BRPI0715138A2 - sistema micro-fluÍdico, mÉtodos para fabricar um sistema micro-fluÍdico e para controlar um fluxo de fluido atravÉs de um micro-canal de um sistema micro-fluÍdico, e, uso do sistema micro-fluÍdico - Google Patents

Abstract

SISTEMA MICRO-FLUÍDICO, MÉTODOS PARA FABRICAR UM SISTEMA MICRO-FLUÍDICO E PARA CONTROLAR UM FLUXO DE FLUIDO ATRAVÉS DE UM MICRO-CANAL DE UM SISTEMA MICRO-FLUÍDICO,E, USO DO SISTEMA MICRO-FLUÍDICO. A presente invenção fornece um sistema micro-fluídico, um método para fabricar um sistema micro-fluídico e um método para controlar ou manipular um fluxo de fluído através de micro-canais de tal um sistema micro-fluídico. O lado interno da parede do micro-canal é fornecido com elementos atuadores têm uma forma, uma orientação e uma geometria que inclui uma área de seção transversal de variação al longo de um eixo longitudinal. A área transversal variando inclui um ou mais aberturas ao longo do eixo longitudinal do elemento atuador. Os elementos atuadores podem mudar em forma e orientação como uma resposta a um estímulo externo. Através desta mudança da forma e orientação, o fluxo de um fluido através de um micro-canal pode ser controlado e manipulado.

Description

"SISTEMA MICRO-FLUÍDICO, MÉTODOS PARA FABRICAR UM SISTEMA MICRO-FLUÍDICO E PARA CONTROLAR UM FLUXO DE FLUIDO ATRAVÉS DE UM MICRO-CANAL DE UM SISTEMA MICRO- FLUÍDICO, E, USO DO SISTEMA MICRO-FLUÍDICO" CAMPO DA INVENÇÃO:

A presente invenção se relaciona a um sistema micro-fluídico, a um método para fabricar tal um sistema microfluídico e a um método para controlar ou manipular um fluxo de fluido através de micro-canais de tal um sistema micro-fluídico. CONHECIMENTO DA INVENÇÃO

Sistemas micro-fluídicos estão se tornando uma chave fundamental para muitas das biotecnologias em rápido crescimento de hoje, tal como rápida separação e dimensionamento de DNA, manipulação de célula, triagem de célula e detecção de molécula. Tecnologia com base em chip microfluídico oferecem muitas vantagens sobre suas homólogas em tamanho macro tradicionais.

Em todos os dispositivos microfluídicos, há uma necessidade básica para controlar o fluxo de fluido, isto é, fluidos precisam ser transportados, misturados, separados e direcionados através de um sistema de micro-canal consistindo dos canais com uma largura típica de cerca de 0,1 mm. Um desafio em atuadores microfluídicos é projetar um compacto e confiável sistema micro-fluídico para regular ou manipular o fluxo de fluidos complexos de composição variável, e. g. saliva e sangue pleno, nos micro- canais. Vários mecanismos de atuação têm sido desenvolvidos e são usados no presente, tal como esquemas de operação de pressão, válvulas e bombas mecânicas micro-fabricadas, bombas do tipo de injeção de tinta, fluxos controlados de forma eletro cinética, e ondas acústicas de superfície.

Em US 2003/02de polímero 31967, um conjunto de micro- bomba é fornecida para uso em um micro-cromatógrafo de gás e o similar, para orientar um gás através do cromatógrafo. Isto é um exemplo de uma bomba de deslocamento de membrana, onde deflexão de membranas micro- fabricadas fornece a pressão de trabalho para bombeamento de líquidos. Uma desvantagem, contudo, de usar tal um conjunto de micro-bomba e de usar micro-bombas em geral, é que elas têm de ser, em alguma maneira, integrada nos sistemas micro-fluídicos. Isto significa que o tamanho dos sistemas micro-fluídicos vai aumentar. Por conseguinte, seria útil ter um sistema micro-fluídico que seja compacto e barato, e todavia fácil de processar.

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E um objeto da presente invenção para fornecer um melhorado sistema micro-fluídico e um método de fabricar e operar as mesmas vantagens da presente invenção pode ser pelo menos um de ser compacto, barato e fácil de processar.

O objetivo acima é realizado por um método e dispositivo de acordo com a presente invenção. SUMÁRIO DA INVENÇÃO

Em um primeiro aspecto, a presente invenção fornece um sistema micro-fluídico compreendendo pelo menos um micro-canal tendo uma parede com um lado interno, e ainda mais compreendendo:

- uma pluralidade de elementos de atuador preso ao lado interno da parede, cada elemento atuador tendo uma forma, uma orientação e

uma geometria que inclui uma área de seção transversal de variação ao longo de um eixo longitudinal; e

- meios para aplicar estímulo para a pluralidade de elementos atuadores a fim de causar uma mudança na sua forma e / ou orientação.

Aplicação de estímulo para a pluralidade de elementos

atuadores fornece uma maneira para localmente manipular o fluxo de fluidos complexos em um sistema micro-fluídico. Os elementos atuadores podem ser operados ou endereçados individualmente ou em grupos para alcançar caminhos específicos de fluxo de fluido. A geometria dos elementos atuadores inclui área de seção transversal de variação ao longo de um eixo longitudinal. A área de seção transversal variando dos elementos atuadores reduz a maleabilidade dos elementos atuadores comparada com aquela com uma área transversal uniforme. Ao menos a maleabilidade do atuador é baixa, o estímulo requerido para superar a rigidez dos atuadores e para, de forma significativa, os deforma, pode se tornar grande de forma inaceitável.

Em uma modalidade de acordo com a invenção, a área de seção transversal variando está substancialmente em direção no lado interno da parede do micro-canal. A área de seção transversal variando é preferencialmente uma área de seção transversal diminuindo. A área de seção transversal diminuindo é de 10 - 80% da área de seção transversal do elemento atuador. O elemento atuador com área de seção transversal mais fina atua como uma dobradiça e o estímulo necessário para causar uma mudança na forma ou orientação é da ordem de magnitude mais baixa do que aquela necessária para um elemento atuador tendo uma área de seção transversal uniforme.

Em uma modalidade específica de acordo com a presente invenção, o sistema micro-fluídico compreende meios para aplicar estímulo para a pluralidade de elementos atuadores. Os meios para aplicar um estímulo para a pluralidade de elementos atuadores poderiam ser uns meios de geração de campo elétrico (e. g. uma fonte de corrente ou um fonte de potencial elétrico), uns meios de geração de campo eletromagnético (e. g. uma fonte de luz), uns meios de radiação eletromagnética (e. g. uma fonte de luz), uns meios de geração de campo magnético interno ou externo.

Em uma mais preferida modalidade de acordo com a presente invenção, os meios para aplicar um estímulo para os elementos atuadores são uns meios de geração de campo magnético.

Em uma modalidade de acordo com a invenção, a pluralidade de elementos atuadores pode ser arrumada em uma primeira e uma segunda fileira, a primeira fileira de elementos atuadores sendo posicionados em uma primeira posição do lado interno da parede e a segunda fileira dos elementos atuadores sendo posicionada em uma segunda posição do lado interno da parede, a primeira posição e a segunda posição sendo substancialmente opostas cada uma com a outra.

Em uma outra modalidade da presente invenção, a pluralidade de elementos atuadores pode ser arrumada em uma pluralidade de fileiras de elementos atuadores que são arrumados para formar um arranjo de duas dimensões.

Em uma modalidade adicional da presente invenção, a pluralidade de elementos atuadores pode ser aleatoriamente arrumada no lado interno da parede de um micro-canal.

Em um segundo aspecto de acordo com a invenção, um método para fabricar um sistema micro-fluídico tendo pelo menos um micro- canal inclui

- fornecer um lado interno de uma parede de pelo menos um micro-canal com uma pluralidade de elementos atuadores com uma geometria que inclui uma área de seção transversal de variação ao longo de um eixo longitudinal; e

- fornecer meios para aplicar um estímulo para a pluralidade de elementos atuadores mencionada.

O método de formar uma pluralidade de elementos atuadores com a geometria supracitada é efetuada :

- depositando uma camada de sacrifício tendo um comprimento L no lado interno da parede;

- depositando um material atuador no topo da camada de sacrifício mencionada; e

- liberando o material atuador do lado interno da parede removendo a camada de sacrifício. Remover a camada de sacrifício pode ser efetuada através de um passo de gravação.

De acordo com uma modalidade da invenção, os meios para aplicar um estímulo aos elementos atuadores pode incluir fornecer uns meios de geração de campo elétrico ou magnético.

Em um aspecto adicional da presente invenção, um método para controlar um fluxo de fluido através de um micro-canal de um sistema micro-fluídico é fornecido. O micro-canal tem uma parede com um lado interno. O método compreende:

- fornecer o lado interno da parede com uma pluralidade de elementos atuadores, os elementos atuadores cada um tendo um forma, uma orientação e uma geometria que inclui uma área de seção transversal de variação ao longo de um eixo longitudinal; e

- aplicar um estímulo para os elementos atuadores a fim de causar uma mudança em sua forma e / ou orientação.

Em uma modalidade específica de acordo com a invenção, aplicar um estímulo para os elementos atuadores pode ser efetuado aplicando um campo magnético.

A presente invenção também inclui, em um aspecto adicional, um sistema micro-fluídico compreendendo pelo menos um micro-canal tendo uma parede com um lado interno e contendo um líquido, e ainda compreendendo:

- uma pluralidade de elementos atuadores presa ao lado interno

da parede; e

- meios para aplicar o estímulo para uma pluralidade de elementos atuadores a fim de orientar o líquido em uma direção ao longo do micro-canal.

O sistema micro-fluídico de acordo com a invenção pode ser usado em aplicações de biotecnologia, de farmacêutica, de elétrica ou de eletrônica. Nas aplicações de biotecnologia, sistemas micro-fluídicos são usados em sensores biológicos, em rápida separação e dimensionamento de DNA, na manipulação e triagem de célula. Nas aplicações de farmacêutica, os sistemas micro-fluídicos são usados em testes combinatórios de alto desempenho onde mistura local é essencial. Nas aplicações de elétrica e eletrônica, os sistemas micro-fluídicos são usados em sistema de resfriamento de micro-canal.

O sistema micro-fluídico de acordo com a invenção pode ser usado em dispositivo para diagnóstico, tal como um sensor biológico, para a detecção de pelo menos uma molécula alvo, tal como proteínas, anti-corpos, ácidos nucleicos (e. g. DNA, RNA), peptídeos, oligo ou poli sacarídeos ou açúcares, sacarídeos em fluidos biológicos, tal como saliva, escarro, sangue, plasma de sangue, fluido intersticial ou urina.

Essas e outras características, recursos e vantagens da presente invenção se tornarão aparente da seguinte descrição detalhada, considerada em conjunto com os desenhos anexos, que ilustram, a título de exemplo, os princípios da invenção. Esta descrição é dada à título de exemplo somente, sem limitar o escopo da invenção. Os numerais de referência citados abaixo se refere aos desenhos anexados. DESCRIÇÃO DAS FIGURAS:

Fig.l ilustra um conjunto de micro-bomba da técnica anterior;

Fig.2 é uma representação esquemática de um elemento atuador com uma geometria que inclui uma área de seção transversal de variação ao longo de um eixo longitudinal, de acordo com uma modalidade da invenção;

Fig.3 é uma representação esquemática de um elemento atuador com uma geometria que inclui uma área de seção transversal de variação ao longo de um eixo longitudinal, de acordo com uma outra modalidade da invenção; Fig. 4 ilustra uma estrutura de flexão de MEMS de polímero de acordo com uma modalidade da invenção;

Fig.5 é uma ilustração esquemática de seções transversais de um micro-canal tendo o lado interno de sua parede coberta de elementos atuadores retos, de acordo com uma modalidade da invenção;

Fig.6 é uma ilustração esquemática de seções transversais de um micro-canal tendo o lado interno de sua parede coberta com elementos atuadores que se curvam e se endireitam, de acordo com uma outra modalidade da invenção;

Fig.7 é uma ilustração esquemática de seções transversais de um micro-canal tendo o lado interno de sua parede coberta com elementos atuadores que se movem para trás e para frente assimetricamente, de acordo com ainda uma outra modalidade da invenção;

Fig.8 ilustra a aplicação de um campo magnético uniforme para um elemento atuador reto, de acordo com uma modalidade da presente invenção;

Fig.9 ilustra a aplicação de um campo magnético rotacional para elementos atuadores individuais, de acordo com uma modalidade adicional da presente invenção; e

Fig. 10 ilustra a aplicação de um campo magnético de não uniforme, uma linha condutiva para aplicar uma força a um elemento atuador, de acordo com uma modalidade adicional da presente invenção. Nas diferentes Figuras, os mesmos símbolos de referência se referem aos mesmos ou análogos elementos.

DESCRIÇÃO DETALHADA DA INVENÇÃO:

Aspectos particulares e preferidos da invenção configuram as reivindicações independentes e dependentes anexas. Características das reivindicações dependentes podem ser combinadas com as características das reivindicações independentes e com características de outras reivindicações dependentes, conforme apropriado e não meramente como explicitamente configurado nas reivindicações.

A presente invenção será descrita com relação às modalidades particulares e com referência a certos desenhos, mas a invenção não é limitada a eles mas somente pelas reivindicações. Quaisquer símbolos de referência nas reivindicações não devem ser interpretados como limitando o escopo. Os desenhos descritos são somente esquemáticos e são não limitantes. Nos desenhos, o tamanho de algum dos elementos pode estar exagerado, e não desenhados em escala, para propósitos ilustrativos. Onde os termos compreendendo " e " caracterizado pelo fato de compreender " são usados na presente descrição e reivindicações, não exclui outros elementos ou passos. Onde um artigo definido ou indefinido é usado quando referindo a um substantivo singular e. g. " um " ou " uma " , " o " , " a " , inclui um plural daqueles substantivos ao menos que algo mais é especificamente colocado.

Ainda mais, os termos primeira, segunda, terceira e o similar na descrição e nas reivindicações, são usados para distinguir entre elementos similares e não necessariamente para descrever uma ordem seqüencial ou cronológica. É para ser entendido que os termos assim usados são intercambiáveis sob circunstâncias apropriadas e que as modalidades da invenção aqui descritas são capazes de operar em outras seqüências do que as aqui descritas ou ilustradas.

Mais ainda, os termos topo, fundo, sobre, sob e o similar na descrição e nas reivindicações são usados para propósitos descritivos e não necessariamente para descrever posições relativas. E para ser entendido que os termos assim usados são intercambiáveis sob circunstâncias apropriadas e que as modalidades da invenção aqui descritas são capazes de operar em outras orientações do que as aqui descritas ou ilustradas.

Daqui em diante, o termo forma significa a forma de um elemento atuador que pode ser de molde de vara ou de haste ou de qualquer outra forma adequada incluindo uma forma alongada. O termo orientação significa a orientação de um elemento atuador que pode ser perpendicular à ou em plano com o lado interno da parede do micro-canal. O termo maleabilidade significa o inverso de rigidez ou, em outras palavras, quanto mais maleável o elemento atuador menos rígido ele é quando atuado pelo estímulo externo. A geometria dos elementos atuadores de acordo com a invenção inclui uma área de seção transversal de variação do elemento atuador, que é preferencialmente mais fina em direção ao lado interno da parede do micro-canal. A área de seção transversal diminuindo é de 10 - 80% da área de seção transversal do elemento atuador. A diminuição na, ou espessura ou largura, resultando na área de seção transversal de variação do elemento atuador, o torna maleável. Em outras palavras, foi encontrado resultar em rigidez reduzida dos elementos atuadores. Será apreciado que a maleabilidade do elemento atuador pode também ser influenciada usando um material com um módulo elástico baixo, assim sendo aumentando a maleabilidade do elemento.

Em um primeiro aspecto, a presente invenção fornece um sistema micro-fluídico fornecido com meios que permite transporte ou (local) mistura ou direcionamento dos fluidos através de micro-canais do sistema micro-fluídico. Em um segundo aspecto, a presente invenção fornece um método para a fabricação de tal um sistema micro-fluídico. Em um terceiro aspecto, a presente invenção fornece um método para controlar o fluxo de fluido através de micro-canais de um sistema micro-fluídico. O sistema micro-fluídico de acordo com a invenção foi encontrado para ser econômico e simples de processar, enquanto também sendo robusto e compacto e adequado para muitos fluidos complexos.

Um sistema micro-fluídico de acordo com a invenção compreende pelo menos um micro-canal e elementos microfluídicos integrados em um lado interno de uma parede do pelo menos um micro-canal. Os elementos microfluídicos são os elementos atuadores. Esses elementos são preferencialmente maleáveis e duros. Os elementos atuadores preferencialmente respondem a certos estímulos, tal como um campo elétrico, um campo magnético, etc., dobrando ou rodando ou mudando a forma. Os elementos atuadores são preferencialmente fácil de processar por meio de processos relativamente baratos.

De acordo com a invenção, todos os materiais adequados, i. e. materiais que são capazes de mudar a forma deformando mecanicamente como uma resposta a um estímulo externo, podem ser usados. O estímulo externo pode ser de diferente origem, tal como um campo elétrico, um campo magnético, luz, temperatura, ambiente químico, etc. Uma visão geral de possíveis materiais é dada em Dirk J. Broer, Henk van Houten, Martin Ouwerkerk, Jaap M.J. den Toonder, Paul van der Sluis, Stephen I. Klink, Rifat A.M. Hikmet, Ruud Balkenende. Smart Materiais. Capítulo 4 em True Visions: Tales on the Realization of Ambient Intelligence, ed. por Emile Aarts e Jose Encarnacao, Springer Verlag, 2006. Materiais polímeros são, de modo geral, duros em vez de quebradiços, relativamente baratos, elásticos até grandes esforços (até 10% ou mais) e oferecem a perspectiva de ser processável em grandes áreas de superfície, usando processos simples. Dependendo do tipo de estímulo de atuação, os materiais que

são usados para formar os elementos atuadores podem ter de ser funcionalizados. Polímeros são preferidos para pelo menos uma parte dos atuadores. A maioria dos tipos de polímeros pode ser usada de acordo com a presente invenção, exceto para muitos polímeros quebradiços tal como poliestireno, que não são muito adequados para usar na presente invenção. Em alguns casos, por exemplo, no caso de atuação eletrostática ou magnética, metais podem ser usados para formar os elementos atuadores ou podem ser parte dos elementos atuadores, e. g. em compósitos de Polimero-Metal Ionomérico (IPMC). Por exemplo, para atuação magnética, FeNi ou um outro material magnético pode ser usado para formar os elementos atuadores. A desvantagem de metais, contudo, poderia ser fadiga mecânica e custo de processamento.

Outros materiais que pode ser usados incluem todas as formas de Polímeros Eletro Ativos (EAPs). Eles podem ser classificados muito geralmente em duas classes: iônico e eletrônico. EAPs eletronicamente ativados incluem quaisquer dos seguintes: electrostritivo (e. g. elastômero de enxerto electrostritivo), eletrostáticos (dielétrico), piezo-elétrico, magnético, eletro-viscoso - elástico , elastômero de cristal líquido, e polímeros atuados ferroelétricos. EAPs iônicos incluem géis tal como géis de polímero iônico, Compósitos de Polimero-Metal Ionomérico (IPMC), polímeros condutivos e nano tubos de carbono. Os materiais podem exibir propriedades condutivas ou fotônicas, ou serem quimicamente ativados, i. e., não eletricamente deformável. Quaisquer dos EAPs acima podem ser feitas para dobrar com uma resposta de curva significativa e podem ser usado para os elementos atuadores com a geometria de acordo com a invenção.

Por causa do acima, de acordo com a presente invenção, os elementos atuadores podem preferencialmente ser formados de, ou incluir como uma parte de sua construção, materiais de polímero. Por conseguinte, ainda na descrição, a invenção será descrita por meio de elementos atuadores de polímero. Contudo, tem de ser entendido por uma pessoa qualificada na técnica que a presente invenção pode também ser aplicado quando materiais outros do que polímeros, como descrito acima, são usados para formar os elementos atuadores. Materiais de polímero são, de modo geral, duros em vez de quebradiços, relativamente baratos, elásticos até grandes esforços (até 10% ou mais) e oferecem a perspectiva de ser processável em grandes áreas de superfície, usando processos simples.

O sistema micro-fluídico de acordo com a invenção pode ser usado em aplicações lógicas de técnicas biológicas, tal como micro sistemas de análises total, diagnósticos microfluídicos, micro-usinas e micro- instalações bioquímicas ou químicas, sensores biológicos, rápida separação e dimensionamento de DNA, manipulação e triagem de célula, em aplicações farmacêuticas, em partícula teste combinatório de alto desempenho, onde mistura local é essencial, e em sistemas de resfriamento de micro-canal, e. g. em aplicações de micro-eletrônica.

A presente invenção manipula o movimento de fluido em micro-canais cobrindo as paredes dos micro-canais com elementos atuadores de polímero microscópicos, i. e. estruturas de polímero mudando sua forma e / ou dimensão em resposta a um certo estímulo externo. Na seguinte descrição, esses elementos atuadores microscópicos, tal como elementos atuadores de polímero, podem também ser referido como atuadores, e. g. atuadores de polímero ou atuadores de micro-polímero, elementos atuadores, elementos atuadores de micro-polímero ou elementos atuadores. Tem de ser notado que quando quaisquer desses termos é usado ao longo da descrição, sempre os mesmos elementos atuadores microscópicos de acordo com a invenção são significativos. Os elementos atuadores de micro-polímero ou atuadores de polímero podem ser configurados em movimento, ou individualmente ou em grupos, por qualquer adequado estímulo externo. Esse estímulo externo pode ser um campo elétrico tal como e. g. uma corrente, um campo magnético, ou qualquer outro meio adequado.

Contudo, para aplicações biomédicas, considerando possíveis interações com os fluidos biológicos complexos que podem ocorrer, meios de atuação magnética e elétrica podem ser preferidos, usando outros materiais para formar os elementos atuadores.

Na descrição, principalmente atuação magnética será discutido. Um elemento polímero individual magneticamente atuado é basicamente uma aba que é ou paramagnética ou ferro magnética. Isto pode ser alcançado incorporando partículas super-paramagnéticas ou ferro magnéticas na aba, ou depositando uma camada magnética (estruturada) na aba, ou de modo intrínseco usar materiais de polímero magnético. A aba pode ser movida em um campo magnético, ou através de um torque efetivamente aplicado, ou através de uma força translacional direta. O campo pode ser ou uniforme ou espacialmente variando que é, por exemplo, induzido por um fio de corrente.

A aplicação de um campo magnético externo vai resultar em forças translacionais assim como rotacionais na aba. As forças translacionais é igual à:

F = Vp-5), (1)

onde m é o momento magnético da aba e B é a indução

magnética.

A força rotacional, i. e. o torque na aba, vai forçá-la a ser mover, i. e. gira e / ou muda forma. Assumindo um momento magnético da aba de m e uma força de campo magnético de H , o torque τ é dado por:

τ =μ^χίί = mxB = VMxB = LwtMxB (2)

onde μ é a permeabilidade, B é a indução magnética, M é a magnetização (i. e. o momento magnético por unidade de volume), e V é o volume da aba. A aba tem dimensões de comprimento χ largura χ espessura de L χ w χ t. O torque aplicado depende do ângulo entre o momento magnético e o campo magnético, e é zero quando esses estão alinhados.

Para pegar um elemento efetivo para usar em um dispositivo microfluídico, a força resultante atuando na aba precisa, por um lado, ser suficiente para deformar a aba, de forma significativa, (i. e. superar a rigidez da aba), e por outro lado, ser grande o bastante para exceder a ação de arrasto na aba pelo fluido circundante.

Em um campo magnético, a aba vai experimentar um torque dado pela equação (2), que é:

τ = Lwi.UBseiiix. (3)

onde M é a magnetização da aba, que é assumida ser orientada ao longo da direção de comprimento da aba. B é a magnitude da indução magnética aplicada, e α é o ângulo entre a magnetização e o campo magnético aplicado. O torque pode ser representado como uma força F atuando sobre a ponta da aba, pela equação:

F = Z. = u7,l//?seri« ί·1)

Se o material de um módulo de Young E, a deflexão δ de sua ponta, quando uma carga F está atuando nela, é dada por:

=77 <s>

Ewt

Esta formula é válida para deflexões bem pequenas, i. e. na ordem da espessura do elemento. Para deflexões maiores, necessárias para atuação efetiva de fluidos, efeitos não lineares que não são incluídos na equação (5) necessitam ser cuidados. O Método de Elemento Finito (FEM), como implementado no pacote de FEM "Ansys", é usado para computar a relação força - deflexão. Uma força típica necessária para curvar a aba cerca de 5 μηι

seria de aproximadamente 0,1 μΝ, quando £=2 GPa, L=20 μηι, w=10 μηι, e t=300 nm. O campo magnético requerido para dar esta força é estimado da

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equação (4). E assumido que a estrutura é preenchida com 10 vol % de partículas de magnetita ferro magnética. A magnetização de volume de magnetita é cerca de 5x105 A/m. Já que as partículas são esféricas, a magnetização efetiva precisa ser multiplicada por um fator de forma igual à 1/3. Então, a magnetização efetiva da aba é igual a M = 10% χ (1/3) χ 5x105 = 1,65 χ IO4 A/m. Substituindo os valores na equação (4), e assumindo a orientação ótima da aba, i. e. perpendicular ao campo magnético, se conclui que para a força de 0,1 μΝ, a indução magnética de 2 T é necessária. Isto é um grande valor não realístico para aplicações práticas.

Quando usando o gradiente de campo magnético, e então a força translacional dada pela equação (1), em combinação com uma aba super-paramagnética, um argumento similar se aplica. Ao menos que a maleabilidade da aba é alta, os gradientes de campo / de corrente elétrica requerida para superar a rigidez das abas e para, de forma significativa, deformá-las se torna inaceitavelmente grandes.

De acordo com a invenção, os elementos atuadores têm uma área de seção transversal de variação ao longo do eixo longitudinal. A seção transversal variando pode incluir aberturas. A forma das aberturas pode ser quadrada, um retângulo, um círculo, um semi-círculo, e / ou o similar. Essas aberturas diminuem a rigidez dos elementos atuadores. É para ser notado que a diminuição na ou , espessura ou largura dos elementos atuadores os torna mais maleável. Sem desejar se prender a qualquer teoria, se acredita que a parte do elemento atuador com espessura ou largura reduzida atual como uma dobradiça e o estímulo necessário para causar uma mudança na forma ou orientação é da ordem de magnitude mais baixa do que aquela necessária para um elemento atuador tendo uma área de seção transversal uniforme. A maleabilidade foi encontrada aumentar linearmente com uma diminuição na largura, ao passo que aumenta com a espessura para a potência de três.

De acordo com uma outra modalidade, os elementos atuadores têm múltiplas aberturas, tal como múltiplas dobradiças maleáveis. Essas podem ser obtidas reduzindo ou a largura ou a espessura dos elementos atuadores. Essas estruturas são capazes de fornecer mais movimentos complexos. Contudo, pode ser visto da equação (2) que baixando a espessura ou a largura pode resultar em força magnética reduzida. Se as múltiplas dobradiças maleáveis são mais efetivas, depende do equilíbrio entre a rigidez reduzida e a força magnética reduzida. Esta modalidade preferida pode trabalhar melhor para estímulo magnético. Contudo, não deve ser limitar o escopo da invenção somente para campos magnéticos.

Fig. 1 ilustra um conjunto de micro-bomba da técnica anterior. Um conjunto de micro-bomba 11 é fornecido para uso em um micro- cromatógrafo de gás e o similar, para orientar um gás através do cromatógrafo. O conjunto de micro-bomba 11 inclui uma micro-bomba 2 tendo uma série de arranjos de cavidades de bomba micro-torneadas, conectada à micro-válvulas 14. Uma membrana de bombeamento compartilhada divide a cavidade em câmaras de bombeamento de topo e fundo. Ambas das câmaras de bombeamento são operadas pela membrana de bombeamento compartilhada, que pode ser uma película de polímero. Movimento da membrana de bombeamento e controle da micro-válvula compartilhada são sincronizados para controlar o fluxo de fluido através do par de unidade de bomba em resposta a uma pluralidade de sinais elétricos.

O conjunto 11 ainda mais compreende um tubo de entrada 16 e um tubo de saída 18. A operação de bombeamento é assim sendo disparada eletrostaticamente puxando para baixo as membranas da bomba e válvula de acordo com um certo ciclo. Programando o sinal elétrico em uma maneira específica, gás pode ser enviando em uma direção ou na direção reversa. A freqüência na qual o sistema de bomba é operado determina a taxa de fluxo da bomba. Tendo eletrodos em ambos os lados, uma membrana eletrostaticamente operada facilmente supera as limitações mecânicas de vibração e amortecimento do movimento de resistência de ar através dos buracos e cavidades.

O conjunto da micro-bomba 11 da US 2003/02de polímero 31967 é um exemplo de uma bomba de deslocamento de membrana, onde a deflexão de membranas micro-fabricadas fornece uma pressão necessária para o bombeamento de líquidos.

Fig.2 e Fig.3 ilustram um exemplo de um elemento atuador 30 com uma geometria de acordo com uma modalidade da presente invenção. A Figura da direita na Fig.2 e Fig. 3 mostram uma vista lateral do elemento atuador. Essas Figuras representam um elemento atuador 30 que pode responder a um estímulo externo, tal como um campo elétrico ou magnético ou um outro estímulo, curvando para cima e para baixo. O elemento atuador de polímero 30 compreende um Sistema Micro Eletro Mecânico de polímero (MEMS de polímero) de polímero 31 e um meio de prender 32 para prender o MEMS de polímero de polímero 31 a um micro-canal 33 do sistema micro- fluídico. Os meios de prender 32 podem ser posicionados em uma primeira extremidade do MEMS de polímero de polímero 31. O MEMS de polímero de polímero 31 pode ter a forma de uma vara ou uma haste. Contudo, a invenção não é limitada a MEMS de forma de vara ou de haste. O elemento atuador 30 pode compreender uma área de seção transversal de variação ao longo de um eixo longitudinal para aumentar a maleabilidade ou, em outras palavras, reduz a rigidez do elemento atuador. A seção transversal variando pode incluir aberturas 20, 21, 22 como mostrado na figura 2. A forma das aberturas pode ser um quadrado, um retângulo, um círculo, um semi-círculo e / ou o similar. Os elementos atuadores 30 têm múltiplas aberturas 23, 24, 25, tal como múltiplas dobradiças maleáveis como mostrado na figura 3. O elemento atuador 30 pode também compreende polímero MEMS de polímero de polímero 31 tendo outras formas adequadas.

De acordo com o aspecto descrito acima da invenção, o MEMS de polímero de polímero 31 pode ter um comprimento " 1 " no intervalo de cerca de 10 à 100 μηι, tipicamente 20 μηι. Ele pode ter uma largura " w " no intervalo de cerca de 2 à 30 μηι, tipicamente 10 μηι. O MEMS de polímero de polímero 31 pode ter uma espessura " t " no intervalo de cerca de 0,1 à 2 μηι, tipicamente 0,3 μηι. Os comprimentos / larguras / diâmetros das aberturas podem estar no intervalo de 1 - 5 μηι, tipicamente 2 μιη. Embora, na Fig.2 e Fig.3, uma orientação perpendicular à superfície de substrato é esboçada, a orientação inicial pode também estar em plano com a superfície.

Os elementos atuadores formados de materiais que podem responder as mudanças de temperatura, luz visível e UV, água, moléculas, campos eletrostáticos, campos magnéticos, campos elétricos, podem ser usados de acordo com a invenção. Contudo, para aplicações biomédicas, por exemplo, meios de atuação magnética e de luz podem ser preferidos, considerando interações possíveis com os fluidos biológicos complexos, que pode ocorrer se outros materiais são usados para formar os elementos atuadores.

Na descrição, principalmente a atuação magnética será discutido. Contudo, tem de ser entendido que também outro estímulo pode ser usado de acordo com a presente invenção. Por exemplo, o estímulo elétrico, mudanças de temperatura e luz Um exemplo de um material de polímero que pode ser usado para formar elementos atuadores que são eletricamente estimulados podem ser um polímero ferro-elétrico, i. e. flúor polivinilideno (PVDF). De modo geral, todos polímeros adequados com baixa rigidez elástica, e alta constante dielétrica podem ser usados para induzir um grande esforço de atuação submetendo-os a um campo elétrico. Outros polímeros adequados podem, por exemplo, ser materiais de Compósito de Polímero- Metal Ionomérico (IPMC) ou e. g. perfluorossulfonato e perfluorocarbonato. Exemplos de materiais de polímero operados por temperatura podem ser polímeros de memória de moldagem (SMP's), tal como géis termicamente responsivos, e. g. Poli(N- isopropilacrilamida)

Fig. 4 ilustra um exemplo de um elemento atuador 30 de acordo com uma modalidade da presente invenção. O elemento atuador 30 pode responder a um estímulo externo, tal como e. g. um campo elétrico ou magnético ou um outro estímulo, curvando para cima ou para baixo. O elemento atuador de polímero 30 compreende um Sistema Micro Eletro Mecânico de polímero ou MEMS de polímero 31 e um meio de prender 32 para prender o MEMS de polímero 31 para um micro-canal 33 do sistema micro-fluídico. Os meios de prender 32 podem ser posicionados em uma primeira extremidade do MEMS de polímero 31.

O MEMS de polímero 31 pode ter a forma de uma haste.

Contudo, a invenção não é limitada a MEMS com forma de haste; o elemento atuador de polímero 30 pode também compreender o MEMS de polímero 31 tendo outras formas adequadas, preferencialmente formas alongadas, tal como, por exemplo, a forma de uma vara. Um exemplo de como formar um elemento atuador 30 preso a

um micro-canal 33 de acordo com a invenção será descrito daqui em diante.

Os elementos atuadores 30 podem ser fixados no lado interno da parede 36 de um micro-canal 33 em várias maneiras possíveis. Uma primeira maneira para fixar os elementos atuadores 30 ao lado interno 35 da parede 36 de um micro-canal 33 é depositando, por exemplo, por fiação, por evaporação, ou uma outra técnica de depósito adequada, uma camada de um material a partir do qual os elementos atuadores 30 serão formados, em uma camada de sacrifício. Por conseguinte, primeiro uma camada de sacrifício pode ser depositada em um lado interno 35 de uma parede 36 do micro-canal 33. A camada de sacrifício pode ser composto de um metal (e. g. alumínio), um óxido (e. g. SiOx), um nitreto (e. g. SixNy) ou um polímero. O material do qual a camada de sacrifício é composto deve ser tal que pode ser de forma seletiva prensado com relação ao material do qual o elemento de atuação é formado, e pode ser depositado em um lado interno 35 de uma parede 36 do micro-canal 33 sobre um comprimento adequado. Em algumas modalidades, a camada de sacrifício pode ser depositada sobre a área de superfície total do lado interno 35 da parede 36 de um micro-canal 33, tipicamente áreas na ordem de vários cm. Contudo, em outras modalidades, a camada de sacrifício pode ser depositada sobre um comprimento L, cujo comprimento L pode ser o mesmo que o comprimento do elemento atuador 30, que pode tipicamente estar entre 10 à 100 μηι. Dependendo do material usado, a camada de sacrifício pode ter uma espessura entre 0,1 e 10 μιη.

Em um próximo passo, uma camada de um material de polímero, que vai formar o MEMS de polímero 31 , é depositado sobre a camada de sacrifício. De forma subseqüente, a camada de sacrifício pode ser prensada quando necessário para obter a mencionada geometria acima do elemento atuador. Assim sendo, a camada de polímero é liberada do lado interno 35 da parede 36 através do comprimento L (como ilustrado na Fig. 4). Esta parte forma o MEMS de polímero 31. A parte da camada de polímero que fica preso ao lado interno 35 da parede 36 forma os meios de prender 32 para prender o MEMS de polímero ao micro-canal 33, mais particularmente ao lado interno 35 da parede 36 do micro-canal 33.

Uma outra maneira de formar o elemento atuador 30 de acordo com a presente invenção pode ser usando engenharia de energia de superfície padronizada do lado interno 35 da parede 36 antes de aplicar o material de polímero. Em qual caso, o lado interno 35 da parede 36 do micro-canal 33 no qual os elementos atuadores 30 serão presos é padronizado em tal uma maneira que regiões com diferente energias de superfície são obtidas. Isto pode ser feita com técnicas adequadas, tal como litografia ou impressão. Por conseguinte, a camada de material a partir da qual os elementos atuadores 30 serão construídos é depositada e estruturada, usando técnicas adequadas conhecidas pela pessoa qualificada na técnica. A camada vai aderir fortemente a algumas áreas do lado interno 35 abaixo da parede 36, ainda referidas como áreas de forte adesão, e fracamente para outras áreas do lado interno 35 da parede 36, ainda referidas como áreas de fraca adesão. Então pode ser possível obter uma liberação espontânea de uma camada nas áreas de fraca adesão, ao passo que a camada vai permanecer fixada nas áreas de forte adesão. As áreas de forte adesão podem então formar os meios de prender 32. Desta maneira é assim sendo possível obter elementos atuadores livres de auto formação 30.

Os elementos assim processados 30 não necessitam estar na direção substancialmente paralela à parede do canal 36, como é sugerido em todas as Figuras da presente aplicação.

O MEMS de polímero 31 pode, por exemplo, compreende um polímero de acrílico, um polímero de poli (etileno - glicol) compreendendo copolímeros, ou pode compreender qualquer outro polímero adequado. Preferencialmente, os polímeros usados para formar o MEMS de polímero 31 devem ser polímeros compatíveis biologicamente, tal que eles têm mínimas interações (biológicas) químicas com o fluido no micro-canais 33 ou os componentes do fluido nos micro-canais 33. Alternativamente, os elementos atuadores 30 podem ser modificados a fim de controlar as propriedades de absorção não específicas e capacidade de molhar. O MEMS de polímero 31 pode compreender um material composto. Por exemplo, pode compreender um material de matriz preenchida de partícula ou uma estrutura de múltipla camada. Também, poderia ser mencionado " materiais de rede de polímero de cristal líquido " pode ser usado de acordo com a presente invenção.

Em um estado não atuado, i. e. quando nenhum estímulo externo é aplicado ao elemento atuador 30, o MEMS de polímero 31 que, em um exemplo específico, pode ter a forma de uma haste, são curvos ou retos. Em estímulo externo, tal como um campo elétrico (uma corrente), radiação eletromagnética (luz), um campo magnético, uma mudança de temperatura, uma presença de uma espécie química especifica, uma mudança de pH ou qualquer outros meios adequados, que é aplicado aos elementos atuadores de polímero 30, os força a curva ou endireitar ou, em outras palavras, os força a ser configurados em movimento. A mudança na forma dos elementos atuadores 30 configura o fluido circundante, que está presente no micro-canal 33 do sistema micro-fluídico, em movimento. Na Fig. 4, a flexão do MEMS de polímero 31 é indicada pela seta 34.

Fig.5 ilustra uma modalidade de um micro-canal 33 fornecido com elementos atuadores de acordo com a presente invenção. Nesta modalidade, um exemplo de um projeto de um sistema micro-fluídico (excluindo meios para aplicar estímulo) é mostrado. Uma seção transversal de um micro-canal 33 é, de forma esquemática, representada. De acordo com esta modalidade da invenção, os lados internos 35 da paredes 36 dos micro- canais33 podem ser cobertos com uma pluralidade de elementos atuadores de polímero retos 30. Para a clareza dos desenhos, somente a parte de MEMS de polímero 31 do elemento atuador 30 é mostrado. O MEMS de polímero 31 pode mover para trás e para frente, sob a ação de um estímulo externo aplicado aos elementos atuadores 30. Este estímulo externo pode ser um campo elétrico, uma radiação eletromagnética, um campo magnético, ou outros meios adequados. Os elementos atuadores 30 pode compreender MEMS de polímero 31, que pode e. g. ter uma forma parecida com haste ou uma forma parecida com vara, a dimensão da largura a qual se estende em uma direção para fora do plano do desenho.

Os elementos atuadores 30 no lados internos 35 das paredes 36 dos micro-canais 33 podem, em modalidades da invenção, ser arrumados em uma ou mais fileiras. Como um exemplo somente, os elementos atuadores 30 podem ser arrumados em duas fileiras de elementos atuadores 30, i. e. uma primeira fileira de elementos atuadores 30 em uma primeira posição no lado interno 35 da parede 36 e uma segunda fileira dos elementos atuadores 30 em uma segunda posição do lado interno 35 da parede 36, a primeira e segunda posição sendo substancialmente opostas cada uma da outra. Em outras modalidades da presente invenção, os elementos atuadores de polímero 31 podem também ser arrumados em uma pluralidade de fileiras de elementos atuadores 30, que podem ser arrumados para formar um arranjo de duas dimensões. Em ainda modalidades adicionais, os elementos atuadores 30 podem ser aleatoriamente posicionados no lado interno 35 da parede 36 de um micro-canal 33.

Para ser capaz de transportar um fluido em uma certa direção, por exemplo, da esquerda para a direita na Fig.5, o movimento dos elementos atuadores 30 pode preferencialmente ser assimétrico. Para um dispositivo de bombeamento, o movimento dos elementos atuadores de polímero é fornecido através de meios de atuador metacrônico. Isto pode ser feito para fornecer meios de endereçar os elementos atuadores 30 ou individualmente ou fileira por fileira. No caso de atuação eletrostática, isto pode ser alcançado através de uma estrutura de eletrodo padronizada que é parte de uma parede 36 de um micro-canal 33. A estrutura de eletrodo padronizada pode compreender uma película estruturada, que pode ser um metal ou uma outra película condutiva adequada. A estruturação da película pode ser feita por litografia. As estruturas padronizadas podem ser individualmente endereçadas. O mesmo pode ser aplicado para estruturas magneticamente atuadas. As películas condutivas padronizadas que são parte da estrutura de parede do canal pode tornar possível criar campos magnéticos locais, tal que elementos atuadores podem ser endereçados individualmente ou em fileiras.

Em todos os casos descritos acima, estimulação individual ou fileira por fileira dos elementos atuadores 30 é possível já que a parede 36 do micro-canal 33 compreende um padrão estruturado através do qual o estímulo é ativado. Estimulação co-ordenada, em uma maneira parecida com onda, é tornada possível através de endereçamento apropriada no tempo. Meios de atuador aleatórios e não co-ordenados, meios de atuador simplético metacrônico e meios de atuador antiplético metacrônico são incluídos dentro do escopo da presente invenção.

No exemplo mostrado na Fig.5, todos os elementos atuadores 30, também aquele em fileiras diferentes, se movem, de forma simultânea. O funcionamento dos atuadores de polímero 30 pode ser melhorada através de endereçamento individual dos elementos 30 ou das fileiras de elementos atuadores 30, tal que seu movimento está fora de fase. Em elementos atuadores eletricamente estimulados 30, podem ser efetuados usando eletrodos padronizados que podem ser integrados dentro das paredes 36 do micro-canal 33 (não mostrado no desenho). Assim sendo, o movimento de elementos atuadores 30 aparece como uma onda passando sobre o lado interno 35 da parede 36 do micro-canal 33, similar ao movimento de onda ilustrado na Fig.6. Os meios para fornecer o movimento pode gerar um movimento de onda que podem ir na mesma direção que o efetivo movimento de batida ("metacronismo simplético") ou na direção oposta ("metacronismo antiplético") .

Para obter mistura local em um micro-canal 33 de um sistema micro-fluídico, o movimento dos elementos atuadores 30 podem ser deliberadamente feito não correlatos, i. e. alguns elementos atuadores 30 podem se mover em uma direção ao passo que outros elementos atuadores 30 podem se mover na direção oposta em uma maneira específica a fim de criar mistura caótica local. Vórtices podem ser criados pro movimentos opostos dos elementos atuadores 30 em posições opostas da paredes 36 do micro- canal 33.

Uma modalidade adicional de um canal microfluídico 33

fornecido com elementos atuadores 30 de acordo com a presente invenção é, de forma esquemática, ilustrado na Fig.6. O lado interno 35 das paredes 36 dos micro-canais33 pode, nesta modalidade, ser coberto com elementos atuadores 30 que podem ser mudados de uma forma curva para uma forma reta. Esta mudança de forma pode ser obtida em diferentes maneiras. Por exemplo, uma mudança de forma do elemento atuador 30 pode ser obtido controlando a microestrutura do elemento atuador 30, introduzindo um gradiente na rigidez efetiva do material sobre a espessura do elemento atuador 30, forçando o topo dos elementos atuadores a ser mais rígido do que o fundo. Isto também pode ser alcançado pela estrutura composta dos elementos atuadores. Isto vai causar " flexão assimétrica ", i. e. o elemento atuador 30 vai flexionar mais facilmente em uma direção do que em uma outra. Uma mudança da forma do elemento atuador 30 pode também ser alcançado controlando a orientação do estímulo, tal como um campo magnético dependendo do espaço e / ou do tempo no caso de atuação magnética. Nesta modalidade, um movimento assimétrico dos elementos atuadores 30 pode ser obtido, que pode ser ainda aprimorada movendo rápido em uma direção e lento em outra, e. g. um movimento rápido a partir da forma curva para a reta e um movimento lento a partir da forma reta para curva, ou vice-versa. Os elementos atuadores de polímero 30 adaptados para mudar a forma pode compreender MEMS de polímero 31 com e. g. uma forma parecida com haste ou parecida com vara. Os elementos atuadores 30 podem, de acordo com modalidades da invenção, ser arrumados em uma ou mais fileiras, e. g. uma primeira e uma segunda fileira no lado interno 35 da parede 36 do micro- canal 33, a primeira e segunda fileira sendo posicionadas em, substancialmente posições opostas no lado interno 35 da parede 36. em outras modalidades da invenção, os elementos atuadores 30 podem ser posicionados em uma pluralidade de fileiras de elementos atuadores 30 que pode ser arrumado para formar, por exemplo, um arranjo de duas dimensões. Em ainda modalidades adicionais da invenção, os elementos atuadores 30 podem ser aleatoriamente arrumados no lado interno 35 da parede 36 de um micro-canal 36. Endereçando individualmente os elementos atuadores 30 ou uma fileira de elementos atuadores 30, um movimento parecido com onda, um movimento por outro lado correlacionado, ou um movimento não correlacionado pode ser gerado que pode ser vantajoso em transportar ou misturar fluidos, ou criando vórtices, todos dentro do micro-canal 33.

Uma modalidade adicional da presente invenção é ilustrada na Fig.7. O lado interno 35 das paredes 36 do micro-canal 33 pode, nesta modalidade, ser coberto com elementos atuadores 30 que empreendem um movimento assimétrico. Isto pode ser alcançado induzindo uma mudança de ordem molecular nos elementos atuadores 30 de um lado para o outro. Em outras palavras, um gradiente na estrutura do material sobre a espessura " t " dos elementos atuadores 30 é obtido. Este gradiente pode ser alcançado em várias maneiras. No caso de redes de polímero de cristal líquido, a orientação das moléculas de cristal líquido pode ser variada do topo para o fundo das camadas controlando o processamento, por exemplo, usando um processo que é usado para, entre outros, processamento de mostrador de cristal líquido (LC). Uma outra maneira possível para alcançar tal um gradiente é construindo, ou depositando, uma camada formando o elemento atuador 30, a partir de diferentes materiais de rigidez variadas.

O movimento assimétrico pode ser ainda aprimorado movendo rápido em uma direção e lento em outra. Os elementos atuadores 30 podem compreender MEMS de polímero 31 com uma forma alongada, tal como uma forma parecida com haste ou uma forma parecida com vara. Os elementos atuadores 30 podem, em modalidades da invenção, ser arrumados no lado interno 35 das paredes 36 em uma ou mais fileiras, e. g. em uma primeira e uma segunda fileira, por exemplo, uma fileira de elementos atuadores 30 em cada de duas substancialmente posições opostas no lado interno 35 da parede 36. Em outras modalidades da presente invenção, uma pluralidade de fileiras de elementos atuadores 30 pode ser arrumada para formar um arranjo de duas dimensões. Em ainda modalidades adicionais, os elementos atuadores 30 podem ser aleatoriamente arrumados no lado interno 35 da parede 36 de um micro-canal 33. Endereçando individualmente os elementos atuadores 30 ou endereçamento individual das fileiras de elementos atuadores 30, um movimento parecido com onda, um movimento por outro lado correlacionado, ou um movimento não correlacionado pode ser gerado que pode ser vantajoso em transportar ou misturar fluidos, ou em criar vórtices. Na Fig.5 à Fig.7, três exemplos de possíveis projetos de sistema micro-fluídicos de acordo com modalidades da presente invenção são mostrados, que ilustram as modalidades usando elementos atuadores 30 integrados no lado interno 35 da paredes 36 de micro-canais 33 para manipular fluido em micro-canais 33. Contudo, deve ser entendido por uma pessoa qualificado na técnica que outros projetos são concebíveis e que as modalidades específicas descritas não estão limitando a invenção.

Uma vantagem da abordagem de acordo com a presente invenção é que os meios que cuidam da manipulação de fluido estão completamente integrados no sistema micro-fluídico. Isto permite grandes mudanças de formas que são requeridas para aplicações microfluídicas sem a necessidade de qualquer bomba ou micro-bomba externa. Então, a presente invenção fornece sistema compacto microfluídico. Uma outra, talvez mesmo mais importante, vantagem é que o fluido pode ser controlado localmente nos micro-canais 33 endereçando todos os elementos atuadores 30 ao mesmo tempo ou endereçando somente um pré-determinado elemento atuador 30 por vez. Por conseguinte, o fluido pode ser transportado, re-circulado, misturado, ou separado da mesma forma em uma posição pré-determinada requerida. Uma vantagem adicional da presente invenção é que o uso de polímeros para os elementos atuadores 30 pode conduzir a tecnologias de processamento baratas tal como, por exemplo, técnicas de impressão ou de gravação em relevo, ou litografia de passo único.

Ainda mais, o sistema micro-fluídico de acordo com a presente invenção é robusto. O desempenho do sistema micro-fluídico total não é amplamente distribuído se um único ou poucos elementos atuadores 30 falham em trabalhar apropriadamente.

O sistema micro-fluídicos de acordo com a invenção pode ser usado em aplicações lógicas de técnicas biológicas, tal como, sensores biológicos, rápida separação e dimensionamento de DNA, célula manipulação e triagem de célula, em aplicações farmacêuticas, em teste combinatório de alto desempenho onde mistura local é essencial e em sistemas de resfriamento de micro-canal em aplicações de micro-eletrônica.

O sistema micro-fluídico da presente invenção pode ser usado em sensores biológicos para a detecção de pelo menos uma molécula alvo, tal como proteínas, anti-corpos, ácidos nucleicos (e. g. DNA, RNA), peptídeos, oligo ou poli sacarídeos ou açúcares e o similar, em fluidos biológicos, tal como saliva, escarro, sangue, plasma de sangue, fluido intersticial ou urina. Por conseguinte, uma pequena amostra do fluido (e. g. uma gota) é fornecida ao dispositivo, e através da manipulação do fluido dentro de um sistema de micro-canal, o fluido é guiado para a posição de sensoriamento onde uma detecção efetiva acontece. Usando vários sensores no sistema micro-fluídico de acordo com a presente invenção, diferentes tipos de molécula alvos podem ser detectados em uma execução de análise.

A aplicação de um campo magnético aos elementos atuadores magnéticos 30 pode resultar em forças translacionais assim como rotacionais para os elementos atuadores 30. A força rotacional, i. e. o torque no elemento atuador magnético 30, vai forçá-lo a se mover, i. e. para girar, e / ou para mudar a forma. Isto é ilustrado na Fig. 8 para um campo magnético uniforme, estático, aplicado aos elementos atuadores magnéticos 30 através de meios de geração de campo magnético externo. Estes meios de geração de campo magnético externo podem ser um eletroímã, um ima permanente adjacente ao sistema micro-fluídico, ou uns meios de geração de campo magnético interno tal como linhas condutivas integradas no sistema micro-fluídico.

Na situação esboçada na Fig.8, uma abordagem do estado totalmente ereto vai mais baixo e mais baixo conforme que o ângulo entre o momento magnético M e o campo magnético H diminui. Isto pode ser resolvido girando o campo magnético durante o movimento do elemento atuador 30. Um campo de rotação aplicado por um ima permanente de rotação 40 pode gerar um movimento rotacional de elementos atuadores individuais 30 e um movimento de rolamento periódico de um arranjo (ou uma onda) de elementos atuadores magnéticos 30, como, de forma esquemática, ilustrado na Fig.9. No caso de elementos atuadores magnéticos com um momento de ima permanente, um golpe de recuperação vai ocorrer com forças de elemento atuador orientadas em direção a superfície, assim os elementos atuadores 30 deslizam sobre a superfície mais propriamente do que através do volume do fluido no micro-canal 33. Para ser capaz de transportar fluido através de um micro-canal

33 pelo movimento dos elementos atuadores 30 posicionados no lado interno da parede 36 do micro-canal 33, uma certa força e / ou momento magnético precisa ser aplicado ao fluido circundante no micro-canal 33. Em vez de usar uns meios de geração de campo magnético externo tal como um ima permanente ou um eletroímã que pode ser colocado fora do sistema micro-fluídico como descrito acima, uma outra possibilidade é para usar linhas condutivas 41 que podem ser integradas no sistema micro-fluídico. Isto é ilustrado na Fig.10. As linhas condutivas 41 podem ser fileiras de cobre com uma área de seção transversal de cerca de 1 à 100 μηι2. O campo magnético gerado por uma corrente através da linha condutiva 41 diminui com l/r, r sendo a distância da linha condutiva 41 a uma posição no elemento atuador 30. Por exemplo, na Fig.10, o campo magnético será maior na posição A do que na posição B do elemento atuador 30. De forma similar, o campo magnético na posição B será maior do que o campo magnético na posição C do elemento atuador 10. Por conseguinte, o elemento atuador de polímero 30 vai experimentar um gradiente em campo magnético ao longo de seu comprimento L. Isto vai forçar um movimento " ondulado " do elemento atuador magnético 30, no topo de seu movimento rotacional. Assim sendo, pode ser imaginado que, combinando um " campo distante " magnético uniforme, i. e. um campo magnético gerado externamente que é constante sobre o elemento atuador c completo 30, o campo distante sendo ou rotacional ou não rotacional com linhas condutivas 41, pode ser possível criar campos magnéticos complexos dependentes no tempo que possibilitam formas em movimento complexas do elemento atuador 30. Isto pode ser muito conveniente, em particular para sintonizar a forma em movimento dos elementos atuadores 30 a fim de obter uma eficiência e eficácia otimizada em controle de fluido. Um exemplo simples pode ser que possibilitaria um movimento assimétrico passível de sintonização, i. e. o " golpe de batida " do elemento atuador 30 sendo diferente do " golpe de recuperação " do elemento atuador 30.

O movimento dos elementos atuadores 30 pode ser medido por um ou mais sensores magnéticos posicionados no sistema micro-fluídico. Isto pode permitir determinar as propriedades de fluxo, tal como velocidade e / ou viscosidade, do fluido no micro-canal 33. Ainda mais, outros detalhes, tal como o conteúdo da célula do fluido (o valor hematócrito), ou as propriedades de coagulação do fluido podem ser medidas usando diferentes freqüências de atuação.

Uma vantagem da modalidade acima é que a atuação magnética pode ser aplicada para fluidos biológicos muito complexos, tal como e. g. saliva, escarro ou sangue total. Ainda mais, a atuação magnética não requer contatos. Em outras palavras, a atuação magnética pode ser efetuada em uma maneira sem contato. Quando os meios de geração de campo magnético externo são usados, os elementos atuadores 30 estão dentro do cartucho microfluídico, enquanto os meios de geração de campo magnético externo estão posicionados fora do cartucho.

É para ser entendido que embora modalidades preferidas, construções e configurações específicas, assim como materiais, têm sido discutidas aqui para dispositivos de acordo com a presente invenção, várias mudanças ou modificações na forma e detalhe podem ser feitas sem fugir do escopo e espírito desta invenção. Por exemplo, a mudança na forma e / ou orientação dos elementos atuadores 30 podem conduzir a um mecanismo distribuído de líquido presente nos micro-canais 33 de um sistema micro- fluídico. Isto poderia então ser modificado para ser usado como uma bomba. Endereçamento seqüencial de elementos atuadores 30 por meio de estímulo externo poderia causar uma ondulação para guiar um líquido em uma direção no micro-canal 33. O estímulo externo pode ser um meio de geração de campo elétrico. No qual caso, um ou mais eletrodos, e. g. eletrodos de condução de polipirrol, pode ser incorporado nos elementos atuadores 30. Endereçando seqüencialmente o um ou mais eletrodos nos elementos atuadores 30, os elementos atuadores 30 podem seqüencialmente mudar sua forma e / ou orientação. Isto causa uma ondulação.

Claims (18)

1. Sistema micro-fluídico, caracterizado pelo fato de compreender pelo menos um micro-canal (33) tendo uma parede (36) com um lado interno (35), onde o mencionado sistema micro-fluídico ainda compreende: - uma pluralidade de elementos atuadores (30) presos ao mencionado lado interno (35) da mencionada parede (36), cada elemento atuador (30) tendo uma forma, uma orientação e uma geometria, a mencionada geometria incluindo uma área de seção transversal de variação ao longo de um eixo longitudinal; e - meios para aplicar estímulo a pluralidade de mencionados elementos atuadores (30) a fim de causar uma mudança em sua forma e / ou orientação.

2. Sistema micro-fluídico de acordo com a reivindicação 1, caracterizado pelo fato de que a mencionada área de seção transversal de variação inclui um ou mais aberturas ao longo do mencionado eixo longitudinal.

3. Sistema micro-fluídico de acordo com a reivindicação 2, caracterizado pelo fato de que as mencionadas aberturas podem ser na forma de um quadrado, um retângulo, um círculo, um semi-círculo e / ou formas parecidas.

4. Sistema micro-fluídico de acordo com a reivindicação 1, caracterizado pelo fato de que mencionada área de seção transversal de variação está substancialmente em direção ao mencionado lado interno (35) da mencionada parede (36) do micro-canal (33).

5. Sistema micro-fluídico de acordo com a reivindicação 1, caracterizado pelo fato de que os mencionados meios para aplicar um estímulo à mencionada pluralidade de elementos atuadores (30) é selecionada do grupo compreendendo um meio de geração de campo elétrico, um meio de geração de campo eletro-magnético, um meio de radiação eletromagnética, um meio de geração de campo magnético.

6. Sistema micro-fluídico de acordo com a reivindicação 5, caracterizado pelo fato de que os mencionados meios para aplicar um estímulo aos mencionados elementos atuadores (30) é um meio de geração de campo magnético.

7. Sistema micro-fluídico de acordo com a reivindicação 1, caracterizado pelo fato de que a mencionada pluralidade de elementos atuadores (30) é arrumada em uma primeira e segunda fileira, a primeira mencionada fileira dos elementos atuadores sendo posicionada em uma primeira posição do mencionado lado interno (35) da mencionada parede (36) e a mencionada segunda fileira de elementos atuadores (30) sendo posicionada em uma segunda posição do mencionado lado interno (35) da mencionada parede (36), a mencionada primeira posição e a mencionada segunda posição sendo substancialmente oposta cada uma a outra.

8. Sistema micro-fluídico de acordo com a reivindicação l, caracterizado pelo fato de que a mencionada pluralidade de elementos atuadores (30) é arrumada em uma pluralidade de fileiras de elementos atuadores (30), que são arrumados para formar um arranjo de duas dimensões.

9. Sistema micro-fluídico de acordo com a reivindicação 1, caracterizado pelo fato de que a mencionada pluralidade de elementos atuadores (30) é aleatoriamente arrumada no lado interno (35) da mencionada parede (36).

10. Método para fabricar um sistema micro-fluídico compreendendo pelo menos um micro-canal (33), caracterizado pelo fato de compreender: - fornecer um lado interno (35) de uma parede (36) do mencionado pelo menos um micro-canal (33) com uma pluralidade de elementos atuadores (30) com uma geometria, em que a mencionada geometria inclui uma área de seção transversal de variação ao longo de um eixo; e - fornecer meios para aplicar um estímulo à mencionada pluralidade de elementos atuadores (30).

11. Método de acordo com a reivindicação 10, caracterizado pelo fato de que fornecer a mencionada pluralidade de elementos atuadores (30) com a mencionada geometria é efetuado: - depositando uma camada de sacrifício tendo um comprimento L no lado interno (36) da mencionada parede (36); - depositando um material do atuador no topo da mencionada camada de sacrifício; e - liberando o mencionado material do atuador do lado interno (35) da mencionada parede (36) removendo a mencionada camada de sacrifício.

12. Método de acordo com a reivindicação 10, caracterizado pelo fato de que remover a mencionada camada de sacrifício é feita efetuando um passo de ataque químico.

13. Método de acordo com a reivindicação 10, caracterizado pelo fato de que fornecer meios para aplicar um estímulo para os mencionados elementos atuadores (30) compreende fornecer meios de geração de campo magnético.

14. Método de acordo com a reivindicação 10, caracterizado pelo fato de que fornecer meios para aplicar um estímulo para os mencionados elementos atuadores (30) compreende fornecer meios de geração de campo elétrico.

15. Método para controlar um fluxo de fluido através de um micro-canal (33) de um sistema micro-fluídico, o micro-canal (33) tendo uma parede (36) com um lado interno (35), caracterizado pelo fato de compreender: - fornecer o mencionado lado interno (35) da mencionada parede (36) com uma pluralidade de elementos atuadores (30), os elementos atuadores (30) cada um tendo uma forma, uma orientação e uma geometria, em que a geometria inclui uma área de seção transversal de variação ao longo de um eixo longitudinal; e - aplicar um estímulo para os mencionados elementos atuadores (30) a fim de causar uma mudança em sua forma e / ou orientação.

16. Método de acordo com a reivindicação 15, caracterizado pelo fato de que aplicar um estímulo aos mencionados elementos atuadores (30) é efetuado para aplicar um campo magnético.

17. Uso do sistema micro-fluídico como definido na reivindicação 1, caracterizado pelo fato de ser em aplicações biotecnológicas, farmacêuticas, elétricas ou eletrônicas.

18. Uso do sistema micro-fluídico como definido na reivindicação 1, caracterizado pelo fato de ser em um dispositivo para diagnóstico.