BRPI1007674B1

BRPI1007674B1 - Cabeça de sonda microfluídica de multicamadas e método de fabricação da mesma

Info

Publication number: BRPI1007674B1
Application number: BRPI1007674-3A
Authority: BR
Inventors: Emmanuel Delamarche; Ute Drechsler; Robert Lovchik
Original assignee: International Business Machines Corporation
Priority date: 2009-05-07
Filing date: 2010-05-07
Publication date: 2021-10-13
Also published as: MX341399B; US8695639B2; US20120285017A1; CN102421517B; BRPI1007674A2; US20120048391A1; WO2010128483A3; MX2011009404A; US8695641B2; EP2429697A2; CA2755298C; CN102421517A; WO2010128483A2; EP2429697B1; CA2755298A1

Abstract

resumo cabeça de sonda microfluídica de multicamadas e método de fabricação da mesma. a invenção é direcionada a uma cabeça de sonda microfluídica de multicamadas (mfp) (100). a cabeça geralmente compreende uma primeira (110) e segunda (120) camadas, que ficam frente a frente, uma para a outra, e pelo menos um tubo com abertura (182), estendendo-se da primeira camada (110). a primeira camada compreende uma, ou mais, via (112), onde a comunicação de fluido é possibilitada através da primeira camada em direção a segunda camada. a segunda camada compreende pelo menos um microcanal (124), retransmitindo a comunicação de fluido para uma abertura (122). tal cabeça de multicamadas mfp é mais fácil de fabricar do que as cabeças feitas com a construção unitária. particularmente, um microcanal pode, vantajosamente, ter um sulco (124) gravado ao nível da interface entre as duas camadas. a cabeça mfp pode ainda ser conectada com tubulação usando, por exemplo, um encaixe padrão para tubo com abertura. a invenção tem um potencial significativo para, por exemplo, a padronização contínua e descontínua de biomoléculas em superfícies, bem como para o processamento direto de materiais de resiste em um modo não-contato.

Description

CAMPO DA INVENÇÃO

[001] A invenção refere-se em geral ao campo dos dispositivos de sonda microfluídica, e, em particular, a uma sonda microfluídica e um método de fabricação da mesma.

ANTECEDENTES DA INVENÇÃO

[002] A microfluídica geralmente se refere a dispositivos microfabricados, que são utilizados para bombeamento, amostragem, mistura, análise e dosagem de líquidos. Suas características proeminentes têm origem a partir do comportamento peculiar que os líquidos exibem na escala de comprimento de micrômetro. [1, 2 - referências da literatura, entre colchetes, listadas ao final] O fluxo de líquidos na microfluídica é tipicamente laminar. Volumes bem abaixo de um nanolitro podem ser alcançados através da fabricação de estruturas com dimensões laterais na escala micrométrica. As reações que são limitadas a grandes escalas (por difusão dos reagentes) podem ser aceleradas. [3] Finalmente, fluxos de líquidos paralelos podem ser controlados com precisão e reprodutibilidade, permitindo gradientes e reações químicas a serem realizadas nas interfaces líquido/líquido e líquido/sólido. [4] A microfluídica, portanto, é utilizada em diversas aplicações nas ciências da vida.

[003] A maioria dos dispositivos microfluídicos têm interfaces de chip de usuário e caminhos de fluxo fechado. Caminhos de fluxo fechado facilitam a integração de elementos funcionais (por exemplo: aquecedores, misturadores, bombas, detector de UV, válvulas, etc.) dentro de um dispositivo enquanto minimizam os problemas relacionados a vazamentos e evaporação. No entanto, o processamento ou padronização de superfícies com tal microfluídica é difícil de se alcançar.

[004] Jatos de tinta (Inkjets) já foram concebidos de modo a poder, por exemplo, entregar a tinta em um modo de não-contato, mas não na presença de um líquido de imersão. [5] Outras técnicas podem ainda padronizar superfícies em resolução ainda maior, mas são limitadas em suas capacidades de operação em um ambiente líquido. [6, 7] Os ambientes líquidos minimizam a secagem de artefatos, a desnaturação de biomoléculas, e possibilitam o trabalho com microorganismos vivos.

[005] Para a padronização de superfícies e análise de amostras em uma superfície na presença de um ambiente líquido, várias estratégias foram desenvolvidas para superar as limitações da microfluídica fechada. Algumas estratégias dependem do confinamento de líquidos perto de uma superfície [8, 9] ou, ainda, da entrega de uma quantidade precisa de biomoléculas em uma região bem definida de um líquido. [10] Nanopipetas examinadoras e sondas ocas de Microscopia de Força Atômica (AFM) também foram desenvolvidas para a padronização de biomoléculas em superfícies com precisão micrométrica. [11, 12,13].

[006] Como em um outro exemplo, uma tecnologia de sonda microfluídica de não-contato (ou "MFP") foi desenvolvida (ver, por exemplo, US 2005/0247673), que permite a padronização de superfícies através da adição ou remoção de biomoléculas, cria gradientes de densidade de superfície de proteínas depositadas em superfícies, localiza reações na interfase líquidas em proximidade à uma superfície, mancha e remove células aderentes sobre uma superfície. [14] Outras aplicações foram testadas. [15, 16]

[007] As FIGS. 1A-D mostram tal cabeça MFP 100 e ainda ilustram seu princípio de funcionamento. A parte 105 (FIG. 1.D) da cabeça 100 que confina o líquido é um chip de Si que tem duas aberturas 101, 102. Ele é trazido para perto de um substrato 300 de interesse. Microcanais horizontais 115 (FIG. 1.C) na outra face do chip 100 conectam as aberturas com as vias 91, 92 formadas em um bloco de conexão de poli(dimetilsiloxano) (PDMS) 90, FIG. 1.A. Os capilares 81, 82 inseridos dentro do PDMS fornecem a conexão entre as bombas motorizadas e as aberturas 101, 102. Portanto, através do controle da vazão de um líquido 420 injetado através de uma abertura 101 e pela re-aspiração do mesmo a partir da outra abertura 102 (juntamente com um pouco do líquido de imersão 410), o confinamento do líquido injetado 420 é alcançado, FIG. 1.D. Uma tal cabeça MFP montada nesses conformes é esquematicamente representada na FIG. 1.C.

[008] Embora esta tecnologia MFP seja vantajosa em muitos aspectos e para uma gama de aplicações, desafios continuam a espera de solução em termos de fabricação. Em particular, a montagem da cabeça de Si 100 com o bloco de conexão PDMS 90 e a inserção dos capilares de vidro 81, 82 é um trabalho intensivo. Essas operações também têm rendimento limitado porque o chip de Si e PDMS são pequenos e difíceis de lidar. Além disso, o estresse no bloco PDMS 90 durante a ligação à cabeça de Si e inserção dos capilares pode levar ao descolamento do PDMS. Além disso, a microfabricação de pequenas aberturas em um wafer de Si de espessura grossa utilizando, por exemplo, corrosão iônica reativa profunda (DRIE) ou gravação por plasma, é provavelmente desafiadora e consumidora de tempo, devido à espessura que a cabeça deve ter para ter, por exemplo, estabilidade mecânica. Tais limitações poderão dificultar a implementação industrial da tecnologia MFP.

[009] Por uma questão de exaustividade, deixamos aqui mencionados os documentos de patentes US 2007/0160502, JP 2005/111567 e US 5,882,465, que lidam com o processo de fabricação de reatores ou dispositivos microfluídicos.

[0010] Além da singular literatura de patentes, um número de publicações se dedica ao assunto, algumas das quais são referenciadas aqui no final da presente descrição.

BREVE SUMÁRIO DA INVENÇÃO

[0011] Em uma concretização, a presente invenção fornece uma cabeça de sonda microfluídica de multicamadas compreendendo uma primeira camada, uma segunda camada, e um tubo com abertura que se estende desde uma face superior da primeira camada, onde: a primeira camada tem uma via que possibilita uma comunicação de fluido entre a porta e uma face inferior da primeira camada; a segunda camada compreende: uma abertura em uma face da mesma; e um microcanal que possibilita a comunicação de fluido entre uma face superior da segunda camada, de frente para a face inferior da primeira camada, e a abertura; e a cabeça é ainda configurada para possibilitar a comunicação de fluido entre a via e o microcanal.

[0012] Em outras concretizações, a referida cabeça da sonda pode compreender uma ou mais das seguintes características: - pelo menos uma porção do microcanal ser um sulco aberto na face superior da segunda camada, e fechado por uma porção da face inferior de uma camada da cabeça, de preferência por uma porção da face inferior da primeira camada; - a abertura se estender através da segunda camada, a partir da parte inferior em direção à face superior do mesmo, de preferência como um furo de passagem; - pelo menos uma porção do microcanal ser um sulco que se estende até a abertura, a abertura formada em uma extremidade do sulco ao nível de uma borda da face superior da segunda camada; - uma característica do microcanal mudar ao longo da direção média, de preferência de forma contínua; - a cabeça da sonda microfluídica compreender ainda uma ou mais janelas fornecidas no primeiro e/ ou segunda camada; - a janela ser fornecida na segunda camada; e a primeira camada ser, de preferência, transparente; - a cabeça da sonda microfluídica compreender ainda uma terceira camada, de preferência transparente, entre a primeira e a segunda camadas, a cabeça ser ainda configurada para possibilitar a comunicação de fluido entre a via e o microcanal, através da terceira camada; e - a cabeça da sonda microfluídica compreender ainda um segundo tubo com abertura, via, abertura e microcanal, configurados de forma similar aos ditos tubo com abertura, via, abertura e microcanal, sendo a cabeça ainda configurada para: possibilitar comunicações de fluido distintas entre a primeira via e a primeira abertura, por um lado, e entre a segunda via e a segunda abertura, por outro lado; e para permitir a aspiração em uma das aberturas de algum fluido depositado através da outra abertura sobre a superfície perto das aberturas.

[0013] A invenção é ainda direcionada, em outra concretização, a um método de fabricação da cabeça da sonda microfluídica de acordo com o aspecto acima mencionado da invenção, compreendendo as etapas de: fornecer a primeira camada e a segunda camada; fabricar a via na primeira camada e o microcanal da segunda camada, e montar a primeira e segunda camadas.

[0014] Em outras concretizações, o método pode compreender uma ou mais das seguintes características: - a etapa de fabricação compreender ainda: a fabricação de pelo menos uma porção do microcanal como um sulco aberto na face superior da segunda camada; - a etapa de fabricação ainda compreender a fabricação do microcanal substancialmente paralela à face superior da segunda camada e se estendendo até uma borda da mesma; - a etapa de fabricação do microcanal ser efetuada de tal modo que pelo menos uma característica do microcanal mude ao longo de sua direção média, de preferência de forma contínua, e o método ainda compreender um passo de: cortar a dita borda para modificar uma característica de uma abertura em uma extremidade do microcanal; - a etapa de fabricação compreender ainda a fabricação de um primeiro microcanal e um segundo microcanal, ambos paralelos à face superior da segunda camada e se estendendo até uma extremidade do mesmo, de tal forma que pelo menos uma característica dos microcanais mude ao longo da direção média dos microcanais, e o método compreender ainda uma etapa de: cortar a dita borda para modificar uma característica das aberturas em uma extremidade dos microcanais; e - a etapa de fabricação compreender ainda: o fornecimento de uma ou mais janelas na segunda camada, e fornecimento de primeira e segunda janelas de entrada em cada uma das primeira e segunda camadas, respectivamente, de tal modo que a comunicação do fluido possa ser possibilitada a partir da primeira janela de entrada para a segunda janela de entrada e a segunda janela de entrada estar em comunicação de fluido com a dita uma ou mais janelas.

[0015] Um equipamento e um método concretizando a presente invenção serão agora descritos, através de exemplos não-limitantes, e em referência aos desenhos que os acompanham.

BREVE DESCRIÇÃO DE VÁRIAS VISTAS DOS DESENHOS

[0016] As FIGS. 1.A-D mostram uma MFP da técnica anterior e seu princípio de trabalho;

[0017] A FIG. 2 - é uma vista explodida de uma cabeça MFP de acordo com uma concretização da presente invenção;

[0018] As FIGS. 3-4 mostram vistas explodidas de uma cabeça MFP de acordo com as variantes da concretização da FIG. 2;

[0019] As FIGS. 5.A-E mostram vistas seccionais das camadas da cabeça MFP fornecida com janelas ópticas, de acordo com as variantes da FIG. 2;

[0020] A FIG. 6 mostra esquematicamente uma vista seccional da cabeça MFP da FIG. 2, através de uma superfície perpendicular ao plano médio da camada, ao longo dos microcanais;

[0021] A FIG. 7 é uma vista explodida de uma cabeça de MFP de acordo com uma outra concretização da presente invenção;

[0022] A FIG. 8 foca em uma superfície de borda da cabeça MFP da FIG. 7;

[0023] A FIG. 9 é uma vista de cima esquemática de uma camada da cabeça MFP da FIG. 7, numa fase anterior de fabricação, e

[0024] As FIGS. 10-11 ilustram variantes das formas dos microcanais na cabeça de MFP da FIG. 9.

DESCRIÇÃO DETALHADA DA INVENÇÃO

[0025] Como uma introdução à descrição seguinte, aponta-se primeiramente para aspectos gerais da invenção, direcionado a uma de cabeça de sonda microfluídica de multicamadas (ou MFP). A cabeça geralmente compreende a primeira e segunda camadas, frente a frente, uma para a outra, e uma tubo com abertura. O tubo com abertura se estende desde a primeira camada. Esta última compreende uma via, que provavelmente estará de frente para a abertura do tubo, por onde a comunicação de fluido é possibilitada através da primeira camada em direção à segunda camada. A segunda camada compreende pelo menos um microcanal, que retransmite a comunicação de fluido para uma abertura em uma face da segunda camada.

[0026] Tal cabeça de multicamadas MFP é mais fácil de se fabricar e de se empacotar do que cabeças feitas com construção unitária, assim como foi mencionado na seção dos antecedentes da invenção. Particularmente, um microcanal pode ser vantajosamente gravado como um sulco ao nível da interface entre as duas camadas. A cabeça MFP ainda pode ser conectada com o tubo usando, por exemplo, um encaixe padrão para o tubo com abertura. A invenção tem um potencial significativo para a padronização, por exemplo, de padrões contínuos e descontínuos de biomoléculas em superfícies, bem como para o processamento direto de materiais de resiste em um modo de não-contato.

[0027] A FIG. 2 mostra uma vista explodida de uma cabeça de multicamadas MFP 100 de acordo com uma concretização da invenção. A cabeça de multicamadas compreende pelo menos uma primeira camada 110 e uma segunda camada 120. Além disso, tem os tubos com abertura 181 e 182, que se estendem da face superior da camada 110 (após a montagem das portas e da primeira camada). A camada 110 ainda compreende as vias 111 e 112. Conforme é ilustrado nos desenhos, vias e aberturas do tubo estão configuradas para possibilitar a comunicação de fluido a partir das aberturas do tubo para a face inferior da primeira camada 110, ou seja, para a segunda camada.

[0028] A segunda camada 120 ainda compreende as aberturas 121, 122, abertas em uma face da mesma, por exemplo, a face inferior, não visível na FIG. 2. Elas, de preferência, estendem-se através da segunda camada, por exemplo, como um furo de passagem, que na prática é facilmente manufaturado. As aberturas 121, 122 serão discutidas em mais detalhes em referência aos desenhos subsequentes.

[0029] A segunda camada 120 compreende ainda os microcanais 123, 124, que juntamente com suas respectivas aberturas 121 e 122 unidas, possibilitam a comunicação de fluido a partir da face superior da segunda camada (ou seja, voltada para a face inferior da primeira camada de 110), até as aberturas 123, 124. No exemplo da FIG. 2, a comunicação de fluido é, portanto, possibilitada para a face inferior da segunda camada 120. Na verdade, a maioria das concretizações da presente invenção envolve pares de portas, vias, microcanais e aberturas correspondentes, conforme é exemplificado abaixo. O papel dos microcanais é possibilitar a comunicação de fluido das vias (provavelmente grandes) até as aberturas que são comparativamente pequenas e provavelmente perto umas das outras, para aplicações que serão discutidas abaixo.

[0030] Note-se que, conforme a ilustração, a cabeça MFP é ainda configurada para possibilitar a comunicação de fluido entre as vias 111, 112 e os microcanais 123, 124. Para este objetivo, as extremidades dos microcanais provavelmente estarão viradas para as vias, conforme é mostrado. As ditas extremidades podem, por exemplo, ter dimensões um pouco maiores em comparação com uma seção média dos microcanais.

[0031] Como aparece na FIG. 2, tal cabeça MFP é facilmente fabricada. Primeiro, a utilização de uma camada adicional para a cabeça permite que tubos com abertura sejam facilmente montados na mesma, os quais são mais facilmente manipulados do que, por exemplo, capilares em um bloco PDMS. Segundo, apenas a camada inferior 120 necessita de usinagem substancial para a criação de aberturas e microcanais. Agora, sendo todas as outras coisas iguais, a camada inferior 120 é provavelmente mais fina do que uma cabeça MFP inteira. Assim sendo, a criação de aberturas, por exemplo, através de furos, é mais facilmente alcançada (por exemplo, através de corrosão iônica reativa profunda), apesar de suas provavelmente pequenas dimensões.

[0032] Além disso, pelo menos uma porção de um microcanal 123, 124 é, de preferência, fornecida como um sulco na espessura da camada da segunda camada 120, aberta na face superior da mesma. Desta forma, a formação de um microcanal é facilmente alcançada, apesar de suas dimensões. Após a montagem, o sulco é fechado por uma porção da primeira camada 110. O sulco pode ser gravado por uma ferramenta diretamente sobre a superfície superior da segunda camada 120. Ele pode ter qualquer formato de seção apropriado, por exemplo, arredondado, quadrado, seção U ou V. A ferramenta necessária é normalmente escolhida de acordo com o material da segunda camada 120. Em uma variante, pode ser contemplada a ablação a laser. Mais vantajosa ainda, a corrosão iônica reativa profunda também é usada para a fabricação de microcanais, conforme será discutido mais adiante.

[0033] Como são mostrados na FIG. 2, os sulcos 123, 124 estendem-se até suas respectivas aberturas 121 e 122. Em uma variante que será discutida em referência às FIGS. 7-11, uma abertura é diretamente formada por uma extremidade do sulco ao nível de uma borda da face superior da segunda camada, que aqui é mais uma vez facilmente usinada.

[0034] Em seguida, como é mostrado ainda nas FIGS. 2-5.E, a cabeça MFP pode ainda compreender uma ou mais janela(s) óptica(s) 115, 125, na primeira camada 110 e/ou na segunda camada 120, para melhorar a visualização de amostras estudadas. Brevemente, em uma concretização, janelas são fornecidas em ambas camadas 110, 120 da MFP (FIG. 2). Em uma variante, as janelas são fornecidas na camada inferior 120 apenas, mas, então a camada superior é transparente 110 (FIG. 3). Ainda em outras variantes, a cabeça MFP pode compreender uma ou mais camadas adicionais (como a camada 130 na FIG. 4). Conforme a ilustração, as camadas opacas 110, 120 têm janelas ópticas 115, 125 fornecidas nas mesmas, viradas frente a frente, uma para a outra, enquanto a camada intermediária 130 é transparente.

[0035] As janelas ópticas podem, por exemplo, serem formadas usando a mesma etapa e técnica de fabricação que é usada para formar as aberturas 121 e 122 na segunda camada, ou quando as vias 111 e 112 são formadas na primeira camada.

[0036] Além disso, conforme ilustrado na FIG. 3, a primeira e segunda janelas de entrada 117, 127 podem ainda ser fornecidas em cada uma das camadas, a primeira 110 e a segunda 120, respectivamente. Devido à disposição das camadas 110, 120, a comunicação de fluido pode ser possibilitada a partir da primeira janela de entrada 117 para a segunda janela de entrada de 127. E também, a segunda janela de entrada 127 está em comunicação de fluido com a janela óptica 125. Para este objetivo, um canal pode ser simplesmente fornecido na segunda camada 120 que liga a janela 125 à janela de entrada 127. Possivelmente, um outro conjunto de janela 125', janelas de entrada 117', 127' podem ser fornecidas, por exemplo, simetricamente em relação aos microcanais, para melhorar a visualização.

[0037] As janelas de entrada 117, 127 permitem a dispensa de líquido para a janela 125, e, assim, para uma interface entre a segunda camada 120 e uma superfície da amostra. A esse respeito e como está ilustrado, as janelas de entrada de 117, 127 são vantajosamente fornecidas de forma descentrada.

[0038] Na FIG. 4, a terceira camada 130 (transparente) é fornecida em posição intermediária entre a primeira camada 110 e a segunda camada 120. No entanto, a cabeça MFP permanece configurada para possibilitar a comunicação de fluido, através da terceira camada 130, entre as vias da primeira camada 110 e os microcanais da segunda camada 120. Como foi mencionado acima, ela pode ter uma janela óptica 125, sendo a camada superior 110 transparente (por exemplo, SU8 ou vidro), como na FIG. 3, ou tendo uma janela 115 também (como na FIG. 2). No entanto, criar uma janela óptica na camada inferior 120 (tipicamente em silício) reduz sua estabilidade mecânica. Isso pode complicar a fase de ligação das camadas 110 e 120. A este respeito, a camada intermediária 130 (de preferência uma camada macia, por exemplo, poli(dimetilsiloxano), que é tratada com um plasma à base de oxigênio) é usada para facilitar a ligação das camadas superiores e inferiores 110, 120. Enquanto isso, quanto mais finas as camadas 110, 120, mais simples elas são de serem produzidas, com precisão, daí a utilidade de uma cabeça de várias camadas.

[0039] As janelas ópticas 125, 125' permitem que amostras opacas sejam manuseadas muito mais facilmente. De fato, as cabeças MFP são normalmente microfabricadas em um wafer de silício. Conforme descrito anteriormente, de preferência, elas têm aberturas para ambas, injeção e aspiração de um líquido sobre uma superfície. A diferença entre a cabeça e a amostra é, neste caso, normalmente preenchida com um líquido de "imersão". O monitoramento da distância entre a cabeça MFP e a amostra é útil para evitar danos à cabeça, selecionar uma área da amostra para sondagem, ou para monitoramento de processos que ocorrem na amostra. Portanto, apenas amostras transparentes poderiam ser facilmente estudadas até agora, usando um microscópio invertido para monitoramento das interações cabeça-amostra.

[0040] Devido às janelas ópticas fornecidas nas camadas da cabeça MFP, amostras opacas podem agora ser mais facilmente manuseadas. Isso abre as portas para novas aplicações da tecnologia MFP tais como análise de seção de tecido. Além disso, as amostras a serem processadas ou analisadas podem ser monitoradas a partir de cima; microscópios verticais padrão e binóculos podem ser usados, por exemplo.

[0041] Referindo-se brevemente de volta à FIG. 3, as janelas ópticas 125, 125', são conformadas ainda mais vantajosamente para dispensar e segurar o dito líquido de imersão. Por exemplo, um líquido de imersão pode ser pipetado diretamente dentro de uma janela de entrada de 127, conectado à janela óptica 125, daí a razão para a sua concepção descentrada. Em uma variante, ele pode ser dispensado através de um capilar ligado a uma bomba.

[0042] Em seguida, o desenho das janelas ópticas pode levar em conta os requisitos dos processos de fabricação e estabilidade mecânica das camadas da cabeça MFP. Várias formas podem ser contempladas, de acordo com as ilustrações nas vistas seccionais das FIGS. 5.A - E. As ditas figuras mostram as camadas 110, 120 esquematicamente montadas de uma MFP (por exemplo, as camadas 110 e 120 mencionadas em referência a FIG. 2). Nas FIGS. 5.A - E, a linha interna em negrito representa a periferia das janelas ópticas 115, 125 (115', 125'), por exemplo, que delimita uma área de material removido durante a fabricação. A linha exterior representa a periferia das camadas da cabeça MFP, por exemplo, vista de cima. Projeções dos seguintes elementos são descritas mais adiante: - a periferia das áreas correspondentes à face inferior das portas 181, 182 a serem ligadas na camada superior; - as áreas correspondentes às vias 111, 112 através da camada superior 110 da cabeça MFP; e - microcanais 123, 124 na face superior da camada inferior 120 (para conectar as vias às aberturas).

[0043] Elementos adicionais aparecem, refletindo concretizações preferidas nas quais uma mesa central 105 é fornecida, onde aberturas provavelmente são fornecidas (não-visíveis a esta escala), assim como postes 104 (para prevenção de batida da cabeça na superfície e para ajudar no plano de alinhamento). A maneira de se fabricar tal mesa e postes é método conhecido na técnica.

[0044] Por exemplo, um par de janelas 115, 125 poderia ser projetado como é ilustrado na FIG. 5.A, que apenas reflete as formas já visíveis na FIG. 2.

[0045] Na FIG. 5.B, as janelas de 115, 125 estão abertas em uma borda das camadas, que pode ser mais fácil para a usinar, de acordo com o material escolhido para a camada de 110, 120 e ferramentas de usinagem disponíveis.

[0046] Nas Figs. 5.C - D, janelas adicionais 115 ', 125' são fornecidas, preferencialmente simétricas às janelas 115, 125 com relação ao eixo principal longitudinal da cabeça MFP (como na FIG 5.C.). Isso aumenta as possibilidades de visualização. A forma dos microcanais 123 - 124 pode ser adaptada em conformidade. No entanto, microcanais 123, 124 são, de preferência, ainda gravados como sulcos em uma camada.

[0047] Um padrão muito assimétrico pode ser concebido, como na FIG. 5. E, a fim de se otimizar a visibilidade de um determinado ponto no espaço. Mais uma vez, a forma do microcanais 123 - 124 é adaptada em conformidade.

[0048] Em seguida, a FIG. 6 mostra uma visão esquemática de uma seção no plano de simetria longitudinal de duas camadas 110, 120 de uma cabeça MFP montada, de acordo com uma concretização da invenção. O plano de corte é aquele que inclui o eixo médio dos microcanais e perpendicular ao plano médio da camada 110, 120. Como nas FIGS. 2-4, a primeira camada (superior) 110 e a segunda (inferior) camada 120 são representadas, bem como os microcanais 123, 124 e as vias 111, 112. E como é ainda mencionado acima, um, ou mais, poste 104 e uma mesa 105 são fornecidos no lado inferior da segunda camada 120. A camada adesiva spincoat 200 também será visível, como resultado da ligação da primeira camada 110 à segunda camada 120.

[0049] Na concretização da FIG. 6, aberturas são formadas tal como furos de passagem na segunda camada 120, juntando-se a uma extremidade, respectivamente, microcanais 123, 124. Os microcanais 123, 124, espalham-se horizontalmente, gravados na face superior da camada de 120, a partir de um local correspondente as vias 111, 112, e até as extremidades superiores das aberturas. Uma configuração simples é assim alcançada, o que permite a comunicação de fluido da vias (lado superior) para as aberturas (lado inferior), através dos microcanais. Como será discutido a seguir, os microcanais 123, 124, as vias 111, 112, e as aberturas 121, 122 são vantajosamente obtidos usando uma mesma técnica, ou seja a corrosão iônica reativa profunda (DRIE).

[0050] Além disso, na FIG. 6, as aberturas 121, 122 são configuradas para permitir a aspiração em uma das aberturas 122 de algum líquido depositado através da outra abertura 121 em uma superfície da amostra, nos arredores das aberturas. Sua forma, dimensões e posição relativa, que são definidas em nível de desenho, regem o confinamento de fluxo hidrodinâmico (HFC) de um líquido sobre uma superfície, em grande medida. Outros parâmetros que contribuem para o HFC são as taxas de fluxo de injeção e aspiração, a trajetória e velocidade da cabeça sobre o substrato, e a distância de separação entre a cabeça e o substrato, todos os quais podem ser modificados de forma interativa.

[0051] Como já foi dito, a fabricação de cabeças de MFP como descrito acima é substancialmente simplificado. Basicamente, o esquema de fabricação compreende duas etapas principais. Durante uma primeira etapa, uma fabrica: - uma via, ou mais, na primeira camada, por exemplo, por DRIE; e - e um microcanal, ou mais, na segunda camada, por exemplo, por DRIE.

[0052] Conforme ainda é mencionado, aberturas podem ser formadas na segunda camada, usando, por exemplo, DRIE também. Por exemplo, as aberturas, que têm típicas dimensões laterais de algumas dezenas de micrômetros, são gravadas completamente através da segunda camada.

[0053] Então, uma segunda etapa consiste na montagem da primeira e segunda camadas. As aberturas dos tubos são preferencialmente montadas depois, para maior facilidade de manipulação.

[0054] Detalhes de um método preferido de fabricação das principais características da cabeça MFP são discutidos agora.

[0055] Uma cabeça de multicamadas MFP, como descrita nas FIGS. 2 e 6 é microfabricada usando wafers de Si, embora outros materiais podem ser usados. Vamos chamar a camada superior da tampa de Si 110 e a camada inferior 120 do chip HFC, por uma questão de distinção. Wafers de Si polido em lado-único e em ambos os lados são usados para os chips de Si e HFC, respectivamente. Ambos os wafers têm, por exemplo, 4 polegadas de diâmetro e 400 μm de espessura (Siltronix, Genebra, Suíça).

[0056] As microestruturas são feitas usando fotolitografia, máscaras de polímero fotoplotadas (Zitzmann GmbH, Eching, Alemanha) e DRIE, veja, por exemplo STS ICP, Sistemas de Tecnologia de Superfície, Newport, Reino Unido. Os microcanais dos chips HFC podem ser gravados 50 μm de profundidade na face superior do wafer HFC. O lado inferior do wafer pode ser processado para formar a mesa e postes a uma altura de 50 μm. A formação das aberturas é realizada utilizando a gravação DRIE do lado inferior do wafer HFC. Aberturas bem definidas, com dimensões laterais de menos de 10 μm podem assim ser obtidas. As aberturas podem ser fabricadas com mais precisão quando um wafer fino de Si é usado para o chip HFC enquanto o wafer tampa pode permanecer grosso para fornecer resistência mecânica à cabeça.

[0057] A tampa de Si é produzida através da gravação de vias com um diâmetro de 800 μm através de um wafer de lado-único polido. Em seguida, a montagem de ambos os wafers é alcançada por spincoating ~ 3 μm de um adesivo poliimida (HD Microsystems GmbH, Neu-Isenburg, Alemanha) sobre o lado polido do wafer tampa e posteriormente pelo alinhamento e ligação de ambos os wafers. A ligação ocorre a 320°C com pressão de 2 bar por 10 minutos (PRESSYS LE, Paul-Otto Weber GmbH, Remshalden, Alemanha). As cabeças MFP podem então ser cortadas e armazenadas.

[0058] A montagem dos tubos com aberturas pode ser realizada utilizando anéis epóxi adesivos (Nanoport ™ Montagens anéis adesivo epóxi são fornecidos pela Upchurch Scientific, Ercatech, Berna, Suíça,). O uso de tubos com abertura e acessórios padrão no lugar de, por exemplo, bloco moldado de PDMS diminui o trabalho necessário para a montagem de uma cabeça. Cabeças MFP são preferencialmente testadas para vazamentos e entupimentos antes de realmente montar os tubos com abertura, já que a incursão de adesivo nos microcanais não pode ser excluída. A esse respeito, uma ponteira de pipeta descartável pode ser cortada para corresponder ao tamanho das vias e os líquidos podem ser empurrados através dos canais, enquanto observa-se com uma lupa se gotículas são capazes de sair das aberturas, sem que haja vazamento em outro lugar. O alinhamento dos tubos com abertura com as vias pode finalmente ser feito manualmente. A ligação subsequente ocorre, por exemplo, a 140°C por ~ 1 hora em uma placa elétrica ou em um forno.

[0059] Revertendo rapidamente para as etapas de fotolitografia, a fabricação de cabeça de multicamadas MFP provavelmente usa três etapas de fotolitografia (revestimento, exposição e revelação um resiste seguida de gravação com Si) para o chip HFC e uma etapa para a tampa de Si. Em comparação, as cabeças monolíticas MFP como são conhecidas na arte anterior exigia três etapas. As cabeças anteriores, no entanto, também necessitavam da moldagem de um bloco de conexão PDMS que precisava ser tratada com plasma e ligado ao chip Si, levando a desvantagens discutidas aqui anteriormente.

[0060] Em contraste ao uso de um bloco de conexão PDMS, o novo método de fabricação descrito aqui produz uma tampa de Si tendo vias grandes (por exemplo, na faixa de 1 mm de diâmetro), que conectam estruturas entre os tubos com abertura e o chip HFC. Por outro lado, o chip HFC compreende todas as microestruturas. Em particular, microcanais no lado superior do chip HFC fornecem conexão fluídica entre as vias e as aberturas que estão localizadas no centro do chip HFC. Postes em torno da mesa são utilizados como auxiliares de nivelamento quando ajusta-se a cabeça de MFP para experimentos, como foi mencionado em referência as FIGS. 5.A - E.

[0061] Cabeças MFP, tal como discutido acima, são particularmente úteis em especial para aplicações de processamento de superfície. Este último, ao contrário de aplicações biológicas, lida com padrões potencialmente menores e uma ampla gama de líquidos e produtos químicos. Empregando-se um wafer fino de Si (por exemplo, 100 μm de espessura) para fabricar o chip HFC, é possível fabricar aberturas bem definidas, com dimensões laterais de menos de 10 μm, usando DRIE convencional ou feixe de íons focalizados. A resistência mecânica da cabeça é fornecida apenas pela tampa de Si.

[0062] Aliás, as cabeças de multicamadas, como as discutidas aqui também são mais suscetíveis ao uso de muitos líquidos de processamento, porque aberturas podem ser pequenas e estarem próximas umas das outras com microcanais horizontais ventilando suficientemente para fora para deixar espaço suficiente para a adição de muitos tubos com abertura na tampa Si.

[0063] Mais comumente, a presente tecnologia MFP tem um potencial para padronização de superfícies, processamento de materiais, depósito e remoção de biomoléculas e células em superfícies, analisar células e biomoléculas em superfícies, criar gradientes químicos em superfícies, estudar amostras biológicas complexas, tais como seções de tecido, e criar estruturas com perfis incomuns, como cavidades cônicas.

[0064] A seguir, um outro tipo de concretização da cabeça de camadas múltiplas da invenção será discutido em referência a FIGS. 7-11.

[0065] Como é mostrado na FIG. 7, a cabeça MFP é semelhante àquela da FIG. 2 (camadas 110, 120, vias 111, 112, e os tubo com abertura 181 e 182 são fornecidos, similar a suas contrapartes na FIG. 2). No entanto, microcanais 123124 estendem-se aqui até uma borda 310 da face superior da segunda camada 120, veja FIG. 8.

[0066] As aberturas 121, 122 são na verdade formadas por uma extremidade dos sulcos 123, 124, ao nível da borda 310.

[0067] Basicamente, tal concretização equivale a pular uma fabricação de aberturas explícita. Por exemplo, microcanais são gravados como sulcos espalhando-se horizontalmente até a borda da face superior da segunda camada 120, por onde resultam aberturas para os microcanais, sem usinagem adicional necessária.

[0068] Na concretização particular da FIG. 7 ou 8, as aberturas 121, 122 são formadas na face perpendicular 320 a face superior da camada inferior 120. Isto resulta de uma variante vantajosa do método de fabricação que será descrito mais tarde. Esta variante ainda permite bom funcionamento da cabeça MFP em superfícies de amostra.

[0069] Diversas variantes para as concretizações das FIGS. 7-8 podem ser contempladas, e que são vantajosas em muitos aspectos.

[0070] Por exemplo, a fabricação dos microcanais pode ser realizada de tal forma que uma característica do microcanal (isto é, a seção média) mude continuamente. Assim, pode-se ajustar a característica em questão, simplesmente, através de corte das duas camadas 110, 120 de preferência após a montagem da camada, ao nível da superfície de borda 320.

[0071] A FIG. 9 ilustra isso esquematicamente. Na verdade, representa uma vista de seção parcial da camada de MFP, paralela ao plano médio de uma das camadas 110, 120. E mostra de maneira notável dois microcanais 123, 124, cujas seções diminuem à medida que eles se espalham em direção à superfície borda 310. Além disso, mostra várias marcas de cortes/recortes 410, 412, 420. O corte pode ser realizado, por exemplo, com uma lâmina, um micrótomo, aplicando linhas de corte (dicing) ou ferramenta de corte.

[0072] A superfície de borda 310 pode, portanto, ser cortada ou removida ao longo de qualquer uma das marcas 420, e ao longo de qualquer par de marcas 410, 412, resultando em vários tamanhos de abertura possíveis nas extremidades dos microcanais. Os números de referência 121', 122' denotam aberturas de anteriores ao corte.

[0073] Além disso, a distância relativa entre microcanais 123, 124 também muda, por meio da qual a distância relativa entre aberturas a partir de depois do corte pode ser ajustada também.

[0074] Em uma variante, apenas as dimensões das aberturas são ajustadas através do corte da superfície de borda, conforme ilustrado na FIG. 10. Aqui, a forma das seções dos microcanais, 123, 124 é projetada de tal forma que o corte da borda resultará principalmente na modificação do tamanho de aberturas, apesar de não alterar substancialmente sua distância relativa. Outra variante consistiria em somente ajustar a distância entre aberturas, ao mesmo tempo não modificando suas dimensões.

[0075] Até mesmo, microcanais 123, 124 podem ser gravados de tal forma para apresentar uma curvatura no nível da superfície de borda 310, conforme ilustrado na FIG. 11. Aqui, cortar a borda 310 resultaria na modificação do ângulo de incidência das aberturas. Portanto, o ângulo de incidência do fluido em relação a uma superfície de amostra pode ser modificado. Isto impacta notavelmente a dinâmica do líquido ejetado de e aspirado pelas aberturas, o que pode ser útil em algumas aplicações.

[0076] Mais comumente, um ou mais microcanais podem ser fabricados em paralelo à face superior da segunda camada 120, estendendo-se até a borda 310, de tal forma que uma (ou mais) característica da mesma é alterada ao longo dos microcanais. Como já mencionado acima, essa característica pode ser uma distância relativa entre microcanais, a orientação dos flares dos microcanais ou uma mistura dos mesmos. Como resultado, cortar a borda 310 permite o ajuste das características de aberturas 121, 122, na extremidade dos microcanais 123,124.

[0077] Do ponto de vista da produção, isto é vantajoso na medida em que apenas um modelo de design para camadas MFP 110, 120 pode realmente servir de base para a obtenção de vários arranjos finais diferentes de aberturas em cabeças MFP.

[0078] Embora a presente invenção tenha sido descrita com referência a certas concretizações, será compreendido por aqueles versados na técnica que várias mudanças podem ser feitas e equivalentes poderão ser substituídos sem o afastamento do âmbito da presente invenção. Além disso, muitas modificações podem ser feitas para adaptação de uma situação ou material particular com os ensinamentos da presente invenção, sem o afastamento do seu âmbito. Portanto, pretende-se que a presente invenção não seja limitada à concretização particularmente divulgada, mas que a presente invenção inclua todas as concretizações do âmbito das reivindicações anexadas. Por exemplo, embora concretizações descritas acima descrevam apenas uma cabeça MFP tendo dois tubos com abertura, duas vias, duas aberturas, etc., ela poderá ser concretizada como uma cabeça tendo apenas um tubo com abertura, um microcanal, e uma única abertura. Mais comumente, um ou vários conjuntos de tubo com abertura, de microcanais, etc., podem ser contemplados.

[0079] Referências citadas [1] Brody J P, Yager P, Goldstein R E and Austin R H 1996 Biotechnology at low Reynolds Numbers Biophys. J. 71 3430-3441 [2] Knight J B, Vishwanath A, Brody J P and Austin R H 1998 Hydrodynamic Focusing on a Silicon Chip: Mixing Nano liter in Microseconds Phys. Rev. Lett. 80 3863-3866 [3] Squires T M and Quake S R 2005 Micro fluidics: Fluid physics at the nano liter scale Rev. Mod. Phys. 11 977-1026 [4] Kenis P J A, Ismagilov R F and Whitesides G M 1999 Microfabrication Inside Capillaries Using Multiphase Laminar Flow Patterning Science 285 83-85 [5] Derby B 2008 Bioprinting: InkJet printing proteins and hybrid cell-containing materials and structures J. Mater. Chem. 18 5717-5721 [6] Kim K H, Moldovan N and Espinosa H D 2005 A Nano fountain Probe with Sub- 100 nm Molecular Writing Resolution small 6 632-635 [7] Meister A, Liley M, Brugger J, Pugin R and Heinzelmann H 2004 Nanodispenser for atto liter volume deposition using atomic force microscopy probes modified by focused-ion-beam milling Appl. Phys. Lett. 85 6260-6262 [8] Ahmadzadeh H, Thompson L V and Arriaga E A 2005 On-column labeling for capillary electrophoretic analysis of individual mitochondria directly sampled from tissue cross sections Anal. Bioanal. Chem. 384 169-174 [9] Rodolfa K T, Bruckbauer A, Zhou D, Schevchuk A, Korchev Y E and Klenerman D 2006 Nanoscale Pipetting for Controlled Chemistry in Small Arrayed Water Droplets Using a Double-Barrel Pipet Nano Lett. 6 252-257 [10] Ying L, Bruckbauer A, Rothery A M, Korchev Y E and Klenerman D 2002 Programmable Delivery of DNA through a Nanopipet Anal. Chem. 74 1380-1385 [11] Meister A, Polesel-Maris J, Przybylska J, Studer P, Zambelli T, Liley M, Vórós J and Heinzelmann H 2008 Nanoscale dispensing in liquid environment of streptavidin on a biotin-functionalized surface using hollow atomic force microscopy probes Proceedings of the Micro- and Nano-Engineering 2008 Conference - MNE 2008 in press [12] Bruckbauer A, Zhou D, Ying L, Korchev Y E, Abell C and Klenerman D 2003 Multicomponent Submicron Features of Bio molecules Created by Voltage Controlled Deposition from a Nanopipet J. Am. Chem. Soc. 125 9834-9839 [13] Bruckbauer A, Ying L, Rothery A M, Zhou D, Shevchuk A I, Abell C, Korchev Y E and Klenerman D 2002 Writing with DNA and Protein Using a Nanopipet for Controlled Delivery J. Am. Chem. Soc. 124 8810-8811 [14] Juncker D, Schmid H and Delamarche E 2005 Multipurpose micro fluidic probe Nature Materials 4 622-628 [15] Shiku H, Yamakawa T, Nahimoto Y, Takahashi Y, Torisawa Y, Yasukawa T, Ito-Sasaki T, Yokoo M, Abe H, Kambara H and Matsue T 2009 A micro fluidic dual capillary probe to collect messenger RNA from adherent cells and spheroids Anal. Biochem. 385 138-142 [16] Queval A, Perrault C M, Qasaimeh M A, McKinney R A and Juncker D 2008 Design and fabrication of a PDMS micro fluidic probe and perfusion chamber for micro fluidic experiments with organotypic brain slices Proceedings of μTAS 2008 Conference 1663-1665

Claims

1. CABEÇA DE SONDA MICROFLUÍDICA DE MULTICAMADAS, compreendendo uma primeira camada (110), uma segunda camada (120), e uma porta de tubulação (181) que se estende a partir de uma face superior da primeira camada (110), caracterizada por: - a primeira camada (110) ter uma primeira via (111) que possibilita a comunicação de fluido entre a primeira porta (181) e uma face inferior da primeira camada (110); - a segunda camada (120) compreender uma primeira abertura (121) em uma face da mesma, e um primeiro microcanal (123) que possibilita a comunicação de fluido entre uma face superior da segunda camada (120), de frente para a face inferior da primeira camada, e a primeira abertura (121); e - a cabeça ser ainda configurada para possibilitar a comunicação de fluido entre a primeira via (111) e o primeiro microcanal (123) onde pelo menos uma porção do primeiro microcanal ser um sulco (123) aberto na face superior da segunda camada (120), e fechado por uma porção de uma face inferior de uma camada da cabeça (110, 130), e a cabeça de sonda microfluídica compreender uma segunda porta de tubulação (182), uma segunda via (112), uma segunda abertura (122) e um segundo microcanal (124), configurado de modo semelhante a primeira porta de tubulação (181), a primeira via (111), a primeira abertura (121) e o primeiro microcanal (123); a cabeça estando ainda configurada para possibilitar comunicações de fluido distintas entre a primeira via (111) e a primeira abertura (121) por um lado, e entre a segunda via (112) e a segunda abertura (122), por outro lado, e permitir a aspiração em uma das aberturas (122) de algum fluido depositado através da outra abertura (121) em uma superfície perto das aberturas.

2. CABEÇA DE SONDA MICROFLUÍDICA DE MULTICAMADAS, de acordo com a reivindicação 1, caracterizada por: pelo menos uma porção do primeiro microcanal ser um sulco (123) fechado por uma porção da face inferior da primeira camada (110).

3. CABEÇA DE SONDA MICROFLUÍDICA DE MULTICAMADAS, de acordo com a reivindicação 1, caracterizada por: a primeira abertura (122) se estender através da segunda camada (120), a partir da face inferior em direção à face superior da mesma, como um furo de passagem.

4. CABEÇA DE SONDA MICROFLUÍDICA DE MULTICAMADAS, de acordo com a reivindicação 1, caracterizada por: pelo menos uma porção do primeiro microcanal ser um sulco (123) que se estende até a primeira abertura (122), a abertura sendo formada em uma extremidade do sulco ao nível de uma borda (310) da face superior da segunda camada (120).

5. CABEÇA DE SONDA MICROFLUÍDICA DE MULTICAMADAS, de acordo com a reivindicação 1, caracterizada por: uma característica do microcanal mudar ao longo da direção média da mesma, de preferência de forma contínua.

6. CABEÇA DE SONDA MICROFLUÍDICA DE MULTICAMADAS, de acordo com a reivindicação 1, caracterizada por: compreender ainda uma ou mais janelas (115, 125) fornecidas em pelo menos uma dentre a primeira ou a segunda camada.

7. CABEÇA DE SONDA MICROFLUÍDICA DE MULTICAMADAS, de acordo com a reivindicação 6, caracterizada por: - a uma ou mais janelas (125) ser(em) fornecida(s) na segunda camada (120); e - a primeira camada ser, de preferência, transparente.

8. CABEÇA DE SONDA MICROFLUÍDICA DE MULTICAMADAS, de acordo com a reivindicação 1, caracterizada por: compreender uma terceira camada (130), transparente, entre a primeira e segunda camadas, a cabeça estando configurada ainda para possibilitar a comunicação de fluido entre a primeira via e o primeiro microcanal, através da terceira camada.