PL218755B1 - Sposób modyfikacji powierzchni mikrokanałów wykonanych w obiekcie poliwęglanowym - Google Patents
Sposób modyfikacji powierzchni mikrokanałów wykonanych w obiekcie poliwęglanowymInfo
- Publication number
- PL218755B1 PL218755B1 PL392411A PL39241110A PL218755B1 PL 218755 B1 PL218755 B1 PL 218755B1 PL 392411 A PL392411 A PL 392411A PL 39241110 A PL39241110 A PL 39241110A PL 218755 B1 PL218755 B1 PL 218755B1
- Authority
- PL
- Poland
- Prior art keywords
- microchannels
- modification
- modifying solution
- modifying
- polycarbonate
- Prior art date
Links
- 239000004417 polycarbonate Substances 0.000 title claims abstract description 47
- 229920000515 polycarbonate Polymers 0.000 title claims abstract description 47
- 238000000034 method Methods 0.000 title claims abstract description 31
- 238000012986 modification Methods 0.000 title description 19
- 230000004048 modification Effects 0.000 title description 19
- LFQSCWFLJHTTHZ-UHFFFAOYSA-N Ethanol Chemical compound CCO LFQSCWFLJHTTHZ-UHFFFAOYSA-N 0.000 claims abstract description 41
- OKKJLVBELUTLKV-UHFFFAOYSA-N Methanol Chemical compound OC OKKJLVBELUTLKV-UHFFFAOYSA-N 0.000 claims abstract description 27
- KFZMGEQAYNKOFK-UHFFFAOYSA-N Isopropanol Chemical compound CC(C)O KFZMGEQAYNKOFK-UHFFFAOYSA-N 0.000 claims abstract description 26
- 230000002209 hydrophobic effect Effects 0.000 claims abstract description 17
- JRBPAEWTRLWTQC-UHFFFAOYSA-N dodecylamine Chemical compound CCCCCCCCCCCCN JRBPAEWTRLWTQC-UHFFFAOYSA-N 0.000 claims abstract description 11
- 125000000217 alkyl group Chemical group 0.000 claims abstract description 9
- 150000003141 primary amines Chemical class 0.000 claims abstract description 8
- DNIAPMSPPWPWGF-GSVOUGTGSA-N (R)-(-)-Propylene glycol Chemical compound C[C@@H](O)CO DNIAPMSPPWPWGF-GSVOUGTGSA-N 0.000 claims abstract description 6
- BDERNNFJNOPAEC-UHFFFAOYSA-N propan-1-ol Chemical compound CCCO BDERNNFJNOPAEC-UHFFFAOYSA-N 0.000 claims abstract description 6
- 239000000203 mixture Substances 0.000 claims abstract description 4
- 125000004432 carbon atom Chemical group C* 0.000 claims abstract description 3
- 230000008569 process Effects 0.000 claims description 3
- 239000000243 solution Substances 0.000 description 26
- 238000006243 chemical reaction Methods 0.000 description 11
- 230000000694 effects Effects 0.000 description 10
- -1 polydimethylsiloxane Polymers 0.000 description 10
- 230000035484 reaction time Effects 0.000 description 10
- 239000000126 substance Substances 0.000 description 10
- DCAYPVUWAIABOU-UHFFFAOYSA-N hexadecane Chemical compound CCCCCCCCCCCCCCCC DCAYPVUWAIABOU-UHFFFAOYSA-N 0.000 description 8
- 238000006011 modification reaction Methods 0.000 description 8
- 238000002474 experimental method Methods 0.000 description 7
- 239000000839 emulsion Substances 0.000 description 6
- 239000002904 solvent Substances 0.000 description 6
- XLYOFNOQVPJJNP-UHFFFAOYSA-N water Substances O XLYOFNOQVPJJNP-UHFFFAOYSA-N 0.000 description 6
- FHVDTGUDJYJELY-UHFFFAOYSA-N 6-{[2-carboxy-4,5-dihydroxy-6-(phosphanyloxy)oxan-3-yl]oxy}-4,5-dihydroxy-3-phosphanyloxane-2-carboxylic acid Chemical compound O1C(C(O)=O)C(P)C(O)C(O)C1OC1C(C(O)=O)OC(OP)C(O)C1O FHVDTGUDJYJELY-UHFFFAOYSA-N 0.000 description 5
- 229940072056 alginate Drugs 0.000 description 5
- 235000010443 alginic acid Nutrition 0.000 description 5
- 229920000615 alginic acid Polymers 0.000 description 5
- 125000005587 carbonate group Chemical group 0.000 description 5
- 238000004519 manufacturing process Methods 0.000 description 5
- 239000000463 material Substances 0.000 description 5
- 238000012360 testing method Methods 0.000 description 5
- IXPNQXFRVYWDDI-UHFFFAOYSA-N 1-methyl-2,4-dioxo-1,3-diazinane-5-carboximidamide Chemical compound CN1CC(C(N)=N)C(=O)NC1=O IXPNQXFRVYWDDI-UHFFFAOYSA-N 0.000 description 4
- 125000003277 amino group Chemical group 0.000 description 4
- 230000015572 biosynthetic process Effects 0.000 description 4
- 239000003814 drug Substances 0.000 description 4
- 210000002381 plasma Anatomy 0.000 description 4
- 229920000642 polymer Polymers 0.000 description 4
- 235000010413 sodium alginate Nutrition 0.000 description 4
- 229940005550 sodium alginate Drugs 0.000 description 4
- 239000000661 sodium alginate Substances 0.000 description 4
- 238000009736 wetting Methods 0.000 description 4
- 239000004205 dimethyl polysiloxane Substances 0.000 description 3
- 150000004676 glycans Chemical class 0.000 description 3
- 239000007788 liquid Substances 0.000 description 3
- 238000005259 measurement Methods 0.000 description 3
- 229920000435 poly(dimethylsiloxane) Polymers 0.000 description 3
- 229920001282 polysaccharide Polymers 0.000 description 3
- 239000005017 polysaccharide Substances 0.000 description 3
- CSCPPACGZOOCGX-UHFFFAOYSA-N Acetone Chemical compound CC(C)=O CSCPPACGZOOCGX-UHFFFAOYSA-N 0.000 description 2
- 239000004698 Polyethylene Substances 0.000 description 2
- 150000001412 amines Chemical class 0.000 description 2
- 239000007864 aqueous solution Substances 0.000 description 2
- 230000008859 change Effects 0.000 description 2
- 238000007385 chemical modification Methods 0.000 description 2
- 238000010276 construction Methods 0.000 description 2
- 238000013461 design Methods 0.000 description 2
- 238000011161 development Methods 0.000 description 2
- 238000010586 diagram Methods 0.000 description 2
- 229940079593 drug Drugs 0.000 description 2
- 238000001035 drying Methods 0.000 description 2
- 239000012530 fluid Substances 0.000 description 2
- 239000007789 gas Substances 0.000 description 2
- 239000011521 glass Substances 0.000 description 2
- 230000005661 hydrophobic surface Effects 0.000 description 2
- 239000011859 microparticle Substances 0.000 description 2
- 229920000573 polyethylene Polymers 0.000 description 2
- 238000002360 preparation method Methods 0.000 description 2
- 238000012545 processing Methods 0.000 description 2
- 238000011160 research Methods 0.000 description 2
- 229910052710 silicon Inorganic materials 0.000 description 2
- 239000010703 silicon Substances 0.000 description 2
- 238000013112 stability test Methods 0.000 description 2
- XDTMQSROBMDMFD-UHFFFAOYSA-N Cyclohexane Chemical compound C1CCCCC1 XDTMQSROBMDMFD-UHFFFAOYSA-N 0.000 description 1
- 235000008529 Ziziphus vulgaris Nutrition 0.000 description 1
- 244000126002 Ziziphus vulgaris Species 0.000 description 1
- 230000002378 acidificating effect Effects 0.000 description 1
- 238000004026 adhesive bonding Methods 0.000 description 1
- 150000001298 alcohols Chemical class 0.000 description 1
- 125000003118 aryl group Chemical group 0.000 description 1
- QVGXLLKOCUKJST-UHFFFAOYSA-N atomic oxygen Chemical compound [O] QVGXLLKOCUKJST-UHFFFAOYSA-N 0.000 description 1
- 230000008901 benefit Effects 0.000 description 1
- 238000009835 boiling Methods 0.000 description 1
- 239000000969 carrier Substances 0.000 description 1
- 210000004027 cell Anatomy 0.000 description 1
- 239000003153 chemical reaction reagent Substances 0.000 description 1
- 239000004035 construction material Substances 0.000 description 1
- 239000002537 cosmetic Substances 0.000 description 1
- 230000001419 dependent effect Effects 0.000 description 1
- 238000001514 detection method Methods 0.000 description 1
- 238000002651 drug therapy Methods 0.000 description 1
- 229920001971 elastomer Polymers 0.000 description 1
- 239000000806 elastomer Substances 0.000 description 1
- 230000001804 emulsifying effect Effects 0.000 description 1
- 230000002349 favourable effect Effects 0.000 description 1
- 239000006260 foam Substances 0.000 description 1
- 238000001415 gene therapy Methods 0.000 description 1
- UQEAIHBTYFGYIE-UHFFFAOYSA-N hexamethyldisiloxane Chemical compound C[Si](C)(C)O[Si](C)(C)C UQEAIHBTYFGYIE-UHFFFAOYSA-N 0.000 description 1
- JYVHOGDBFNJNMR-UHFFFAOYSA-N hexane;hydrate Chemical compound O.CCCCCC JYVHOGDBFNJNMR-UHFFFAOYSA-N 0.000 description 1
- 230000007062 hydrolysis Effects 0.000 description 1
- 238000006460 hydrolysis reaction Methods 0.000 description 1
- 125000001165 hydrophobic group Chemical group 0.000 description 1
- 238000004377 microelectronic Methods 0.000 description 1
- 239000002105 nanoparticle Substances 0.000 description 1
- 238000006396 nitration reaction Methods 0.000 description 1
- 239000003921 oil Substances 0.000 description 1
- 230000003287 optical effect Effects 0.000 description 1
- 239000003960 organic solvent Substances 0.000 description 1
- 239000001301 oxygen Substances 0.000 description 1
- 229910052760 oxygen Inorganic materials 0.000 description 1
- 239000002245 particle Substances 0.000 description 1
- 230000035699 permeability Effects 0.000 description 1
- 238000000206 photolithography Methods 0.000 description 1
- 229920000447 polyanionic polymer Polymers 0.000 description 1
- 239000002861 polymer material Substances 0.000 description 1
- 230000005855 radiation Effects 0.000 description 1
- 239000002994 raw material Substances 0.000 description 1
- 238000009877 rendering Methods 0.000 description 1
- 238000005507 spraying Methods 0.000 description 1
- 238000006277 sulfonation reaction Methods 0.000 description 1
- 230000003746 surface roughness Effects 0.000 description 1
- 230000001550 time effect Effects 0.000 description 1
- 238000012876 topography Methods 0.000 description 1
- 238000002604 ultrasonography Methods 0.000 description 1
- 238000010977 unit operation Methods 0.000 description 1
- 239000007762 w/o emulsion Substances 0.000 description 1
Classifications
-
- C—CHEMISTRY; METALLURGY
- C08—ORGANIC MACROMOLECULAR COMPOUNDS; THEIR PREPARATION OR CHEMICAL WORKING-UP; COMPOSITIONS BASED THEREON
- C08J—WORKING-UP; GENERAL PROCESSES OF COMPOUNDING; AFTER-TREATMENT NOT COVERED BY SUBCLASSES C08B, C08C, C08F, C08G or C08H
- C08J7/00—Chemical treatment or coating of shaped articles made of macromolecular substances
- C08J7/12—Chemical modification
-
- B—PERFORMING OPERATIONS; TRANSPORTING
- B01—PHYSICAL OR CHEMICAL PROCESSES OR APPARATUS IN GENERAL
- B01L—CHEMICAL OR PHYSICAL LABORATORY APPARATUS FOR GENERAL USE
- B01L3/00—Containers or dishes for laboratory use, e.g. laboratory glassware; Droppers
- B01L3/50—Containers for the purpose of retaining a material to be analysed, e.g. test tubes
- B01L3/502—Containers for the purpose of retaining a material to be analysed, e.g. test tubes with fluid transport, e.g. in multi-compartment structures
- B01L3/5027—Containers for the purpose of retaining a material to be analysed, e.g. test tubes with fluid transport, e.g. in multi-compartment structures by integrated microfluidic structures, i.e. dimensions of channels and chambers are such that surface tension forces are important, e.g. lab-on-a-chip
- B01L3/502707—Containers for the purpose of retaining a material to be analysed, e.g. test tubes with fluid transport, e.g. in multi-compartment structures by integrated microfluidic structures, i.e. dimensions of channels and chambers are such that surface tension forces are important, e.g. lab-on-a-chip characterised by the manufacture of the container or its components
-
- B—PERFORMING OPERATIONS; TRANSPORTING
- B01—PHYSICAL OR CHEMICAL PROCESSES OR APPARATUS IN GENERAL
- B01L—CHEMICAL OR PHYSICAL LABORATORY APPARATUS FOR GENERAL USE
- B01L2300/00—Additional constructional details
- B01L2300/16—Surface properties and coatings
- B01L2300/161—Control and use of surface tension forces, e.g. hydrophobic, hydrophilic
Landscapes
- Chemical & Material Sciences (AREA)
- Health & Medical Sciences (AREA)
- Chemical Kinetics & Catalysis (AREA)
- Organic Chemistry (AREA)
- Polymers & Plastics (AREA)
- Medicinal Chemistry (AREA)
- General Chemical & Material Sciences (AREA)
- Analytical Chemistry (AREA)
- Clinical Laboratory Science (AREA)
- Hematology (AREA)
- General Health & Medical Sciences (AREA)
- Dispersion Chemistry (AREA)
- Physical Or Chemical Processes And Apparatus (AREA)
- Treatments Of Macromolecular Shaped Articles (AREA)
Description
Opis wynalazku
Wynalazek dotyczy sposobu modyfikacji powierzchni mikrokanałów wykonanych w obiekcie poliwęglanowym, obejmującego etap przeprowadzenia roztworu modyfikującego przez wspomniane mikrokanały.
Szeroko zakrojone badania nad projektowaniem emulsji oraz nano- czy mikrocząstek o zadanych właściwościach umożliwiają dynamiczny rozwój wielu dziedzin, takich jak medycyna czy przemysł. Żywe zainteresowanie wspomnianym projektowaniem obserwuje się już od kilkunastu lat w farmaceutyce m.in. w celu tworzenia nowych form leków (np. celowane terapie lekowe czy genowe, kontrasty radiologiczne oraz wykorzystywane w badaniach USG), jak również w kosmetologii do otrzymywania aktywnych nośników dla aplikacji kosmetycznych i dermatologicznych (np. emulsje wielokrotne).
Mikrofluidyka to doskonałe narzędzie do tworzenia takich emulsji czy cząstek. Ta wyjątkowo dynamicznie rozwijająca się dyscyplina naukowa bazuje przede wszystkim na technikach mikroprzepływowych oraz miniaturowych systemach kanałów do transportu czy różnorodnych operacji jednostkowych. Nieustanne prace i poszukiwania nowych rozwiązań w tej dziedzinie umożliwiają stałe poszerzanie możliwości m.in. zwiększanie kontroli nad zjawiskami zachodzącymi wewnątrz mikroukładów czy precyzyjne sterowanie procesami wytwarzania.
Układy mikroprzepływowe są to przeważnie płaskie, planarne bądź trójwymiarowe, niewielkich rozmiarów urządzenia, na których rozmieszczone są systemy kanałów o wymiarach poprzecznych rzędu od kilku do kilkuset mikrometrów.
Podstawą działania mikroukładów jest wprowadzanie do mikrokanalików płynów (ciecze czy gazy). Dzięki odpowiednim połączeniom kanałów i kontrolowaniu przepływów mediów można, w zależności od właściwości płynów, tworzyć np.: rozproszone układy dwufazowe (piana, emulsja) o zadanych parametrach (np. średnicy kropli), uzyskać efekt mieszania bądź gradient stężenia badanej substancji. Niewielkie wymiary kanałów sprawiają, że zużycie płynów zasilających takie urządzenia jest niskie, a przepływy wyjątkowo łatwe do kontrolowania. Dodatkową zaletą mikroukładów jest ich stosunkowo proste i tanie wytwarzanie. Dowolność tworzenia różnorakich sposobów połączeń kanałów o dowolnej geometrii ma wyjątkowe znaczenie m.in. w analityce chemicznej, analizie DNA czy tworzeniu emulsji monodyspersyjnych.
Początkowo urządzenia mikroprzepływowe wyrabiano ze szkła i krzemu, jednak materiały te nie sprawdzały się w niektórych badaniach, zwłaszcza nad żywymi komórkami, ze względu na niską przepuszczalność gazów. Dodatkowo, krzem jest drogi i nieprzezroczysty, co utrudnia pomiary z optycznymi metodami detekcji, a szkło sztywne i trudne w obróbce. Jednak stabilność chemiczna tych materiałów sprawia, że są wciąż chętnie stosowane. Z kolei zastosowanie polidimetylosiloksanu (PDMS), przezroczystego elastomeru, i technik opartych na fotolitografii (wykorzystywanych wcześniej w mikroelektronice) pozwoliło na łatwą i szybką fabrykację układów i znacznie ułatwiło obserwowanie zjawisk zachodzących w kanałach. Przyczyniło się to do gwałtownego rozwoju i ogromnego zainteresowania mikroprzepływami, a PDMS na długo stał się podstawowym materiałem do tworzenia układów w laboratoriach naukowych [G. M. Whitesides, Nature, 2006, 442, 368]. Obecnie do konstrukcji miniaturowych systemów wykorzystuje się najnowsze osiągnięcia naukowe czy technologiczne oraz najnowocześniejsze materiały, głównie polimery. O atrakcyjności polimerów decyduje ich wielka różnorodność, a wybór materiału konstrukcyjnego najczęściej podyktowany jest jego właściwościami (np. łatwość w obróbce, odporność chemiczna czy transparentność) [C.-W. Tsao, D. L. DeVoe, Microfluid Nanofluid, 2009, 6,1; Table 1, strona 2].
Materiałem polimerowym ostatnio chętnie wykorzystywanym do konstrukcji mikroukładów zintegrowanych jest poliwęglan (PC). Umożliwia on szybką i wygodną fabrykację. Cechuje go m.in. atrakcyjna cena, dostępność czy łatwość obróbki. Jednakże, w wielofazowych mikroukładach przepływowych wykonanych z poliwęglanu często spotykanym problemem jest zjawisko zwilżania jego powierzchni przez fazę wodną. Wprawdzie PC jest zaklasyfikowany do materiałów hydrofobowych (kąt zwilżania dla wody jest bliski 840), jakkolwiek efekt zwilżania, szczególnie dla cieczy o wysokiej lepkości (np. wodne roztwory polisacharydów), jest powszechny.
W literaturze spotykamy wiele informacji dotyczących modyfikacji powierzchni poliwęglanu, który wyróżnia stosunkowo niewielka aktywność chemiczna. Duża część doniesień literaturowych dotyczy modyfikacji, które polegają na zwiększeniu energii powierzchniowej PC i w konsekwencji nadają powierzchni charakter hydrofilowy. Do takich modyfikacji możemy zaliczyć m.in.: ekspozycję PC na promieniowanie UV [A. Welle and E. Gottwald, Biomedical Microdevices, 2002, 4, 33; Y. Li, Z. Wang, L M. L Ou and H.-Z.Yu, Anal. Chem., 2007, 79, 426; K. Asian, P. Holley and C. D. Geddes, J. Mater. Chem., 2006, 16, 2846] czy plazmę tlenową [M. C. Kim and T. Masuoka, Appl. Surf. Sci., 2009, 255, 4684].
PL 218 755 B1
Niska odporność PC na działanie większości rozpuszczalników w dużym stopniu ogranicza możliwości modyfikacji. W zasadzie, tylko proste alkohole alifatyczne (takie jak: metanol, etanol czy izopropanol), woda oraz cykloheksan to substancje, które nie należą do rozpuszczalników czy wytrącalników PC. Chemiczne modyfikacje PC mogą opierać się na hydrolizie grup węglanowych (środowisko zasadowe bądź kwaśne) [K. Aslan, P. Holley and C. D. Geddes, J. Mater. Chem., 2006, 16, 2846] czy reakcjach w obrębie pierścieni aromatycznych jak: sulfonowanie [B. Vaidya, S. A. Soper and R. L. McCarley, Analyst, 2002, 127, 1289] czy nitrowanie [M.-J. Banuls, F. Garcia-Pinón, R. Puchades and A. Maquieira, Bioconjugate Chem., 2008, 19, 665]. Oprócz w/w modyfikacji nadających powierzchni charakter hydrofilowy istnieją również nieliczne doniesienia o hydrofobowo zmodyfikowanych powierzchniach poliwęglanu. Xu et al. [N. Zhao, L. Weng, X. Zhang, Q. Xie, X. Zhang and J. Xu, ChemPhysChem, 2006, 7, 824] otrzymali hydrofobową powierzchnię PC, rozpylając wodny roztwór acetonu, co powodowało zwiększenie chropowatości powierzchni. Inne rozwiązanie zaproponowali Hegemann et al. [D. Hegemann, H. Brunner and C. Oehr, Plasmas and Polymers, 2001, 6, 221], które polegało na wytworzeniu cienkiej warstwy pp-HMDSO (heksametylodisiloksan polimeryzowany z użyciem plazmy) na powierzchni PC. Z kolei A. Hozumi et al. [A. Hozumi, N. Kakinoki, Y. Asai and O. Takai, J. Mater. Sci. Lett., 1996, 15, 675] w celu wytwarzania hydrofobowej powierzchni osadzali fluoropochodne związki sililowe używając reaktora plazmowego. Niestety, większość z w/w metod jest trudna do zastosowania w mikrokanałach, a wykonanie modyfikacji przed sklejeniem mikroukładów powoduje trudności w łączeniu elementów z PC.
Zgodnie z wynalazkiem, sposób modyfikacji powierzchni mikrokanałów wykonanych w obiekcie poliwęglanowym, obejmujący etap przeprowadzenia roztworu modyfikującego przez te mikrokanały, charakteryzuje się tym, że roztwór modyfikujący zawiera pierwszorzędową aminę z łańcuchem alkilowym oraz alkohol alifatyczny przy czym pierwszorzędowa amina zawiera co najmniej sześć atomów węgla w łańcuchu alkilowym, a korzystnie jest to dodecyloamina, DDA, zaś alkohol alifatyczny jest alkoholem wybranym z grupy składającej się z metanolu, etanolu, izopropanolu, n-propanolu i ich mieszanin, a korzystnie jest to etanol.
Korzystnie, stężenie pierwszorzędowej aminy z łańcuchem alkilowym w roztworze modyfikującym wynosi od 2,5% wagowych do 10% wagowych, korzystnie 5% wagowych.
W preferowanym przykładzie realizacji wynalazku, etap przeprowadzenia roztworu modyfikującego przez mikrokanały odbywa się w temperaturze od 25°C do 70°C, korzystniej od 40°C do 70°C, a najkorzystniej około 60°C.
Korzystnie, etap przeprowadzenia roztworu modyfikującego przez mikrokanały trwa od 30 minut do 16 godzin, korzystnie około 2 godzin.
W preferowanym przykładzie realizacji wynalazku, w etapie przeprowadzenia roztworu modyfikującego przez mikrokanały zachodzi przepływ roztworu modyfikującego przez te mikrokanały.
W takim przypadku korzystnie, szybkość przepływu wynosi od 0,5 mL/h do 5 mL/h, korzystnie około 2 mL/h.
Korzystnie, otrzymuje się powierzchnię, która jest hydrofobowa i do której wiązaniami uretanowymi przyłączone są łańcuchy alkilowe.
Sposób według wynalazku charakteryzuje się prostotą, dużą powtarzalnością oraz wyjątkowo dużą trwałością. Modyfikacja, według wynalazku, bazuje na reakcji grup węglanowych poliwęglanu z grupami aminowymi, skutkującą wytworzeniem wiązań kowalencyjnych (wiązania uretanowe). Reakcja ta jest prosta i łatwa do przeprowadzenia. W wyniku utworzenia wiązań uretanowych powierzchnia PC ulega modyfikacji, która nadaje jej silne właściwości hydrofobowe dzięki alkilowym łańcuchom pochodzącym od aminy.
W metodzie wykorzystano dodecyloaminę, pierwszorzędową aminę z dołączoną grupą o charakterze hydrofobowym, oraz proste alkohole alifatyczne, metanol, etanol czy izopropanol. DDA to powszechnie znana i stosowana substancja chemiczna. Jej popularność wynika z jej dużej stabilności chemicznej, komercyjnej dostępności czy przystępnej ceny. Stosowane alkohole alifatyczne to tanie surowce, stosunkowo niegroźne dla środowiska i powszechnie wykorzystywane jako rozpuszczalniki w przemyśle chemicznym.
Opracowana metoda modyfikacji mikrokanałów wytwarzanych z PC nie wymaga użycia skomplikowanej aparatury. W procesie modyfikacji wykorzystuje się: termostat, pompę strzykawkową i strzykawki. Metoda stanowi wyjątkowe atrakcyjne narzędzie do otrzymywania trwałych i wytrzymałych hydrofobowych powierzchni mikrokanałów wykonanych z poliwęglanu. Obecny stan techniki pozwala na otrzymywa n i e hydrofobowych powierzchni PC. Jednakże procedury te dotyczą powierzchni zewnętrznych, otwartych i są trudne bądź niemożliwe do przeprowadzen ia wewnątrz mikrokanałów.
PL 218 755 B1
Opracowana metoda modyfikacji powierzchni poliwęglanu (PC) bazuje na zastosowaniu prostej aparatury, powszechnie dostępnych i tanich reagentach i stanowi wyjątkowo atrakcyjne narzędzie do otrzymywania układów mikroprzepływowych ^FLDs) z trwałymi, hydrofobowymi powierzchniami mikrokanałów. Eksperymenty prowadzono z użyciem alkilowej pierwszorzędowej aminy (dodecyloamina, DDA) oraz alkoholi alifatycznych. Grupa aminowa DDA łatwo reaguje z grupą węglanową PC i tworzy trwałe wiązanie uretanowe. Jednocześnie, łańcuch alkilowy nadaje powierzchni PC charakter hydrofobowy. Opracowana metoda modyfikacji PC charakteryzuje się dużą powtarzalnością i umożliwia prowadzenie eksperymentów z udziałem substancji o dużej lepkości obdarzonych ładunkiem (np. polianiony takie jak polisacharydy).
Wynalazek zostanie teraz bliżej przedstawiony w korzystnych przykładach wykonania, z odniesieniem do załączonych rysunków, na których:
fig. 1 przedstawia schemat reakcji modyfikacji z użyciem dodecyloaminy nadający PC charakter hydrofobowy. Grupy aminowe DDA reagują z grupami węglanowymi PC tworząc wiązania uretanowe. Przedstawiona schematycznie reakcja modyfikacji PC powoduje jego częściową depolimeryzację;
fig. 2 przedstawia średnią wartość kąta zwilżania dla wody dla czterech pomiarów w funkcji temperatury dla różnych rozpuszczalników organicznych: metanol (kwadraty), etanol (trójkąty) i izopropanol (koła);
fig. 3 ilustruje wpływ stężenia DDA i temperatury na jakość uzyskanej modyfikacji powierzchni mikrokanałów PC. Czas reakcji modyfikacji był równy 2 h, a prędkość przepływu DDA wynosiła 2 mL/h. W jakościowych testach wykorzystano 0,5 % wodny roztwór alginianowy i heksadekan;
fig. 4 ilustruje efekt czasu reakcji modyfikacji (obrazy mikroskopowe i SEM): (a) 0,5 h, (b) 1 h, (c) 2 h, (d) 3 h, (e) 6 h and (f) 16 h. Płytki PC o grubości 0,75 mm modyfikowano używając etanolowy roztwór DDA o stężeniu 5%. Reakcję prowadzono w stałej temperaturze 60°C. Średnie wartości kątów zwilżania dla wody, podane na rysunku, obliczono dla pięciu pomiarów;
fig. 5 ilustruje efekt czasu modyfikacji dla powierzchni mikrokanałów PC. W jakościowych testach wykorzystano wodę bądź 0,5% wodny roztwór alginianowy i heksadekan. Do modyfikacji stosowano 5% etanolowy roztwór DDA. Czas modyfikacji był równy 2 h, a szybkość przepływu roztworu DDA wynosiła 2 mL/h;
fig. 6 pokazuje trwałość uzyskanej hydrofobowej warstwy. Test stabilności polegał na pracy ciągłej mikroukładu przepływowego przez 4 kolejne dni. W eksperymencie wykorzystano układ mikroprzepływowy o prostej geometrii ogniskującej. Szybkość przepływów 0,5% roztworu alginianu sodu oraz heksadekanu wynosiła odpowiednio 5,5 i 10 mL/h, zaś fig. 7 przedstawia przykładowe mikrożele alginianowe otrzymane w zmodyfikowanym urządzeniu mikroprzepływowym (fig. 6). Na rysunku zaprezentowano mikrocząstki polisacharydowe otrzymane w pierwszym dniu (a) i w czwartym dniu pracy mikroukładu (b).
P r z y k ł a d 1
Układ mikroprzepływowy wykonany według procedury opisanej w [D. Ogończyk, J. Węgrzyn, P. Jankowski, B. Dąbrowski and P. Garstecki, Lab Chip, 2010, 10, 1324] został, na wejściu, połączony ze strzykawką wężykiem wykonanym z polietylenu, zaś wyjście połączono z odbieralnikiem wężem wyprowadzającym. Strzykawkę napełniano etanolowym roztworem dodecyloaminy o stężeniu 5%. Układ umieszczono w termostacie, którego temperatura wynosiła 60°C. Za pomocą pompy strzykawkowej przepuszczano z prędkością 2 mL/h roztwór DDA przez mikrokanały o wymiarach 400 x 400 μm. Po upływie 2 godzin układ został wyjęty z termostatu i doprowadzony do temperatury pokojowej. Następnie usunięto roztwór DDA z mikrokanałów używając strumienia powietrza, który był wprowadzany za pomocą strzykawki. W następnej kolejności układ podłączono ze strzykawką wypełnioną alkoholem izopropylowym. Mikrokanały były płukane alkoholem przez 30 minut przy szybkości przepływu 4mL/h. Końcowy etap obejmował suszenie strumieniem powietrza, który był wprowadzany za pomocą strzykawki.
P r z y k ł a d 2
Układ mikroprzepływowy wykonany według procedury opisanej w [D. Ogończyk, J. Węgrzyn, P. Jankowski, B. Dąbrowski and P. Garstecki, Lab Chip, 2010, 10, 1324] został, na wejściu, połączony ze strzykawką wężykiem wykonanym z polietylenu, zaś wyjście połączono z odbieralnikiem wężem wyprowadzającym. Strzykawkę napełniano etanolowym roztworem dodecyloaminy o stężeniu 10%. Układ umieszczono w termostacie, którego temperatura wynosiła 60°C. Za pomocą pompy strzykawkowej przepuszczano z prędkością 2 mL/h roztwór DDA przez mikrokanały o wymiarach 400 x 400 μm. Po upływie 2 godzin układ został wyjęty z termostatu i doprowadzony do temperatury pokojowej. Następnie usunięto roztwór DDA z mikrokanałów używając strumienia powietrza, który był wprowadzany za pomoPL 218 755 B1 cą strzykawki. W następnej kolejności układ podłączono ze strzykawką wypełnioną alkoholem izopropylowym. Mikrokanały były płukane alkoholem przez 30 minut przy szybkości przepływu 4mL/h. Końcowy etap obejmował suszenie strumieniem powietrza, który był wprowadzany za pomocą strzykawki.
Podsumowanie wyników otrzymanych w w/w przykładach realizacji
Na fig. 1 przedstawiono schemat reakcji grup węglanowych poliwęglanu z grupami aminowymi dodecyloaminy, w wyniku której tworzą się wiązania uretanowe. Jednocześnie powierzchnia PC ulega modyfikacji, która nadaje jej silne właściwości hydrofobowe (alkilowe łańcuchy DDA).
W celu znalezienia optymalnych warunków prowadzenia reakcji modyfikacji testowi poddano: i) rodzaj użytego rozpuszczalnika (metanol, etanol czy izopropanol), ii) stężenie dodecyloaminy, iii) temperaturę, w której zachodzi reakcja, iv) czas reakcji.
Efekt rozpuszczalnika sprawdzano wykorzystując płytę PC i proste alkohole: metanol, etanol i izopropanol. Dla każdego z rozpuszczalników stosowano te same warunki reakcji: czas reakcji był równy 2 h, a stężenie użytej aminy wynosiło 5%. Dla etanolu i izopropanolu zastosowano temperaturę w przedziale od 25 do 70°C, zaś w przypadku metanolu, ze względu na jego stosunkowo niską temperaturę wrzenia (64,5°C), przedział ten wynosił 25 - 55°C. Najlepsze rezultaty otrzymano dla etanolu (fig. 2). W tym przypadku dla temperatur 60 i 70°C otrzymano najwyższe wartości kątów zwilżania. Ponadto, stwierdzono, iż różnica między wartościami tych kątów jest mało znacząca (w przeciwieństwie do izopropanolu, fig. 2), co jest wyjątkowo użyteczne w czasie prowadzenia reakcji modyfikacji ze względu na możliwość uzyskania stosunkowo jednorodnych pod względem jakościowym powierzchni bez konieczności wyjątkowo precyzyjnej kontroli temperatury.
Efekt temperatury reakcji i stężenia DDA testowano wykorzystując urządzenia mikroprzepływowe oraz wodny roztwór alginianu sodu o stężeniu 0,5%. W czasie eksperymentów badano wpływ temperatury w przedziale: 40 - 70°C dla różnych stężeń dodecyloaminy (2,5, 5 i 10% DDA w etanolu). Czas modyfikacji oraz szybkość przepływu wynosiły odpowiednio: 2 h i 2 mL/h. Wyniki eksperymentu przedstawiono na fig. 3. Najbardziej korzystne warunki reakcji modyfikacji powierzchni nadające charakter hydrofobowy mikrokanałom wykonanym z PC to: temperatura równa 60°C przy stężeniu DDA 5%. Przy temperaturze niższej niż 60°C występuje efekt zwilżania powierzchni mikrokanałów (fig. 3). Z kolei, dla temperatury T > 70°C otrzymane hydrofobowe warstwy nie są jednorodne i można zaobserwować wyraźne pęknięcia w otrzymywanej warstwie (fig. 3). Ponadto, w mikrokanałach modyfikowanych w tej temperaturze również występuje niepożądany efekt zwilżania.
Następnie badano wpływ czasu reakcji na jakość otrzymywanej warstwy hydrofobowej. Testowany zakres zawierał się w przedziale od 0,5 do 16 godzin. Eksperymenty prowadzono w temperaturze 60°C stosując 5% etanolowy roztwór DDA i płytę poliwęglanową. Analizując otrzymane dane, można zaobserwować pewną prawidłowość. Chropowatość modyfikowanej powierzchni PC bardzo mocno uwarunkowana jest czasem modyfikacji (fig. 4). Dłuższy czas reakcji modyfikacji prowadzi do uzyskania bardziej gładkich powierzchni (fig. 4d, e i f). Prawdopodobnie, reakcja DDA z poliwęglanem prowadzi do częściowej depolimeryzacji łańcuchów polimerowych, a wydłużanie czasu reakcji powoduje tworzenie coraz krótszych łańcuchów PC. Uzyskiwana hydrofobowość powierzchni PC jest rezultatem nie tylko chemicznej modyfikacji, lecz również zmiany faktury powierzchni (zmiana chropowatości). Ten punkt widzenia potwierdzają otrzymane wyniki badań XPS. Skład atomowy modyfikowanych w różnym czasie powierzchni był porównywalny/analogiczny. Topografia otrzymywanej warstwy ma istotny wpływ na uzyskiwaną hydrofobowość PC, a wartości kąta zwilżania znacząco maleją ze wzrostem czasu reakcji (fig. 4). Równolegle prowadzono prace badawcze nad efektem czasu reakcji modyfikacji z użyciem układów mikroprzepływowych (fig. 5). Uzyskane rezultaty wskazują, iż do uzyskania odpowiedniej, hydrofobowej powierzchni PC wymagany czas reakcji modyfikacji dla emulsji typu woda w oleju czy dla emulsji wodny roztwór alginianu sodu w oleju wynosi odpowiednio: 30 i 60 minut.
W następnej kolejności testowano stabilność uzyskanej, hydrofobowej warstwy. Do testów trwałości wykorzystano zmodyfikowaną powierzchnię mikrokanałów wykonanych z PC, której preparację/przygotowanie szczegółowo opisano w Przykładzie I. Test stabilności polegał na pracy ciągłej mikroukładu przepływowego przez 4 kolejne dni. W eksperymencie wykorzystano układ mikroprzepływowy o prostej geometrii ogniskującej. Szybkość przepływów 0,5% roztworu alginianu sodu oraz heksadekanu wynosiła odpowiednio: 5.5 i 10mL/h. Proces tworzenia emulsji w czasie przedstawiono na fig. 6, a otrzymane mikrożele alginianowe zaprezentowano na fig. 7. W ciągu 4 dni ciągłej pracy układu mikroprzepływowego nie zaobserwowano zmian jakościowych otrzymywanej emulsji czy mikrożeli alginianowych (fig. 6 i fig. 7).
Claims (7)
1. Sposób modyfikacji powierzchni mikrokanałów wykonanych w obiekcie poliwęglanowym, obejmujący etap przeprowadzenia roztworu modyfikującego przez te mikrokanały, znamienny tym, że roztwór modyfikujący zawiera pierwszorzędową aminę z łańcuchem alkilowym oraz alkohol alifatyczny przy czym pierwszorzędową amina zawiera co najmniej sześć atomów węgla w łańcuchu alkilowym, a korzystnie jest to dodecyloamina, DDA, zaś alkohol alifatyczny jest alkoholem wybranym z grupy składającej się z metanolu, etanolu, izopropanolu, n-propanolu i ich mieszanin, a korzystnie jest to etanol.
2. Sposób według zastrz. 1, znamienny tym, że stężenie pierwszorzędowej aminy z łańcuchem alkilowym w roztworze modyfikującym wynosi od 2,5% wagowych do 10% wagowych, korzystnie 5% wagowych.
3. Sposób według dowolnego z poprzedzających zastrzeżeń, znamienny tym, że etap przeprowadzenia roztworu modyfikującego przez mikrokanały odbywa się w temperaturze od 25°C do 70°C, korzystniej od 40°C do 70°C, a najkorzystniej około 60°C.
4. Sposób według dowolnego z poprzedzających zastrzeżeń, znamienny tym, że etap przeprowadzenia roztworu modyfikującego przez mikrokanały trwa od 30 minut do 16 godzin, korzystnie około 2 godzin.
5. Sposób według dowolnego z poprzedzających zastrzeżeń, znamienny tym, że w etapie przeprowadzenia roztworu modyfikującego przez mikrokanały zachodzi przepływ roztworu modyfikującego przez te mikrokanały.
6. Sposób według zastrz. 5, znamienny tym, że szybkość przepływu wynosi od 0,5 mL/h do 5 mL/h, korzystnie około 2 mL/h.
7. Sposób według dowolnego z poprzedzających zastrzeżeń, znamienny tym, że otrzymuje się powierzchnię, która jest hydrofobowa i do której wiązaniami uretanowymi przyłączone są łańcuchy alkilowe.
Priority Applications (2)
Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
---|---|---|---|
PL392411A PL218755B1 (pl) | 2010-09-16 | 2010-09-16 | Sposób modyfikacji powierzchni mikrokanałów wykonanych w obiekcie poliwęglanowym |
GB1115817.7A GB2483779B (en) | 2010-09-16 | 2011-09-13 | Method to modify surfaces of microchannels fabricated in a polycarbonate object and a polycarbonate object containing a microchannel modified with the method |
Applications Claiming Priority (1)
Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
---|---|---|---|
PL392411A PL218755B1 (pl) | 2010-09-16 | 2010-09-16 | Sposób modyfikacji powierzchni mikrokanałów wykonanych w obiekcie poliwęglanowym |
Publications (2)
Publication Number | Publication Date |
---|---|
PL392411A1 PL392411A1 (pl) | 2012-03-26 |
PL218755B1 true PL218755B1 (pl) | 2015-01-30 |
Family
ID=44908501
Family Applications (1)
Application Number | Title | Priority Date | Filing Date |
---|---|---|---|
PL392411A PL218755B1 (pl) | 2010-09-16 | 2010-09-16 | Sposób modyfikacji powierzchni mikrokanałów wykonanych w obiekcie poliwęglanowym |
Country Status (2)
Country | Link |
---|---|
GB (1) | GB2483779B (pl) |
PL (1) | PL218755B1 (pl) |
Family Cites Families (5)
Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
---|---|---|---|---|
DE1283524B (de) * | 1964-11-09 | 1968-11-21 | Eastman Kodak Co | Modifizieren der Oberflaechen von Formkoerpern aus Polycarbonaten |
JPS6420242A (en) * | 1987-07-15 | 1989-01-24 | Nippon Oils & Fats Co Ltd | Surface modification of carbonate resin |
DE10141707B4 (de) * | 2001-08-25 | 2008-07-24 | Chemetall Gmbh | Verfahren zur antistatischen Beschichtung von Kunststoff-Formteil-Oberflächen, von mit Kunststoff oder/und Lack beschichteten Formteilen und Verwendung der nach den Verfahren behandelten Kunststoff- oder/und Lackoberflächen |
WO2007047644A2 (en) * | 2005-10-14 | 2007-04-26 | The Regents Of The University Of California | Method for microchannel surface modification |
WO2010042784A2 (en) * | 2008-10-10 | 2010-04-15 | Massachusetts Institute Of Technology | Method of hydrolytically stable bonding of elastomers to substrates |
-
2010
- 2010-09-16 PL PL392411A patent/PL218755B1/pl not_active IP Right Cessation
-
2011
- 2011-09-13 GB GB1115817.7A patent/GB2483779B/en not_active Expired - Fee Related
Also Published As
Publication number | Publication date |
---|---|
GB2483779B (en) | 2017-05-24 |
PL392411A1 (pl) | 2012-03-26 |
GB2483779A (en) | 2012-03-21 |
GB201115817D0 (en) | 2011-10-26 |
Similar Documents
Publication | Publication Date | Title |
---|---|---|
Li et al. | Using printing orientation for tuning fluidic behavior in microfluidic chips made by fused deposition modeling 3D printing | |
Liu et al. | Microfluidic systems for biosensing | |
Kitsara et al. | Integration of functional materials and surface modification for polymeric microfluidic systems | |
Trinh et al. | Droplet-based microfluidics: Applications in pharmaceuticals | |
Chung et al. | Droplet dynamics passing through obstructions in confined microchannel flow | |
Wang et al. | Morphology-patterned anisotropic wetting surface for fluid control and gas–liquid separation in microfluidics | |
EP1358123A2 (en) | Method and structure for microfluidic flow guiding | |
Garcia et al. | Controlled microfluidic reconstitution of functional protein from an anhydrous storage depot | |
JP2009527225A (ja) | 補助的な流体移動制御によるマイクロ反応器 | |
Ainla et al. | Hydrodynamic flow confinement technology in microfluidic perfusion devices | |
Adam et al. | Design and fabrication of micro-mixer with short turns angles for self-generated turbulent structures | |
Yonemoto et al. | Wettability model for various-sized droplets on solid surfaces | |
Kim et al. | Plasma extraction in a capillary-driven microfluidic device using surfactant-added poly (dimethylsiloxane) | |
Zoupanou et al. | Innovative 3D microfluidic tools for on-chip fluids and particles manipulation: From design to experimental validation | |
Zhang et al. | Water‐vapor permeability control of PDMS by the dispersion of collagen powder | |
Li et al. | Rapid fabrication of microfluidic chips based on the simplest LED lithography | |
Alamoodi et al. | Droplet coalescence by selective wettability enhancement in microfluidic devices | |
Guo et al. | A bioinspired bubble removal method in microchannels based on angiosperm xylem embolism repair | |
CN108212231A (zh) | 一种微流宏观流体控芯片及其制备方法 | |
CN103308426B (zh) | 液体分子扩散系数的微流控测试方法 | |
Fan et al. | Bionic magnetic superhydrophobic and patterned surfaces for droplet programmable manipulation | |
Rodrigues et al. | Scalable Processing of Cyclic Olefin Copolymer (COC) Microfluidic Biochips | |
Ge et al. | Autonomous control of fluids in a wide surface tension range in microfluidics | |
PL218755B1 (pl) | Sposób modyfikacji powierzchni mikrokanałów wykonanych w obiekcie poliwęglanowym | |
Han et al. | Universal criterion for critical motion of droplets adhered on surfaces with different wettability in laminar flow |
Legal Events
Date | Code | Title | Description |
---|---|---|---|
LAPS | Decisions on the lapse of the protection rights |
Effective date: 20140916 |