Miglioramento della diffusione del soluto in microgocce utilizzando microrotori sotto campo magnetico rotazionale

Jun 29, 2023

Rapporti scientifici volume 13, numero articolo: 11169 (2023) Citare questo articolo

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Nel controllo del contatto verticale (VCC), una matrice di microgocce entra in contatto selettivamente con una matrice di microgocce opposta. In generale, il VCC è utile per il meccanismo di dispensazione basato sulla diffusione del soluto tra coppie di microgocce. Tuttavia, la sedimentazione dovuta alla gravità può causare una distribuzione disomogenea dei soluti nelle microgocce. Pertanto, è necessario migliorare la diffusione del soluto per ottenere la dispensazione accurata di una grande quantità di soluto nella direzione opposta a quella della gravità. Qui, abbiamo applicato un campo magnetico rotazionale ai microrotori nelle microgocce per migliorare la diffusione del soluto nelle microgocce. Azionato da microrotori, il flusso rotazionale può generare una distribuzione omogenea di soluti in microgocce. Abbiamo analizzato la dinamica di diffusione dei soluti utilizzando un modello fenomenologico e i risultati hanno mostrato che la rotazione dei microrotori può aumentare la costante di diffusione dei soluti.

I test biochimici, come i test della reazione a catena della polimerasi, sono diventati sempre più importanti di recente. Per introdurre i campioni raccolti negli strumenti analitici per questi test, i campioni vengono dispensati in piastre a pozzetti con i reagenti del test. La dispensazione viene solitamente eseguita manualmente utilizzando una pipetta. Pertanto, questa preparazione manuale, che grava pesantemente sugli operatori e genera una grande quantità di rifiuti di plastica, deve essere sostituita con un processo automatico ed efficace.

Gli array di microgocce sono desiderati per nuovi meccanismi di dispensazione1,2. Ad esempio, quando abbiamo introdotto una soluzione acquosa in un substrato con motivo bagnante (dove le regioni idrofile circolari sono modellate su un materiale idrofobo), è possibile formare spontaneamente una serie di microgocce3,4. Poiché le microgocce sono separate le une dalle altre in una matrice, possiamo considerarle come pozzetti individuali. In altre parole, un array di microgocce è un candidato promettente per piastre a pozzetti che possono essere integrate su un chip. Nel metodo delle gocce sospese, le cellule biologiche vengono coltivate in matrici di microgocce2,5.

Dopo aver applicato il controllo del contatto verticale (VCC) tra una matrice di microgocce e una matrice opposta, le microgocce si uniscono a coppie6,7. Poiché i soluti possono viaggiare attraverso una microgoccia coalescente, il VCC degli array di microgocce rappresenta un approccio di manipolazione alternativo per il pipettaggio. Integrando l'elettrowetting nella tecnica dielettrica con VCC per manipolare la forma delle microgocce, ci consente di controllare selettivamente il contatto tra le coppie arbitrarie di microgocce8,9. Un lavoro precedente ha riportato che la gravità può causare il trasporto di sfere di fluorescenza (considerate come cellule) alle microgocce inferiori attraverso VCC8.

Inoltre, è possibile trasportare soluti attraverso microgocce coalescenti tramite diffusione. I reagenti del test inizialmente introdotti nelle microgocce superiori possono diffondersi attraverso le microgocce coalescenti durante il VCC e quindi possiamo erogare i reagenti del test alle microgocce inferiori. Un lavoro precedente ha osservato oscillazioni del calcio cellulare dopo VCC tra le microgocce inferiori e superiori, che includono rispettivamente cellule e istamina10. Inoltre, è stato riportato che la reazione di fluorescenza è controllata dalla concentrazione di istamina regolata utilizzando il VCC delle microgocce.

Il controllo della concentrazione del soluto nelle microgocce è importante per l'applicazione biochimica del meccanismo di dispensazione da parte del VCC delle microgocce. Tuttavia, la differenza di densità tra il soluto e l’acqua può causare una distribuzione eterogenea della concentrazione del soluto nelle microgocce coalescenti lungo la direzione della gravità. Sebbene la diffusione del soluto possa ridurre parzialmente la disomogeneità, non si otterrebbe una distribuzione omogenea della concentrazione. La differenza di concentrazione tra i soluti nelle microgocce superiori e inferiori dopo la separazione dipende dalle proprietà di diffusione del soluto. Pertanto, un ulteriore meccanismo di miglioramento della diffusione del soluto può consentirci di ottenere una distribuzione omogenea della concentrazione del soluto e deve contribuire alla dispensazione del soluto dalle microgocce dal basso verso l'alto con un accurato controllo della concentrazione.