2 m/s. Espacio de impresión = 9, 0·10-4 m. Presión = 3, 08·104 Pa. Viscosidad de tinta = 152.800 cP. (n = 20; confianza del 95%)

La figura 7 es un dibujo esquemático del microsistema e imagen por microscopía electrónica del microcanal que muestra un contraelectrodo de trabajo y de referencia.

La figura 8 muestra imágenes de microscopía confocal que monitoriza la formación y la difusión de productos de reacción electroquímica dentro de un microcanal.

La figura 9 es un gráfico que muestra la electropolimerización de polianilina realizada por volumetría cíclica sobre la superficie del electrodo dentro del microcanal cerrado. Contraelectrodo de referencia Ag/AgCl interno serigrafiado. Velocidad de barrido 0, 1 V s-1.

La figura 10 muestra una imagen ESEM de la deposición de polianilina en un microsistema serigrafiado a) 2 ciclos, b) 5 ciclos, c) 20 ciclos, d) imagen ESEM de la deposición de partículas paramagnéticas en un microsistema serigrafiado.

La figura 11 es un gráfico que muestra un diagrama de Nyquist que muestra la señal impedimétrica obtenida a partir del electrodo de trabajo dentro de un microsistema. El electrodo de trabajo sobre el cual se han depositado inmunopartículas mediante electroforésis durante diferentes tiempos. Asimismo se muestra la respuesta de impedancia cuando las inmunopartículas depositadas se han expuesto a soluciones bacterianas. El conjunto de potencial inicial fue de 0, 07 V con una amplitud de 0, 005 V (respecto del contraelectrodo de referencia Ag/AgCl interno serigrafiado) y una gama de frecuencias de 105 a 0, 1 Hz. Se usó una solución de ferri/ferrocianuro de potasio 1mM en nitrato de estroncio 0, 1 M como electrolito.

La figura 12 es un diagrama de Bode para diferentes impedancias medidas de diferentes concentraciones bacterianas dentro del microsistema en soluciones, sin electrolito de soporte. El conjunto de potencial inicial fue de de 0, 1 V con una amplitud de 0, 24 V (respecto del contraelectrodo de referencia Ag/AgCl interno serigrafiado) y una gama de frecuencias de 105 a 0, 1 Hz.

La figura 13 es un gráfico que muestra la monitorización por impedancia de la lisis de diferentes concentraciones de bacterias inmovilizadas en función tiempo. El conjunto de potencial fue 0, 07 V (respecto del contraelectrodo de referencia Ag/AgCl interno serigrafiado) y se fijo una frecuencia en 101 Hz. Se usó una solución de ferri/ferrocianuro de potasio 1mM en nitrato de estroncio 0, 1 M como electrolito.

La figura 14 es un dibujo esquemático de los componentes y mecanismos integrados en la plataforma propuesta para inmovilización, lisis y detección electroquímica de patógenos.

La figura 15 es un gráfico que muestra resultados medidos con un amperímetro para la detección de bacterias inmovilizadas y a continuación lisadas en la superficie del electrodo dentro del microsistema. El potencial se fijó en 0, 2 V (respecto del contraelectrodo de referencia Ag/AgCl interno serigrafiado) . La solución en el interior del microsistema contiene glucosa 5 mM y PAPH 2 mM con 1mM MgCl2 en PBS 0, 1 M de pH 7.

La figura 16 muestra un dibujo esquemático del microsistema y la imagen de microscopía electrónica del microcanal que muestra el contraelectrodo de trabajo y de referencia del Ejemplo 6.

La figura 17 muestra dibujos esquemáticos del microsistema y fotografías del microcanal disfuncional en serie del Ejemplo 7, que muestran la colocación en serie de múltiples electrodos a lo largo del microcanal, y que incluyen un dieléctrico entre los electrodos en serie.

Resumen de la invención La aplicación de impresión de capa gruesa, por ejemplo serigrafía en la fabricación de dispositivos microfluídicos como se describe en el presente documento, proporciona una técnica de bajo costo que permite una producción fácil y aplicaciones de un microsistema versátil y/o un microrreactor.

Los microsistemas que comprenden elementos tridimensionales producidos por técnicas de impresión de capa gruesa, tales como la serigrafía se producen por los procedimientos descritos en el presente documento, y demuestran la capacidad de tales técnicas para producir elementos útiles que tienen una naturaleza tridimensional con versatilidad y bajo costo para la fabricación de microsistemas y microrreactores funcionales.

Como...

1. Un dispositivo microfluídico que comprende:

a) un sustrato,

b) un par opuesto de depósitos de tinta impresa de capa gruesa para de este modo definir un canal funcional y estructural cuya profundidad se determina mediante el espesor de dichos depósitos de tinta sobre el sustrato que comprende b1) una primera estructura de depósito de tinta que comprende una pluralidad de capas depositadas sobre el sustrato por serigrafía; b2) una segunda estructura de depósito de tinta que comprende una pluralidad de capas depositadas sobre el sustrato por serigrafía y posicionadas para oponerse a dicha primera estructura de depósito de tinta;

c) un segundo y posteriores pares de depósitos de tinta como se ha descrito en b) alineados para oponerse entre sí a lo largo de la longitud de los depósitos anteriores para de este modo formar una extensión de dicho canal, y

d) una tapa;

en el cual dicho sustrato, la primera y la segunda estructuras de depósito de tinta y la tapa forman un microcanal tridimensional definido entre dichas estructuras de depósito de tinta opuestas, dicho sustrato, y dicha tapa dispuesta en la parte superior de dichas primera y segunda estructuras de depósito de tinta.

2. Dispositivo según la reivindicación 1, en el cual una o ambas estructuras de depósito de tinta de uno o más pares de estructuras comprenden tinta conductora y forman uno o más electrodos.

3. Dispositivo según la reivindicación 1 o 2, en el cual una superficie opuesta de dicha primera estructura de depósito de tinta, dicha segunda estructura de depósito de tinta, o ambas estructuras de depósito de tinta de uno o más pares de estructuras se funcionalizan por:

a) electropolimerización de un polímero conductor; o b) deposición electroforética de partículas coloidales, o c) deposición electroforética de elementos biológicos o catalizadores; d) deposición por agujas o por chorro de tinta de polímeros, partículas elementos biológicos, o catalizadores.

4. Dispositivo según cualquiera de las reivindicaciones 1-3, en el cual dicha primera o dicha segunda estructura de depósito de tinta de uno o más pares de estructuras comprende independientemente partículas de carbono, plata, cloruro de plata, cobre, platino, oro, una tinta modificada que contiene elementos conductores, catalíticos o biológicos, un dieléctrico o una combinación de los mismos.

5. Dispositivo según cualquiera de las reivindicaciones 1-4, en el cual

a) la anchura de dicho microcanal es de aproximadamente 50, 100 o más micrómetros; o b) el espesor de cada una de dicha primera y dicha segunda estructura de depósito de tinta y los pares de estructuras es de aproximadamente 4-7 micrómetros o más, o c) la altura de dicho microcanal es de aproximadamente 25, 35 o más micrómetros.

6. Dispositivo según la reivindicación 1, en el cual dichos pares de estructuras comprenden uno o más miembros que difieren de otro miembro en geometría y/o huella.

7. Dispositivo según la reivindicación 6, en el cual dichos pares comprende series de electrodos, y opcionalmente incluyen depósitos de tinta dieléctrica entre los electrodos en la serie.

8. Dispositivo según la reivindicación 6 o 7, en el cual cada capa de la pluralidad de capas que forman dicha primera y dicha segunda estructura de depósito de tinta comprende una composición de tinta, y en el cual un motivo de composiciones de tinta en capas que forman cada primera y segunda estructura de depósito de tinta se repite idénticamente en los electrodos de dichas primera y segunda series.

9. Dispositivo según cualquiera de las reivindicaciones 1-8, en el cual una o más capas individuales de la pluralidad de capas que forman dicha primera estructura de depósito de tinta o dicha segunda estructura de depósito de tinta difiere en composición de otras capas en la estructura de depósito de tinta.

10. Dispositivo según cualquiera de las reivindicaciones 1-9, en el cual dicha pluralidad de capas se deposita sobre el sustrato usando pantallas que tienen dos o más motivos de pantalla diferentes.

11. Dispositivo según cualquiera de las reivindicaciones 1-10, en el cual dichas estructuras de depósito de tinta son electrodos configurados para llevar a cabo mediciones electroquímicas o para inmovilizar una sustancia.

12. Dispositivo según cualquiera de las reivindicaciones 1-11, en el cual dichas estructuras de depósito de tinta son electrodos configurados para inmovilizar un elemento biológico.

13. Dispositivo según cualquiera de las reivindicaciones 1-12, en el cual dichas estructuras de depósito de tinta son electrodos configurados para determinar la concentración de un analito en una muestra.

14. Dispositivo según cualquiera de las reivindicaciones 1-13, en el cual dicha pluralidad de capas es de al menos 5 capas.

15. Dispositivo microfluídico según cualquiera de las reivindicaciones 1-14, en el cual dicha pluralidad de capas es de 5, 6, 7, 8, 9, 10, 11 o 12 capas.

16. Un procedimiento para fabricar el dispositivo microfluídico según cualquiera de las reivindicaciones 1-15, que 10 comprende:

a) un par opuesto de depósitos de tinta impresa de capa gruesa para de este modo definir un canal funcional y estructural cuya profundidad se determina mediante el espesor de dichos depósitos de tinta sobre el sustrato que comprende a.1) depositar una pluralidad de capas de una tinta sobre un sustrato usando impresión de capa gruesa para 15 formar una primera estructura de depósito de tinta;

a.2) depositar una pluralidad de capas de una tinta sobre un sustrato usando impresión de capa gruesa para formar una segunda estructura de depósito de tinta posicionada para oponerse a dicha primera estructura de depósito de tinta; y;

b) un segundo y posteriores pares de depósitos de tinta usando impresión de capa gruesa como se ha 20 descrito en a) alineados para oponerse entre sí a lo largo de la longitud de los depósitos anteriores para de este modo formar una extensión de dicha canal; y

c) disponer una tapa en la parte superior y entre dichas primera y segunda estructuras de depósito de tinta para de este modo formar un microcanal definido entre dichas estructuras opuestas de depósito de tinta, dichos pares posteriores, dicho sustrato y dicha tapa.