WO2021260249A1 - Válvula microfluídica, procedimiento de fabricación y usos de la misma - Google Patents

Válvula microfluídica, procedimiento de fabricación y usos de la misma Download PDF

Info

Publication number
WO2021260249A1
WO2021260249A1 PCT/ES2021/070464 ES2021070464W WO2021260249A1 WO 2021260249 A1 WO2021260249 A1 WO 2021260249A1 ES 2021070464 W ES2021070464 W ES 2021070464W WO 2021260249 A1 WO2021260249 A1 WO 2021260249A1
Authority
WO
WIPO (PCT)
Prior art keywords
filaments
valve
succession
mechanical response
substrate
Prior art date
Application number
PCT/ES2021/070464
Other languages
English (en)
French (fr)
Inventor
Carlos SÁNCHEZ SOMOLINOS
Ignacio OCHOA GARRIDO
Luis Javier FERNÁNDEZ LEDESMA
Manuel DOBLARÉ CASTELLANO
Original Assignee
Consejo Superior De Investigaciones Científicas (Csic)
Universidad De Zaragoza
Priority date (The priority date is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the date listed.)
Filing date
Publication date
Application filed by Consejo Superior De Investigaciones Científicas (Csic), Universidad De Zaragoza filed Critical Consejo Superior De Investigaciones Científicas (Csic)
Priority to EP21829530.1A priority Critical patent/EP4170212A1/en
Priority to US18/012,467 priority patent/US20230258164A1/en
Priority to CN202180051669.1A priority patent/CN115989086A/zh
Publication of WO2021260249A1 publication Critical patent/WO2021260249A1/es

Links

Classifications

    • F—MECHANICAL ENGINEERING; LIGHTING; HEATING; WEAPONS; BLASTING
    • F04—POSITIVE - DISPLACEMENT MACHINES FOR LIQUIDS; PUMPS FOR LIQUIDS OR ELASTIC FLUIDS
    • F04B—POSITIVE-DISPLACEMENT MACHINES FOR LIQUIDS; PUMPS
    • F04B19/00—Machines or pumps having pertinent characteristics not provided for in, or of interest apart from, groups F04B1/00 - F04B17/00
    • F04B19/006—Micropumps
    • F—MECHANICAL ENGINEERING; LIGHTING; HEATING; WEAPONS; BLASTING
    • F16—ENGINEERING ELEMENTS AND UNITS; GENERAL MEASURES FOR PRODUCING AND MAINTAINING EFFECTIVE FUNCTIONING OF MACHINES OR INSTALLATIONS; THERMAL INSULATION IN GENERAL
    • F16K—VALVES; TAPS; COCKS; ACTUATING-FLOATS; DEVICES FOR VENTING OR AERATING
    • F16K99/00—Subject matter not provided for in other groups of this subclass
    • F16K99/0001—Microvalves
    • 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
    • B01L3/502738—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 integrated valves
    • B—PERFORMING OPERATIONS; TRANSPORTING
    • B81—MICROSTRUCTURAL TECHNOLOGY
    • B81B—MICROSTRUCTURAL DEVICES OR SYSTEMS, e.g. MICROMECHANICAL DEVICES
    • B81B3/00—Devices comprising flexible or deformable elements, e.g. comprising elastic tongues or membranes
    • B81B3/0018—Structures acting upon the moving or flexible element for transforming energy into mechanical movement or vice versa, i.e. actuators, sensors, generators
    • B—PERFORMING OPERATIONS; TRANSPORTING
    • B81—MICROSTRUCTURAL TECHNOLOGY
    • B81C—PROCESSES OR APPARATUS SPECIALLY ADAPTED FOR THE MANUFACTURE OR TREATMENT OF MICROSTRUCTURAL DEVICES OR SYSTEMS
    • B81C1/00—Manufacture or treatment of devices or systems in or on a substrate
    • B81C1/00015—Manufacture or treatment of devices or systems in or on a substrate for manufacturing microsystems
    • F—MECHANICAL ENGINEERING; LIGHTING; HEATING; WEAPONS; BLASTING
    • F04—POSITIVE - DISPLACEMENT MACHINES FOR LIQUIDS; PUMPS FOR LIQUIDS OR ELASTIC FLUIDS
    • F04B—POSITIVE-DISPLACEMENT MACHINES FOR LIQUIDS; PUMPS
    • F04B17/00—Pumps characterised by combination with, or adaptation to, specific driving engines or motors
    • F—MECHANICAL ENGINEERING; LIGHTING; HEATING; WEAPONS; BLASTING
    • F04—POSITIVE - DISPLACEMENT MACHINES FOR LIQUIDS; PUMPS FOR LIQUIDS OR ELASTIC FLUIDS
    • F04B—POSITIVE-DISPLACEMENT MACHINES FOR LIQUIDS; PUMPS
    • F04B43/00—Machines, pumps, or pumping installations having flexible working members
    • F04B43/12—Machines, pumps, or pumping installations having flexible working members having peristaltic action
    • F—MECHANICAL ENGINEERING; LIGHTING; HEATING; WEAPONS; BLASTING
    • F16—ENGINEERING ELEMENTS AND UNITS; GENERAL MEASURES FOR PRODUCING AND MAINTAINING EFFECTIVE FUNCTIONING OF MACHINES OR INSTALLATIONS; THERMAL INSULATION IN GENERAL
    • F16K—VALVES; TAPS; COCKS; ACTUATING-FLOATS; DEVICES FOR VENTING OR AERATING
    • F16K99/00—Subject matter not provided for in other groups of this subclass
    • F16K99/0001—Microvalves
    • F16K99/0034—Operating means specially adapted for microvalves
    • F16K99/0042—Electric operating means therefor
    • F16K99/0049—Electric operating means therefor using an electroactive polymer [EAP]
    • B—PERFORMING OPERATIONS; TRANSPORTING
    • B01—PHYSICAL OR CHEMICAL PROCESSES OR APPARATUS IN GENERAL
    • B01L—CHEMICAL OR PHYSICAL LABORATORY APPARATUS FOR GENERAL USE
    • B01L2400/00—Moving or stopping fluids
    • B01L2400/06—Valves, specific forms thereof
    • B01L2400/0633—Valves, specific forms thereof with moving parts
    • B01L2400/0661—Valves, specific forms thereof with moving parts shape memory polymer valves
    • B—PERFORMING OPERATIONS; TRANSPORTING
    • B01—PHYSICAL OR CHEMICAL PROCESSES OR APPARATUS IN GENERAL
    • B01L—CHEMICAL OR PHYSICAL LABORATORY APPARATUS FOR GENERAL USE
    • B01L2400/00—Moving or stopping fluids
    • B01L2400/06—Valves, specific forms thereof
    • B01L2400/0633—Valves, specific forms thereof with moving parts
    • B01L2400/0672—Swellable plugs
    • B—PERFORMING OPERATIONS; TRANSPORTING
    • B01—PHYSICAL OR CHEMICAL PROCESSES OR APPARATUS IN GENERAL
    • B01L—CHEMICAL OR PHYSICAL LABORATORY APPARATUS FOR GENERAL USE
    • B01L2400/00—Moving or stopping fluids
    • B01L2400/06—Valves, specific forms thereof
    • B01L2400/0677—Valves, specific forms thereof phase change valves; Meltable, freezing, dissolvable plugs; Destructible barriers
    • 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
    • B81—MICROSTRUCTURAL TECHNOLOGY
    • B81B—MICROSTRUCTURAL DEVICES OR SYSTEMS, e.g. MICROMECHANICAL DEVICES
    • B81B2201/00—Specific applications of microelectromechanical systems
    • B81B2201/03—Microengines and actuators
    • B81B2201/036—Micropumps
    • B—PERFORMING OPERATIONS; TRANSPORTING
    • B81—MICROSTRUCTURAL TECHNOLOGY
    • B81B—MICROSTRUCTURAL DEVICES OR SYSTEMS, e.g. MICROMECHANICAL DEVICES
    • B81B2201/00—Specific applications of microelectromechanical systems
    • B81B2201/05—Microfluidics
    • B81B2201/054—Microvalves
    • F—MECHANICAL ENGINEERING; LIGHTING; HEATING; WEAPONS; BLASTING
    • F16—ENGINEERING ELEMENTS AND UNITS; GENERAL MEASURES FOR PRODUCING AND MAINTAINING EFFECTIVE FUNCTIONING OF MACHINES OR INSTALLATIONS; THERMAL INSULATION IN GENERAL
    • F16K—VALVES; TAPS; COCKS; ACTUATING-FLOATS; DEVICES FOR VENTING OR AERATING
    • F16K99/00—Subject matter not provided for in other groups of this subclass
    • F16K2099/0073—Fabrication methods specifically adapted for microvalves
    • F—MECHANICAL ENGINEERING; LIGHTING; HEATING; WEAPONS; BLASTING
    • F16—ENGINEERING ELEMENTS AND UNITS; GENERAL MEASURES FOR PRODUCING AND MAINTAINING EFFECTIVE FUNCTIONING OF MACHINES OR INSTALLATIONS; THERMAL INSULATION IN GENERAL
    • F16K—VALVES; TAPS; COCKS; ACTUATING-FLOATS; DEVICES FOR VENTING OR AERATING
    • F16K99/00—Subject matter not provided for in other groups of this subclass
    • F16K2099/0082—Microvalves adapted for a particular use
    • F16K2099/0084—Chemistry or biology, e.g. "lab-on-a-chip" technology
    • F—MECHANICAL ENGINEERING; LIGHTING; HEATING; WEAPONS; BLASTING
    • F16—ENGINEERING ELEMENTS AND UNITS; GENERAL MEASURES FOR PRODUCING AND MAINTAINING EFFECTIVE FUNCTIONING OF MACHINES OR INSTALLATIONS; THERMAL INSULATION IN GENERAL
    • F16K—VALVES; TAPS; COCKS; ACTUATING-FLOATS; DEVICES FOR VENTING OR AERATING
    • F16K99/00—Subject matter not provided for in other groups of this subclass
    • F16K2099/0082—Microvalves adapted for a particular use
    • F16K2099/0094—Micropumps

Definitions

  • the present invention belongs to the field of microfluidics. More specifically, the invention refers to a new microfluidic actuator technology, these being preferably valves, which present a mechanical and functional response when subjected to external stimuli, such as changes in light intensity, temperature, pH, humidity or electromagnetic field, among others.
  • Microfluidic devices also known as microfluidic chips, enable the precision handling of small amounts of fluid samples, facilitating reliable, fast, accurate, and high-throughput analytical assays.
  • the advance in the microfluidics area has had a great impact in the field of biomedicine, contributing to the development of new tools for drug detection, biological studies and in situ diagnostics, this field also being very promising for the advancement of the personalized medicine.
  • microfluidics is also a crucial technology in other areas that require fast and inexpensive analytical tools, such as the monitoring and control of environmental contamination, the detection of biological risks or the food industry, among others.
  • CAGR compound annual growth rate
  • microfluidic devices require large and expensive auxiliary equipment that is arranged outside the chip, in order to control the flows of liquid within said chip or to perform analytical tasks on said flows.
  • different existing solutions have tried to integrate all these elements within the chip itself at the laboratory level, the small intrinsic size and complexity of these devices, as well as the difficulties in processing different types of materials in them, make the integration of all required functions in a single device is only feasible on a laboratory scale. This prevents, for the moment, that it is possible to develop autonomous microfluidic devices with current technologies, which are industrially viable and marketable.
  • the present invention is intended to solve the aforementioned problems, allowing the manufacture of novel microfluidic devices that can perform different mechanical functions of the chip, in response to the application of external stimuli such as temperature, light, pH or other physical-chemical properties. , thus being able to command remotely and operating dynamically.
  • the present invention proposes the use of the mechanical response capacity of networks or liquid crystal elastomers (LCN or LCE, for its acronym in English “Liquid crystal network” or “liquid crystal elastomer ”) to certain external stimuli (light, temperature, etc.).
  • LCN and LCE can be obtained from a liquid crystal polymer (LCP) that undergoes a crosslinking process of its polymer chains. This last material can be applied in a controlled way using additive manufacturing techniques and, once cross-linked, give rise to LCN or LCE that allow the configuration of active microfluidic valves with mechanical response capacity to changes in physico-chemical magnitudes such as lighting. , humidity, pH, temperature or electromagnetic field, among others.
  • said mechanical response makes it possible to regulate the flow of a fluid in a microfluidic device, for example, in the form of a valve, regulating or driving said fluid in a larger circuit or system, in a variable way over time.
  • the additive printing processes of LCPs and their transformation into LCEs or LCNs with the aforementioned functional properties will be called, within the scope of the invention, as “4D printing” processes (due to their responsiveness in time, considering this as the fourth dimension).
  • the local anisotropy of the printed materials is achieved, so that the long polymer chains of the LCPs are oriented in the direction of movement of the needle that defines the direction of the filament during its deposition on other materials that act as a substrate, which leads to a precise control of the morphology of the LCE or LCN resulting from the cross-linking of the LCP chains that allows, later, to perform the required microfluidic flow regulation functions.
  • the decrease in the molecular order of the cross-linked LCPs, induced by an external stimulus, such as temperature, light, etc. leads to the contraction of the material along the orientation direction.
  • LCP will be used to refer to the inks used in the scope of the invention, the interpretation of said term will include not only the polymeric chains of liquid crystal, but also the monomers of liquid crystal, as well such as their combinations and, in general, to any material that, when deposited, acquires anisotropy, due to the preferential orientation of its components.
  • a main object of the invention relates to a method of manufacturing a microfluidic valve that comprises carrying out the following steps:
  • a substrate configuring a structural portion of the valve, wherein said substrate comprises at least one material that is mechanically inert to one or more physicochemical properties over time;
  • Said material comprises at least one LCP and is printed as a succession of one or more filaments, configuring a functional portion of the valve;
  • said manufacturing method comprises an additional step of arranging the succession of material filaments with mechanical response on the mechanically inert material substrate by applying an anti-adhesion treatment on one or more interfaces of said filaments and the substrate.
  • the substrate and the succession of filaments configure, at least partially, a volume of passage of a fluid through the valve, where the succession of filaments of the material with mechanical response is arranged, in said volume, in such a way that the variation of one or more of the physicochemical parameters induces an alteration in the molecular order of the LCP, contracting or expanding its polymeric chains along a longitudinal or transverse direction of the filaments, and leading to the reduction or increase of the fluid flow volume.
  • the cases in which the material with mechanical response is printed directly on the substrate that is part of the valve structure such as those in which the material with mechanical response is printed on a first substrate on a temporary basis (as a support to manufacturing ) and that, later, is transferred or connected with a second substrate that is the one that is part of the valve structure.
  • the valves obtained with the technology of the invention allow to establish a precise programming of the magnitude and directionality of the forces applied to the volume configured by the substrate and the material with mechanical response, and that allows to regulate the flow rates of fluid that they circulate through a microfluidic system.
  • the invention allows obtaining complex geometries and functions, which cannot be obtained with the processing technologies for available LCPs. nowadays.
  • the invention also makes it possible to generate other more complex functions, such as, for example, the opening of pores or even their rotation of the functional portions of the valves, thus offering new possibilities and functions of shape transformation.
  • known liquid crystal (LC) actuator technologies The 4D printing concept of LCPs can potentially extend to both temperature and light, as well as a wide variety of external stimuli, such as electric and magnetic fields, pH or humidity, among others, if the right materials are provided, prepared with the appropriate molecular switches or functional groups.
  • these actuators can be manufactured directly on other substrates or devices, as well as on large surfaces, bringing the proposed technology one step closer to industrial production.
  • the described printing procedure allows the integration of LCP elements with mechanical response, printed in 3D, with inert materials commonly used in microfluidics, such as polydimethylsiloxane (PDMS), which allows the preparation of compliant composite devices, where the functional portion of the valve deforms and protrudes, acting for example as a lens.
  • PDMS polydimethylsiloxane
  • the 4D printing process of LCP materials of the invention represents a promising opportunity to generate dynamically adjustable systems, such as valves or microfluidic pumps, that can be integrated into microfluidic devices according to the specific embodiments described below.
  • the succession of filaments of the material with mechanical response is arranged, in said fluid passage volume, as a plurality of substantially parallel filaments, forming a rectangular or square surface.
  • the succession of filaments of the material with mechanical response is arranged, in said volume of fluid passage, adopting a substantially flat radial distribution, where each filament starts from a central region common to the rest of the filaments.
  • the succession of filaments of the material with mechanical response is arranged, in said fluid passage volume, as an azimuthal distribution or as an approximation to it, more easily implemented in practice, a substantially flat spiral , from a central region common to one or more filaments.
  • the method comprises the additional step of modifying the surface to promote adhesion between the constituent elements.
  • This modification can consist, for example, in exposing the corresponding surfaces to ozone generated by ultraviolet (UV) radiation, oxygen plasma or other gases.
  • a coupling agent can be applied between at least a portion of the mechanically responsive material and the substrate. More preferably, the coupling agent is of the organic-inorganic hybrid type (eg amino-, mercapto- or epoxy-silanes).
  • the anti-adhesion treatment comprises: the addition of a chemical agent with anti-adherence capacity to the LCP, preferably one or more fluorinated modifiers or long-chain aliphatic silanes, such as nonyl trichlorosilane, octadecyl trichlorosilane, octyl trichlorosilane, fluoro- n-octyl trichlorosilane or fluoro-n-octyl trimethoxysilane; and / or the introduction of micro-roughness in the contact surface of the mechanically inert material substrate with the succession of filaments; and / or the use of materials with a surface energy lower than 40 mJ / m 2 for the manufacture of the substrate and / or the succession of filaments; and / or the application of a non-stick coating to the substrate of mechanically inert material and / or to the succession of printed filaments; me the spatial separation
  • said process comprises the additional arrangement of one or more layers of mechanically inert material subsequent to the printing of the material with mechanical response, configuring one or more additional elements of the structural portion of the valve.
  • said process may comprise a step of applying an antiadhesion treatment on one or more of the additional layers of mechanically inert material to avoid irreversible adhesion between them, with the substrate and / or with the succession of filaments.
  • it comprises a stage of applying a curing treatment after the completion of the printing of the material with mechanical response. More preferably, said curing step is carried out selectively in certain regions of the valve, and / or applied by a succession of multiple cures on said regions.
  • the printing of the succession of material filaments with mechanical response is carried out in a three-dimensional shape and, more preferably, in a conical shape following a radial distribution.
  • said succession of filaments modifies its shape towards a cone of lower height and wider base, allowing the realization, for example, of valves. reversed or permanently closed; that is, those that, in the absence of an external stimulus, prevent the passage of fluid, allowing it otherwise.
  • a second object of the invention relates to a valve for regulating the passage of a fluid through a microfluidic device which, advantageously, is manufactured according to a process according to any of the embodiments described herein.
  • the material with mechanical response comprises a mixture of at least one main chain LCP with reactive acrylate groups at the end of said chain, together with one or more photoinitiators.
  • the LCP once the LCE or LCN has been cross-linked and formed, has a mechanical response to change in lighting, temperature, humidity, pH or electromagnetic field. More preferably, the LCE or LCN has a mechanical response to light (both photochemical and photothermal).
  • the Incorporation of photoactive functionality can be addressed primarily using two different strategies. On the one hand, a first strategy is based on the incorporation of photoisomerizable units, such as azobenzene, spiropyran, diarethylenes or rotaxanes that, when irradiated in their absorption bands, undergo isomerizations between their trans states, in an elongated and therefore favorable shape.
  • a second strategy is based on the incorporation of molecules or nano-objects with absorption. As they are irradiated in their absorption bands, both very efficiently release heat that is transferred to the material in which they are incorporated, the LCE in the present case, thus producing mechanical performance. It is also possible to use absorbent chromophores, capable of absorbing light of a wavelength and efficiently transforming light energy into heat, such as benzophenones, rhodamines, stilbenes, coumarins or benzotriazole.
  • the substrate comprises PDMS or a cyclic olefin polymeric structure.
  • the structural portion of the valve comprises: one or more anti-adhesion holes arranged between said structural portion and the mechanically responsive material of the functional portion of said valve; and / or micro-roughness disposed between said structural portion and the responsive material of the functional portion of the valve; and / or a mechanically inert material with a surface energy lower than 40 mJ / m 2 ; and / or a non-stick coating.
  • a third object of the invention refers to a peristaltic pump comprising at least one valve according to any of the embodiments described herein, configured in combination with a passive flow restriction element; or configured as a successive arrangement of two or more valves according to any of the embodiments described herein.
  • a fourth object of the invention refers to a microfluidic system comprising a valve according to any of the embodiments described herein, in combination with an actuator of said valve comprising means adapted to regulate a physical-chemical property to which the material with mechanical response that makes up the functional portion of said valve is sensitive.
  • a fifth object of the invention refers to the use of a microfluidic valve, a peristaltic pump or a system according to any of the embodiments described herein, in in vitro biomedical analyzes, in drug detection analyzes, in in vitro biological studies, in the monitoring and control of environmental contamination, in the detection of biological risks, in food analysis or in the manufacture of organ-on-chip devices.
  • microfluidic devices (“organ on chip”) provide a physiologically relevant biomimetic model, which allows a better understanding of the specific functions and responses of tissues and organs and, therefore, the reaction to pharmacological treatments or the evolution of certain pathologies. , thus contributing to the development of new tools for conducting new physiological studies, drug development and screening, toxicology and for personalized medicine.
  • the physicochemical property regulation means comprise a lighting subsystem, a temperature regulation subsystem, a humidity regulation subsystem, a pH regulation subsystem or a electromagnetic field regulation subsystem.
  • the expression "with mechanical response over time” will be interpreted as the property of a material whose molecular structure is altered over time by the external application of one or more physico-chemical quantities, such as lighting, temperature, humidity, pH or electromagnetic field, among others.
  • said property is, within the scope of the invention, reversible, in the sense that if the applied physical-chemical quantity returns to a previous state or is applied under other conditions or in combination with other physical-chemical quantities or stimuli, it is possible to return the molecular structure of the material to its original state.
  • the mechanical response property will be interpreted as the ability to modify the structure of the functional portion of said valve, to the point that it can drive or regulate the passage of fluids in a microfluidic device or system.
  • the term "mechanically inert over time” will be construed as the substantial absence of mechanical reactivity over time in a material.
  • the term “substantially” shall be construed as identical or within a range of ⁇ 10%.
  • structural portion of the valve will be interpreted as that portion that configures the shape and general structure of the valve, being made up of mechanically inert materials that do not undergo substantial reversible changes in their shape in the event of variations. of one or more physicochemical parameters.
  • the expression "functional portion of the valve” will be interpreted as that portion that configures the mobile and actuation elements of the valve, being made up of materials with mechanical response that undergo substantial reversible changes in their shape before variations of one or more physicochemical parameters.
  • anti-adhesion treatment will be interpreted as that treatment that prevents irreversible adherence, total or partial, between: the succession of material filaments with mechanical response and the mechanically inert material substrate; and / or the succession of filaments of material with mechanical response and one or more of the additional layers of mechanically inert material; and / or the substrate of mechanically inert material and one or more of the additional layers of mechanically inert material; and / or two or more of the additional layers of mechanically inert material.
  • the following examples will also be understood to be understood: the addition of a chemical agent with non-stick capacity to the LCP; the introduction of micro-roughness in the contact surface of the substrate of mechanically inert material with the succession of filaments and / or one or more of the additional layers of mechanically inert material; introducing micro-roughness into one or more of the additional layers of mechanically inert material; the use of low surface energy materials for the manufacture of the substrate, the succession of filaments, and / or one or more of the additional layers of mechanically inert material, with "low surface energy material” being understood as one with a lower surface energy at 40 mJ / m 2 ; applying a release coating to the substrate, to the succession of filaments and / or to one or more of the additional layers of mechanically inert material; the spatial separation of the succession of filaments from the substrate and / or from one or more of the additional layers of mechanically inert material, or any other arrangement thereof intended to limit or prevent their adhesion to said substrate
  • Figure 1 shows an example of a microfluidic valve according to the present invention, in a preferred embodiment thereof.
  • Figures 2a-2c show three examples of the two-dimensional printing pattern of a material with mechanical response that can be used for the manufacture of a microfluidic valve of the invention, according to three preferred embodiments thereof.
  • Figure 3 shows an example of the general principle of operation of the microfluidic valve of the invention, according to a preferred embodiment thereof.
  • Figure 4 shows an example of the microfluidic valve of the invention, according to a preferred embodiment thereof implemented as a reverse valve.
  • Figure 5a shows an example of a three-dimensional printing pattern of a material with mechanical response for the manufacture of a microfluidic valve of the invention.
  • Figure 5b shows a preferred embodiment thereof, implemented as a reverse valve.
  • Figure 6 shows a sequential arrangement of microfluidic valves according to the invention, configured as a peristaltic pump whose stages can be activated with light radiation of different wavelengths.
  • Figures 7a-7b show examples of a valve and a peristaltic pump according to the invention, respectively, where the substrate thereof incorporates holes that act as anti-adhesion means.
  • the process for manufacturing microfluidic valves essentially comprises at least the following steps:
  • a substrate (1) is arranged configuring a structural portion of the valve, where said substrate (1) comprises at least one material that is mechanically inert to one or more physical-chemical properties over time.
  • a succession of one or more filaments (2) of a material with mechanical response to one or more of said physical-chemical properties over time is printed, by means of additive manufacturing, where said material with mechanical response comprises at least one LCP, and where the printed filaments (2) configure a functional portion of the valve.
  • the succession of filaments (2) of material with mechanical response is arranged on the substrate (1) of mechanically inert material applying an anti-adhesion treatment on one or more contact surfaces between said filaments (2) and the substrate (1).
  • the substrate (1) and the succession of filaments (2) of material with mechanical response configure, at least partially, a volume (3) for the passage of a fluid through the valve.
  • the succession of filaments (2) of the material with mechanical response is arranged, in the aforementioned volume (3), so that the variation of one or more of the physical-chemical parameters (for example, by lighting to a certain range frequency) induces an alteration in the molecular order of the PCL, contracting or expanding the material along the longitudinal or transverse direction of the filaments (2) respectively, and leading to the reduction or increase of the volume (3) of passage fluid.
  • the configuration of the passage volume (3) shown in Figure 1 therefore adopts a channel shape, being able to be configured either with a curved channel geometry, which fits the actuator in the actuated state, or it can use a flat top. acting on a channel, opening or closing it depending on the state of the valve (not actuated or actuated), as shown in Figure 3.
  • This configuration is also advantageous, since the area of the functional portion in contact with the wall opposite of the structural portion is partial, which facilitates its subsequent detachment when the materials with mechanical response return to their initial state (not actuated).
  • the stiffness of the material with mechanical response used for printing the succession of filaments (2) influence the degree of deformation of the functional portion of the valve. An excessive increase in these parameters reduces the deformation, negatively affecting the performance of the valve.
  • the succession of filaments (2) comprises LCPs which, when printed, give rise to a cross-linked polymeric system of the LCE type with Young's modulus of the order of MPa or LCN type with Young's modulus of GPa.
  • the longitudinal and / or transverse dimensions of the resulting LCE or LCN sheet are between 1-20 mm and its thickness between 50-1500 pm.
  • the adhesion between the substrate (1) and the succession of filaments (2) also plays a key role in the performance of the valve, and may even cancel its functionality if said adhesion is irreversible. While it is true that the presence of liquids can reduce adhesion between certain surfaces, it is also known that adhesion between surfaces in liquid increases significantly with contact time. This last scenario is the one that occurs when the liquid is expelled from the contact area between the substrate (1) and the succession of filaments (2). For this reason, it is essential to prevent or control this adhesion by applying an anti-adhesion treatment.
  • said anti-adhesion treatment comprises: the addition of a chemical agent with anti-adhesion capacity to the LCP, preferably one or more fluorinated modifiers or long-chain aliphatic silanes comprising, for example, nonyl trichlorosilane, octadecyl trichlorosilane, octyl trichlorosilane, fluoro-n- octyl trichlorosilane or fluoro-n-octyl trimethoxysilane; and / or the introduction of micro-roughness on the contact surface of the substrate (1) of mechanically inert material with the succession of filaments (2) (for example, by sandblasting using glass or metal as mechanically inert material), preferably with a mean square roughness value, or mean square deviation of the profile, of the order of the miera since, under these conditions, it is known that the adhesion between elastomers and rigid surfaces decreases considerably [
  • inks whose rheology leads, after printing and, optionally, curing, to LCP filaments (2) with controlled morphology.
  • said inks preferably comprise a mixture of main chain LCPs with reactive acrylate groups at the end of the chain, together with a small amount of photoinitiator.
  • the liquid crystal polymer with mechanical response preferably contains absorbent molecular units incorporated in its main chain, either with photoresponse (for example, azobenzene, spiropyran, etc.), which undergo conformational changes when absorbing light, disturbing the liquid crystal order.
  • the polymer is obtained mainly through a Michael addition process, making a mixture of mesogenic diacrylates with reactive units, which are in turn mixed with n-butylamine in a molar ratio close to 1, with an excess of diacrylate to ensure the formation of polymer chains, through the Michael addition reaction, with groups acrylate terminals that can react later, in a second stage carried out by photopolymerization.
  • the amine-acrylate chemistry has been used as an example, although it is also possible to use other reactions for the formation of the reactive chains, such as thiol-acrylate, amine-epoxy, etc., leading to the same effect.
  • the inks thus prepared generally have a viscoelastic behavior, the easy formation of long and thin filaments (2) being possible, simply by printing them from the polymeric material, generating well-oriented fibers, with the mesogenic monomers aligned in the printing direction.
  • Other possibilities also include the use of photochemical or photothermic materials, such as, for example, inks that contain nanoparticles or molecules that transform light into heat. Magnetothermic effects can also be used within the scope of the invention, in different preferred embodiments thereof.
  • the substrate (1) of the valve preferably comprises one or more biocompatible materials, selected for example from those commonly used in microfluidic applications, such as PDMS or cyclic olefin polymeric structures.
  • Figures 2a-2c show three examples of configurations adopted by the filaments (2) of material with mechanical response for manufacturing different preferred embodiments of the valves of the invention.
  • Figure 2a shows a succession of filaments (2) of material with mechanical response arranged as a plurality of substantially parallel lines, forming a rectangular or square surface. This configuration is the one adopted, for example, by the valve of Figure 1.
  • Figure 2b the succession of filaments (2) of material with mechanical response is arranged adopting a substantially flat radial distribution, where each filament ( 2) part of a central region (4) common to the rest of the filaments (2).
  • the succession of filaments (2) of material with mechanical response is arranged, in said volume (3) of fluid passage, as an azimuthal distribution and, as an approximation to that in a continuous path , a substantially flat spiral, starting from a central region (4) common to one or more of the filaments (2).
  • a possible problem with compound actuators subjected to mechanical stress is delamination of one or more of the materials used.
  • specific chemistries can be applied to the latter.
  • the exposure of the corresponding surfaces to ozone generated by ultraviolet radiation (UV), oxygen plasma or other gases, or treatments with Hybrid organic-inorganic coupling agents for acrylate-based inks such as 3-aminopropyltriethoxysilane, 3-aminopropyltrimethoxysilane, 3-aminopropyl trichlorosilane, 3-mercaptopropyl trimethoxysilane, 3-mercaptopropyl triethoxysilane, 3-methacryloxy propyl trimethoxysilane.
  • UV ultraviolet radiation
  • oxygen plasma or other gases treatments with Hybrid organic-inorganic coupling agents for acrylate-based inks, such as 3-aminopropyltriethoxysilane, 3-aminopropyltrimethoxysilane, 3-aminopropyl trichlorosilane, 3-mercaptopropyl trimethoxysilane, 3-mercaptopropyl triethoxysilane,
  • the manufacturing process can also comprise the additional arrangement of one or more layers (5) of mechanically inert material after printing the succession of filaments (2) with mechanical response, configuring one or more elements additional components of the structural portion of the valve.
  • said procedure may comprise a step of applying an anti-adhesion treatment on one or more of the additional layers (5) of mechanically inert material to avoid irreversible adhesion between them (5), with the substrate (1) and / or with the succession of filaments (2).
  • the manufacturing process can also comprise a stage of applying a curing treatment, preferably after the completion of printing of the filaments (2) of material with mechanical response.
  • Said curing step can be carried out selectively in certain regions of the valve, where optionally a succession of multiple cures can be applied on said regions.
  • the process of the invention also makes it possible to print filaments (2) that are deformed (for example, by an external mechanical action) before curing. This possibility is interesting for certain complex valve or actuator designs.
  • the method of the invention also allows printing multistable filament structures (2), obtaining different deformations in each cure.
  • a PDMS substrate (1) on which the LCP filaments (2) are printed it is possible to use a PDMS substrate (1) on which the LCP filaments (2) are printed.
  • the LCP-PDMS composite system can be manufactured by 3D printing the LCP material on the PDMS, the latter being configured in the form of a film, chip, or a pre-fabricated chip precursor piece. Additional PDMS material can be added and cured to complete the chip manufacturing process.
  • the 3D printed LCP element can also be embedded within the PDMS or on its bottom.
  • the stripes of the material with mechanical response to light (6) can be 3D printed, to create a membrane with its orientation of director of the LCP parallel to the direction of the channel on the PDMS block, on top of the thin PDMS membrane base of the channel (as shown in Figure 1).
  • the illumination on the active LCP element produces the expansion of the band along the direction perpendicular to the channel. If it is confined between two sufficiently thick fixed walls, the band bends blocking the flow of fluid through the channel, thus acting as a valve, according to the object of the invention.
  • the non-actuated valve closes the channel.
  • the light actuation (6) opens the valve, allowing liquid to flow as shown in the embodiment of Figure 4, thereby configuring a reverse valve design.
  • the succession of filaments (2) with essentially flat configurations (such as those shown in Figs. 1-4), it is also possible to print said filaments (2) with a three-dimensional shape, preferably with a conical shape following a radial distribution as shown in Fig. 5a.
  • said succession of filaments (2) modifies its shape towards a cone of lower height and wider base, allowing the realization of reverse valves as shown in Fig. 5b. In the absence of external stimulus, this type of valve prevents the passage of fluid, allowing it otherwise.
  • the materials with mechanical response of the functional portion can be actuated in a manner Independent with three beams of light that illuminate each of them in isolation.
  • they can be manufactured with materials sensitive to different wavelengths (for example, red (R), green (G) and infrared (IR) in said figure), and / or each valve being actuated by different lights (6).
  • R red
  • G green
  • IR infrared
  • Irradiation with appropriate light intensities and sequences (6) thus causes a unidirectional flow of the fluid.
  • the peristaltic pump as a combination of one or more valves according to any of the embodiments described herein and of a passive flow restriction element.
  • a valve design is represented where the structural portion of said valve (and, preferably, its substrate (1)) comprises one or more holes (7) that act as anti-adhesion means, given that the use of geometries that minimize the contact between parallel surfaces decreases the adhesion between them.
  • Another object of the invention refers to a microfluidic system that comprises a valve as described in combination with an actuator of said valve, wherein said actuator comprises means adapted to regulate a physico-chemical property to which the material is sensitive. mechanical response that makes up the functional portion of said valve.
  • actuators can be:
  • Light can be applied through the use of light sources such as LEDs or lasers that can preferably be part of an external device that controls the microfluidic chip.
  • the chip can incorporate resistive elements close to the LCE / LCN, so that when a current is applied, heat dissipates, actuating the valve.
  • the chip could in this case have contact electrodes that are connected to an external control module.
  • the chip may incorporate adjacent to the LCE a light absorbing sheet that is capable of transforming light radiation into heat in the LCE and activating it.
  • Humidity or pH For this, materials are used that incorporate, for example, hydrogen bridges, both in the LCE / LCN and in an adjacent sheet. The application of solutions of suitable pH can weaken these bonds, changing the mechanical properties.
  • Magnetothermic By incorporating additives both in the LCE / LCN and in an adjacent sheet that provide magnetothermic properties to the material, such as iron nanoparticles, it is possible to heat the LCE / LCN by applying a magnetic field and, with it, operate the system.

Landscapes

  • Engineering & Computer Science (AREA)
  • General Engineering & Computer Science (AREA)
  • Chemical & Material Sciences (AREA)
  • Mechanical Engineering (AREA)
  • Dispersion Chemistry (AREA)
  • Analytical Chemistry (AREA)
  • Health & Medical Sciences (AREA)
  • Microelectronics & Electronic Packaging (AREA)
  • Computer Hardware Design (AREA)
  • General Health & Medical Sciences (AREA)
  • Hematology (AREA)
  • Clinical Laboratory Science (AREA)
  • Chemical Kinetics & Catalysis (AREA)
  • Manufacturing & Machinery (AREA)
  • Micromachines (AREA)

Abstract

La presente invención se refiere a un procedimiento de fabricación de una válvula microfluídica, que comprende: disponer un sustrato (1) de material mecánicamente inerte a una o más propiedades físico-químicas en el tiempo configurando una porción estructural de la válvula; imprimir, mediante fabricación aditiva, una sucesión de uno o más filamentos (2) de un material con respuesta mecánica a una o más de dichas propiedades físico- químicas en el tiempo, preferentemente LCP, configurando una porción funcional de la válvula; y disponer la sucesión de filamentos (2) sobre el sustrato (1) configurando un volumen (3) de paso de un fluido a través de la válvula mediante la aplicación de un tratamiento antiadhesión sobre una o más interfaces de dichos filamentos (2) y el sustrato (1). De esta manera, la variación de uno o más parámetros físico-químicos induce una alteración en el orden molecular del LCP, contrayendo o expandiendo sus cadenas poliméricas a lo largo de una dirección longitudinal o transversal de los filamentos (2), y conduciendo a la reducción o al aumento del volumen (3) de paso de fluido.

Description

DESCRIPCIÓN
VÁLVULA MICROFLUÍDICA, PROCEDIMIENTO DE FABRICACIÓN Y USOS DE LA MISMA
El proyecto que dio lugar a esta solicitud recibió financiación del programa de investigación e innovación Horizonte 2020 de la Unión Europea en virtud del acuerdo de subvención n° 829010.
CAMPO DE LA INVENCIÓN
La presente invención pertenece al campo de la microfluídica. Más concretamente, la invención se refiere a una nueva tecnología de actuadores microfluídicos, siendo éstos preferentemente válvulas, que presentan una respuesta mecánica y funcional al ser sometidos a estímulos externos, tales como cambios de intensidad lumínica, temperatura, pH, humedad o campo electromagnético, entre otros.
ANTECEDENTES DE LA INVENCIÓN
Los dispositivos microfluídicos, también denominados como chips microfluídicos, permiten manipular con precisión pequeñas cantidades de muestras de fluidos, facilitando la realización de ensayos analíticos fiables, rápidos, precisos y de alto rendimiento. El avance en el área de la microfluídica ha tenido un gran impacto en el campo de la biomedicina, contribuyendo al desarrollo de nuevas herramientas para la detección de drogas, estudios biológicos y diagnósticos in situ, resultando también este campo muy prometedor para el avance de la medicina personalizada. Además de en el ámbito de la salud, la microfluídica es también una tecnología crucial en otras áreas que requieren herramientas analíticas rápidas y económicas, tales como la monitorización y el control de la contaminación ambiental, la detección de riesgos biológicos o la industria alimentaria, entre otros. Como resultado, se espera que el mercado relativo a la microfluídica continúe creciendo a una tasa de crecimiento anual compuesto (CAGR) del 19% durante los próximos cinco años (estimado en 9 mil millones de euros en 2021).
La mayoría de los dispositivos microfluídicos actuales necesitan equipos auxiliares grandes y costosos que se disponen fuera del chip, con el objetivo de controlar los flujos de líquido dentro de dicho chip o para realizar tareas analíticas sobre dichos flujos. Ello hace que el coste de las plataformas microfluídicas sea alto, típicamente superior a 20.000 €, y las operaciones de las mismas sólo pueden ser realizadas, generalmente, por personal altamente especializado (ver, por ejemplo, J. ter Schiphorst etal., Lab Chip (2018) 18, 699). Si bien en diferentes soluciones existentes se ha intentado integrar todos estos elementos dentro del propio chip a nivel de laboratorio, el pequeño tamaño intrínseco y la complejidad de estos dispositivos, así como las dificultades para procesar diferentes tipos de materiales en los mismos, hacen que la integración de todas las funciones requeridas en un único dispositivo sólo sea viable a escala de laboratorio. Ello impide, por el momento, que sea posible desarrollar dispositivos microfluídicos autónomos con las tecnologías actuales, que resulten industrialmente viables y que sean comercializables.
Con relación a la respuesta mecánica de los dispositivos microfluídicos desarrollados hasta la fecha, éstos tienen una capacidad limitada a la hora de ejecutar determinadas operaciones, por ejemplo, para la realización de la apertura o el cierre de canales a través del uso de válvulas o la generación de flujo controlado de líquido a través del uso de bombas. Por este motivo, la mayoría de dichas operaciones se realiza fuera del propio chip microfluídico, utilizando para ello elementos auxiliares externos. En tecnologías previas pertenecientes al estado de la técnica, se ha ensayado la integración de bombas y válvulas activas en el chip microfluídico, mediante el uso de bombas electro-osmóticas o piezoeléctricas, así como de hidrogeles sensibles a estímulos que realizan determinadas funciones, de modo similar a las válvulas activadas externamente. Sin embargo, el pequeño tamaño intrínseco y la complejidad de los dispositivos microfluídicos, así como la alta diversidad de tipos de materiales empleados en este sector (cuya compatibilidad con las bombas y válvulas conocidas no siempre es posible) y la complejidad de las tecnologías de procesado necesarias para implementarlos en su forma final, hacen que la integración de todos los elementos funcionales en un único dispositivo monolítico y compacto sea difícil, inherentemente costosa y, en suma, inviable para la producción industrial a gran escala. Todas estas limitaciones impiden una mayor penetración de las tecnologías microfluídicas en el mercado y limitan el desarrollo de nuevos dispositivos innovadores, capaces de llevar la tecnología microfluídica a una nueva etapa.
La presente invención está destinada a resolver los problemas mencionados anteriormente, permitiendo la fabricación de novedosos dispositivos microfluídicos que pueden realizar diferentes funciones mecánicas propias del chip, como respuesta a la aplicación de estímulos externos tales como temperatura, luz, pH u otras propiedades físico-químicas, pudiéndose así comandar de forma remota y operándose dinámicamente. DESCRIPCIÓN BREVE DE LA INVENCIÓN
Con el objetivo de resolver las limitaciones y problemas anteriores, la presente invención propone el uso de la capacidad de respuesta mecánica de las redes o elastómeros de cristal líquido (LCN o LCE, de sus siglas en inglés “Liquid crystal network” o “liquid crystal elastomer”) ante determinados estímulos externos (luz, temperatura, etc.). Los LCN y LCE pueden obtenerse a partir de un polímero cristal líquido (LCP, de sus siglas en inglés “liquid cristal polymer”) que se somete a un proceso de entrecruzamiento de sus cadenas poliméricas. Este último material puede aplicarse de manera controlada mediante técnicas de fabricación aditiva y, una vez entrecruzado, dar lugar a los LCN o LCE que permiten la configuración de válvulas microfluídicas activas con capacidad de respuesta mecánica a cambios de magnitudes físico-químicas tales como la iluminación, la humedad, el pH, la temperatura o el campo electromagnético, entre otros. De esta forma, dicha respuesta mecánica permite regular el flujo de un fluido en un dispositivo microfluídico, por ejemplo, en forma de válvula, regulando o impulsando dicho fluido en un circuito o sistema mayor, de forma variable en el tiempo. En este contexto, los procesos de impresión aditiva de los LCPs y su transformación en LCEs o LCNs con las propiedades funcionales referidas se denominarán, en el ámbito de interpretación de la invención, como procesos de “impresión 4D” (por su capacidad de respuesta en el tiempo, considerándose éste como la cuarta dimensión).
Si bien el uso de procedimientos de impresión 4D de LCEs y LCNs es ya conocido a nivel general (no siendo éste, por tanto, el objeto de la invención), su aplicación específica a la fabricación de válvulas microfluídicas no ha sido previamente descrita según las características aquí reivindicadas, donde los LCPs se imprimen bajo disposiciones geométricas concretas que son fijadas dando lugar a un sistema polimérico entrecruzado LCE o LCN, y que permiten configurar la actuación eficaz de dichas válvulas en dispositivos microfluídicos. Así, gracias al proceso de impresión seleccionado, se logra la anisotropía local de los materiales impresos, de forma que las cadenas largas de polímero de los LCPs se orientan en la dirección de movimiento de la aguja que define la dirección del filamento durante su deposición sobre otros materiales que hacen de sustrato, lo que conduce a un control preciso de la morfología del LCE o LCN resultante del entrecruzamiento de las cadenas de LCP que permite, posteriormente, realizar las funciones de regulación de flujos microfluídicos requeridas. Una vez configurados en forma de válvulas, la disminución en el orden molecular de los LCPs entrecruzados, inducida por un estímulo externo, tal como la temperatura, la luz, etc., conduce a la contracción del material a lo largo de la dirección de orientación preferente de las unidades mesógenas de las cadenas de polímero en su orientación principal, así como a su expansión a lo largo de sus orientaciones ortogonales. Gracias a este comportamiento, es posible regular la funcionalidad de la válvula mediante una adecuada selección de materiales (según se requiera que sus propiedades se regulen mediante unos parámetros químico-físicos y otros) y de una disposición de impresión que permita obtener el comportamiento deseado en el espacio y el tiempo. En general, las propiedades de respuesta mecánica de determinados LCNs o LCEs a cambios externos son conocidas en el estado de la técnica, no constituyendo por tanto parte del objeto de la invención. De nuevo, es su configuración y realizaciones específicas en forma de válvulas microfluídicas lo que aquí se reivindica. Asimismo, si bien en el presente documento se utilizará el término LCP para referirse a las tintas empleadas en el ámbito de la invención, la interpretación de dicho término incluirá no sólo las cadenas poliméricas de cristal líquido, sino también los monómeros de cristal líquido, así como las combinaciones de los mismos y, en general, a cualquier material que al ser depositado adquiere anisotropía, debido a la orientación preferente de sus componentes.
Así pues, un objeto principal de la invención se refiere a un procedimiento de fabricación de una válvula microfluídica que comprende la realización de las siguientes etapas:
- disponer un sustrato configurando una porción estructural de la válvula, donde dicho sustrato comprende al menos un material mecánicamente inerte a una o más propiedades físico-químicas en el tiempo;
- imprimir, mediante fabricación aditiva, al menos un material con respuesta mecánica a una o más de dichas propiedades físico-químicas en el tiempo, pudiéndose adquirir dichas propiedades tanto previamente como durante o posteriormente a su impresión. Dicho material comprende al menos un LCP y se imprime como una sucesión de uno o más filamentos, configurando una porción funcional de la válvula;
Ventajosamente, dicho procedimiento de fabricación comprende una etapa adicional de disponer la sucesión de filamentos de material con respuesta mecánica sobre el sustrato de material mecánicamente inerte aplicando un tratamiento antiadhesión sobre una o más interfaces de dichos filamentos y el sustrato. De esta manera, el sustrato y la sucesión de filamentos configuran, al menos parcialmente, un volumen de paso de un fluido a través de la válvula, donde la sucesión de filamentos del material con respuesta mecánica se dispone, en el citado volumen, de forma que la variación de uno o más de los parámetros físico-químicos induce una alteración en el orden molecular del LCP, contrayendo o expandiendo sus cadenas poliméricas a lo largo de una dirección longitudinal o transversal de los filamentos, y conduciendo a la reducción o al aumento del volumen de paso de fluido. En la interpretación de la realización anterior se entenderán igualmente comprendidos los casos en los que el material con respuesta mecánica se imprima directamente sobre el sustrato que forma parte de la estructura de la válvula, como aquellos en lo que el material con respuesta mecánica se imprima sobre un primer sustrato con carácter temporal (como apoyo a la fabricación) y que, posteriormente, se traslade o se conecte con un segundo sustrato que es el que forma parte de la estructura de la válvula.
Como resultado, las válvulas obtenidas con la tecnología de la invención permiten establecer una programación precisa de la magnitud y de la direccionalidad de las fuerzas aplicadas al volumen configurado por el sustrato y el material con respuesta mecánica, y que permite regular los caudales de fluido que circulan por un sistema microfluídico. Con ello, es posible controlar con precisión, de forma reversible y bien definida, las estructuras resultantes tanto en el espacio como en el tiempo. Así, con el diseño preciso de la estructura interna y de las fuerzas generadas (que puede obtenerse mediante las plataformas de impresión 4D descritas), la invención permite obtener geometrías y funciones complejas, que no se pueden obtener con las tecnologías de procesamiento para LCPs disponibles en la actualidad. Más allá de la tensión o de la flexión, la invención permite además generar otras funciones más complejas, como por ejemplo la apertura de poros o incluso su rotación de las porciones funcionales de las válvulas, brindando así nuevas posibilidades y funciones de transformación de forma a las tecnologías de actuadores de cristal líquido (LC) conocidos. El concepto de impresión 4D de LCPs puede extenderse potencialmente tanto a la temperatura como a la luz, así como a una amplia variedad de estímulos externos, tales como campos eléctricos y magnéticos, pH o humedad, entre otros, si se proporcionan los materiales adecuados, preparados con los interruptores moleculares o grupos funcionales adecuados. Además, estos actuadores se pueden fabricar directamente sobre otros sustratos o dispositivos, así como sobre grandes superficies, lo que lleva la tecnología propuesta un paso más cerca de la producción industrial. En particular, como un ejemplo de realización preferente, el procedimiento de impresión descrito permite integrar elementos de LCP con respuesta mecánica, impresos en 3D, con materiales inertes de uso habitual en microfluídica, tales como el polidimetilsiloxano (PDMS), lo que permite la preparación de dispositivos compuestos adaptables, donde la porción funcional de la válvula se deforma y sobresale, actuando por ejemplo como una lente. Según lo descrito, el PDMS es un material clave en dispositivos microfluídicos biológicos y médicos, por lo que el procedimiento de impresión 4D de materiales LCP de la invención representa una oportunidad prometedora para generar sistemas ajustables dinámicamente, tales como válvulas o bombas microfluídicas, que pueden integrarse en dispositivos microfluídicos según las realizaciones específicas descritas a continuación. Así, en una realización preferente del procedimiento de la invención, la sucesión de filamentos del material con respuesta mecánica se dispone, en el citado volumen de paso de fluido, como una pluralidad de filamentos sustancialmente paralelos, conformando una superficie rectangular o cuadrada.
En otra realización preferente del procedimiento, la sucesión de filamentos del material con respuesta mecánica se dispone, en el citado volumen de paso de fluido, adoptando una distribución radial sustancialmente plana, donde cada filamento parte de una región central común al resto de filamentos.
En otra realización preferente del procedimiento, la sucesión de filamentos del material con respuesta mecánica se dispone, en el citado volumen de paso de fluido, como una distribución azimutal o como una aproximación a ésta, más fácilmente implementable en la práctica, una espiral sustancialmente plana, a partir de una región central común a uno o a más filamentos.
En otra realización preferente del procedimiento, éste comprende la etapa adicional de modificación de la superficie para promocionar la adhesión entre los elementos constituyentes. Esta modificación puede consistir, por ejemplo, en la exposición de las superficies correspondientes a ozono generado por radiación ultravioleta (UV), plasma de oxígeno u otros gases. Asimismo, puede aplicarse un agente de acoplamiento entre al menos una parte del material con respuesta mecánica y el sustrato. Más preferentemente, el agente de acoplamiento es de tipo híbrido orgánico-inorgánico (por ejemplo, amino-, mercapto- or epoxi-silanos).
En otra realización preferente del procedimiento, el tratamiento antiadhesión comprende: la adición de un agente químico con capacidad antiadherente al LCP, preferentemente uno o más modificadores fluorados o silanos alifáticos de cadena larga, tales como nonil triclorosilano, octadecil triclorosilano, octil triclorosilano, fluoro-n-octil triclorosilano o fluoro-n-octil trimethoxisilano; y/o la introducción de microrrugosidades en la superficie de contacto del sustrato de material mecánicamente inerte con la sucesión de filamentos; y/o el empleo de materiales con una energía superficial inferior a 40 mJ/m2 para la fabricación del sustrato y/o la sucesión de filamentos; y/o la aplicación de un recubrimiento antiadherente al sustrato de material mecánicamente inerte y/o a la sucesión de filamentos impresos; y/o la separación espacial de la sucesión de filamentos respecto del sustrato.
En otra realización preferente del procedimiento, éste comprende la disposición adicional de una o más capas de material mecánicamente inerte posteriormente a la impresión del material con respuesta mecánica, configurando uno o más elementos adicionales de la porción estructural de la válvula. Opcionalmente, dicho procedimiento puede comprender una etapa de aplicación de un tratamiento antiadhesión sobre una o más de las capas adicionales de material mecánicamente inerte para evitar la adhesión irreversible entre las mismas, con el sustrato y/o con la sucesión de filamentos.
En otra realización preferente del procedimiento, éste comprende una etapa de aplicación de un tratamiento de curado posterior a la finalización de la impresión del material con respuesta mecánica. Más preferentemente, dicha etapa de curado se realiza de forma selectiva en determinadas regiones de la válvula, y/o se aplica mediante una sucesión de múltiples curados sobre dichas regiones.
En otra realización preferente del procedimiento, la impresión de la sucesión de filamentos de material con respuesta mecánica se realiza con forma tridimensional y, más preferentemente, con forma cónica siguiendo una distribución radial. De esta manera, cuando la sucesión de filamentos es estimulada mediante un agente externo (temperatura, luz, etc), dicha sucesión de filamentos modifica su forma hacia un cono de menor altura y base más ancha, permitiendo la realización, por ejemplo, de válvulas inversas o permanentemente cerradas; esto es, aquellas que, en ausencia de un estímulo externo, impiden el paso del fluido, permitiéndolo en caso contrario.
Un segundo objeto de la invención se refiere a una válvula para la regulación del paso de un fluido a través de un dispositivo microfluídico que, ventajosamente, se fabrica según un procedimiento según cualquiera de las realizaciones descritas en el presente documento.
En una realización preferente de la válvula de la invención, el material con respuesta mecánica comprende una mezcla de al menos un LCP de cadena principal con grupos acrilatos reactivos al final de dicha cadena, junto con uno o más fotoiniciadores.
En otra realización preferente de la válvula de la invención, el LCP, una vez entrecruzado y formado el LCE o LCN, posee una respuesta mecánica al cambio de iluminación, temperatura, humedad, pH o campo electromagnético. Más preferentemente, el LCE o LCN posee respuesta mecánica a la luz (tanto por vía fotoquímica como fototérmica). La incorporación de la funcionalidad fotoactiva se puede abordar principalmente mediante dos estrategias diferentes. Por un lado, una primera estrategia está basada en la incorporación de unidades fotoisomerizables, de tipo azobenceno, espiropirano, diaretilenos o rotaxanos que, cuando son irradiadas en sus bandas de absorción, experimentan isomerizaciones entre sus estados trans, de forma alargada y por tanto favorecedora del orden CL, y cis, de forma curvada y que perturba el orden CL. La generación de isómeros cis mediante luz, perturba el orden cristal líquido y altera las propiedades mecánicas del sistema. Por otro lado, una segunda estrategia está basada en la incorporación de moléculas o nano-objetos con absorción. Al ser irradiados en sus bandas de absorción ambos liberan, muy eficientemente, calor que es transferido al material en el que están incorporados, el LCE en el presente caso, produciéndose de esta manera la actuación mecánica. También es posible utilizar cromóforos absorbentes, capaces de absorber luz de una longitud de onda y transformar eficientemente energía luminosa en calor, tales como benzofenonas, rodaminas, estilbenos, coumarinas o benzotriazol.
En otra realización preferente de la válvula de la invención, el sustrato comprende PDMS o una estructura polimérica de olefina cíclica.
En otra realización preferente de la válvula de la invención, la porción estructural de la válvula comprende: uno o más orificios antiadhesión dispuestos entre dicha porción estructural y el material con respuesta mecánica de la porción funcional de la citada válvula; y/o microrrugosidades dispuestas entre dicha porción estructural y el material con respuesta mecánica de la porción funcional de la válvula; y/o un material mecánicamente inerte con una energía superficial inferior a 40 mJ/m2; y/o un recubrimiento antiadherente.
Un tercer objeto de la invención se refiere a una bomba peristáltica que comprende al menos una válvula según cualquiera de las realizaciones descritas en el presente documento, configurada en combinación con un elemento de restricción pasiva de flujo; o configurada como una disposición sucesiva de dos o más válvulas según cualquiera de las realizaciones descritas en el presente documento.
Un cuarto objeto de la invención se refiere a un sistema microfluídico que comprende una válvula según cualquiera de las realizaciones descritas en el presente documento, en combinación con un accionador de dicha válvula que comprende medios adaptados para regular una propiedad físico-química a la que es sensible el material con respuesta mecánica que conforma la porción funcional de la citada válvula.
Un quinto objeto de la invención se refiere al uso de una válvula microfluídica, de una bomba peristáltica o de un sistema según cualquiera de las realizaciones aquí descritas, en análisis biomédicos in vitro, en análisis de detección de drogas, en estudios biológicos in vitro, en la monitorización y el control de la contaminación ambiental, en la detección de riesgos biológicos, en análisis alimentario o en la fabricación de dispositivos de tipo órgano- en-chip. Dichos dispositivos microfluídicos (en inglés, “organ on chip”) proporcionan un modelo biomimético fisiológicamente relevante, que permite comprender mejor las funciones y respuestas específicas de los tejidos y órganos y, por tanto, la reacción a tratamientos farmacológicos o la evolución de determinadas patologías, contribuyendo de esta manera al desarrollo de nuevas herramientas para la realización de nuevos estudios fisiológicos, desarrollo y cribado de fármacos, toxicología y para medicina personalizada.
En una realización preferente del sistema de la invención, los medios de regulación de la propiedad físico-química comprenden un subsistema de iluminación, un subsistema de regulación de la temperatura, un subsistema de regulación de la humedad, un subsistema de regulación del pH o un subsistema de regulación del campo electromagnético.
En el ámbito de la presente invención, se interpretará la expresión “con respuesta mecánica en el tiempo” como la propiedad de un material cuya estructura molecular se ve alterada durante el tiempo ante la aplicación externa de una o más magnitudes físico-químicas, tales como la iluminación, la temperatura, la humedad, el pH o el campo electromagnético, entre otras. Asimismo, dicha propiedad es, en el ámbito de la invención, reversible, en el sentido de que si la magnitud físico-química aplicada vuelve a un estado anterior o se aplica bajo otras condiciones o en combinación con otras magnitudes físico-químicas o estímulos, es posible hacer volver la estructura molecular del material a su estado original. En la realización preferente de la invención referida a la obtención de válvulas microfluídicas, la propiedad de respuesta mecánica se interpretará como la capacidad de modificación de la estructura de la porción funcional de dicha válvula, hasta el punto de que ésta pueda impulsar o regular el paso de los fluidos en un dispositivo o sistema microfluídico.
En el ámbito de la presente invención, se interpretará la expresión “mecánicamente inerte en el tiempo” como la ausencia sustancial de reactividad mecánica en el tiempo en un material. En el ámbito de la presente invención, se interpretará la expresión “sustancialmente” como idéntico o comprendido en un margen de ±10%.
En el ámbito de la presente invención, se interpretará la expresión “porción estructural de la válvula” como aquella porción que configura la forma y estructura general de la válvula, estando conformada por materiales mecánicamente inertes que no sufren cambios sustanciales reversibles de su forma ante variaciones de uno o más parámetros físico- químicos.
En el ámbito de la presente invención, se interpretará la expresión “porción funcional de la válvula” como aquella porción que configura los elementos móviles y de actuación de la válvula, estando conformada por materiales con respuesta mecánica que sufren cambios sustanciales reversibles de su forma ante variaciones de uno o más parámetros físico- químicos.
En el ámbito de la presente invención, se interpretará la expresión “tratamiento antiadhesión” como aquel tratamiento que impide la adherencia irreversible, total o parcial, entre: la sucesión de filamentos de material con respuesta mecánica y el sustrato de material mecánicamente inerte; y/o la sucesión de filamentos de material con respuesta mecánica y una o más de las capas adicionales de material mecánicamente inerte; y/o el sustrato de material mecánicamente inerte y una o más de las capas adicionales de material mecánicamente inerte; y/o dos o más de las capas adicionales de material mecánicamente inerte.
De acuerdo con esta interpretación, se entenderán igualmente comprendidos los siguientes ejemplos: la adición de un agente químico con capacidad antiadherente al LCP; la introducción de microrrugosidades en la superficie de contacto del sustrato de material mecánicamente inerte con la sucesión de filamentos y/o una o más de las capas adicionales de material mecánicamente inerte; la introducción de microrrugosidades en una o más de las capas adicionales de material mecánicamente inerte; el empleo de materiales de baja energía superficial para la fabricación del sustrato, la sucesión de filamentos, y/o una o más de las capas adicionales de material mecánicamente inerte, entendiéndose por “material de baja energía superficial” a aquel con una energía superficial inferior a 40 mJ/m2; la aplicación de un recubrimiento antiadherente al sustrato, a la sucesión de filamentos y/o a una o más de las capas adicionales de material mecánicamente inerte; la separación espacial de la sucesión de filamentos respecto del sustrato y/o de una o más de las capas adicionales de material mecánicamente inerte, o cualquier otra disposición de los mismos destinada a limitar o prevenir su adhesión a dicho sustrato y/o una o más de las capas adicionales (por ejemplo, disponiendo las superficies en contacto en ángulo en lugar de paralelamente).
DESCRIPCIÓN DE LOS DIBUJOS
La Figura 1 muestra un ejemplo de válvula microfluídica según la presente invención, en una realización preferente de la misma.
Las Figuras 2a-2c muestran tres ejemplos del patrón de impresión bidimensional de un material con respuesta mecánica que puede utilizarse para la fabricación de una válvula microfluídica de la invención, según tres realizaciones preferentes de la misma.
La Figura 3 muestra un ejemplo del principio general de funcionamiento de la válvula microfluídica de la invención, según una realización preferente de la misma.
La Figura 4 muestra un ejemplo de la válvula microfluídica de la invención, según una realización preferente de la misma implementada como una válvula inversa.
La Figura 5a muestra un ejemplo de patrón de impresión tridimensional de un material con respuesta mecánica para la fabricación de una válvula microfluídica de la invención. La Figura 5b muestra una realización preferente de la misma, implementada como una válvula inversa.
La Figura 6 muestra una disposición secuencial de válvulas microfluídicas según la invención, configuradas como una bomba peristáltica cuyas etapas pueden activarse con radiación lumínica de diferentes longitudes de onda.
Las Figuras 7a-7b muestran ejemplos de una válvula y de una bomba peristáltica según la invención, respectivamente, donde el sustrato de las mismas incorpora unos orificios que actúan como medio antiadhesión. Referencias numéricas de los dibujos:
(1) Sustrato de material mecánicamente inerte.
(2) Filamentos de material con respuesta mecánica.
(3) Volumen de paso de fluido.
(4) Región central de impresión de los filamentos de material mecánicamente reactivo.
(5) Capas adicionales de material mecánicamente inerte.
(6) Luz.
(7) Orificios antiadhesión.
DESCRIPCION DETALLADA DE LA INVENCION
Según lo descrito en los apartados precedentes, así como en los ejemplos mostrados en las Figuras 1-7 del presente documento, el procedimiento de fabricación de válvulas microfluídicas comprende, esencialmente, al menos las siguientes etapas:
- Se dispone un sustrato (1) configurando una porción estructural de la válvula, donde dicho sustrato (1) comprende al menos un material mecánicamente inerte a una o más propiedades físico-químicas en el tiempo.
- Se imprime, mediante fabricación aditiva, una sucesión de uno o más filamentos (2) de un material con respuesta mecánica a una o más de dichas propiedades fisico químicas en el tiempo, donde dicho material con respuesta mecánica comprende al menos un LCP, y donde los filamentos (2) impresos configuran una porción funcional de la válvula.
- Se dispone la sucesión de filamentos (2) de material con respuesta mecánica sobre el sustrato (1) de material mecánicamente inerte aplicando un tratamiento antiadhesión sobre una o más superficies de contacto entre dichos filamentos (2) y el sustrato (1).
Tal y como se muestra en la Figura 1, el sustrato (1) y la sucesión de filamentos (2) de material con respuesta mecánica configuran, al menos parcialmente, un volumen (3) de paso de un fluido a través de la válvula. Asimismo, la sucesión de filamentos (2) del material con respuesta mecánica se dispone, en el citado volumen (3), de forma que la variación de uno o más de los parámetros físico-químicos (por ejemplo, mediante iluminación a un determinado rango de frecuencias) induce una alteración en el orden molecular del LCP, contrayendo o expandiendo el material a lo largo de la dirección longitudinal o transversal de los filamentos (2) respectivamente, y conduciendo a la reducción o al aumento del volumen (3) de paso de fluido. La configuración del volumen (3) de paso mostrado en la Figura 1 adopta, por tanto, forma de canal, pudiendo configurarse tanto con una geometría de canal curva, que se ajusta al actuador en el estado accionado, o puede usar una parte superior plana que actúa sobre un canal, abriéndolo o cerrándolo en función del estado de la válvula (no accionada o accionada), como se muestra en la Figura 3. Esta configuración es también ventajosa, ya que el área de la porción funcional en contacto con la pared opuesta de la porción estructural es parcial, lo que facilita su desprendimiento posterior cuando los materiales con respuesta mecánica vuelven a su estado inicial (no accionado).
La rigidez del material con respuesta mecánica utilizado para la impresión de la sucesión de filamentos (2), así como la relación entre el espesor y las dimensiones en el plano (longitudinales y/o transversales) de la lámina LCE o LCN resultante, influyen en el grado de deformación de la porción funcional de la válvula. Un aumento excesivo de estos parámetros disminuye la deformación, repercutiendo negativamente en las prestaciones de la válvula. Preferentemente, la sucesión de filamentos (2) comprende LCPs que, al ser impresos, dan lugar a un sistema polimérico entrecruzado tipo LCE con módulo de Young del orden de MPa o tipo LCN con módulo de Young de GPa. Típicamente, las dimensiones longitudinales y/o transversales de la lámina LCE o LCN resultante se encuentran comprendidas entre 1-20 mm y su espesor entre 50-1500 pm.
La adhesión entre el sustrato (1) y la sucesión de filamentos (2) juega también un papel clave en las prestaciones de la válvula, pudiendo incluso anular su funcionalidad si dicha adhesión resulta irreversible. Si bien es cierto que la presencia de líquidos puede reducir la adhesión entre ciertas superficies, también es sabido que la adhesión entre superficies en líquido aumenta significativamente con el tiempo de contacto. Este último escenario es el que se produce cuando se procede a la expulsión de líquido de la zona de contacto entre el sustrato (1) y la sucesión de filamentos (2). Por este motivo, resulta clave prevenir o controlar esta adhesión mediante la aplicación de un tratamiento antiadhesión. Preferentemente, dicho tratamiento antiadhesión comprende: la adición de un agente químico con capacidad antiadherente al LCP, preferentemente uno o más modificadores fluorados o silanos alifáticos de cadena larga que comprenden, por ejemplo, nonil triclorosilano, octadecil triclorosilano, octil triclorosilano, fluoro-n-octil triclorosilano o fluoro-n-octil trimethoxisilano; y/o la introducción de microrrugosidades en la superficie de contacto del sustrato (1) de material mecánicamente inerte con la sucesión de filamentos (2) (por ejemplo, mediante abrasión por chorro de arena usando como material mecánicamente inerte vidrio o metal), preferentemente con un valor de rugosidad cuadrática media, o desviación media cuadrática del perfil, del orden de la miera ya que, bajo estas condiciones, es sabido que la adhesión entre elastómeros y superficies rígidas disminuye considerablemente [Fuller et al. Proc. R. Soc. Lond. A 1975 345, 327- 342]; y/o el empleo de materiales con una energía superficial inferior a 40 mJ/m2 para la fabricación del sustrato (1) y/o la sucesión de filamentos (2), tales como polímeros de olefina cíclica (COP, 30 mJ/m2) y polidimetilsiloxano (PDMS, 19-21 mJ/m2); y/o la aplicación de un recubrimiento antiadherente al sustrato (1) de material mecánicamente inerte y/o a la sucesión de filamentos (2), preferentemente que comprenda uno o más fluoropolímeros, como, por ejemplo, el politetrafluoroetileno (PTFE); y/o la separación espacial de la sucesión de filamentos (2) respecto del sustrato (1).
De esta manera, se reduce de manera drástica la adhesión al disminuir la probabilidad de fuerzas de adhesión por la fricción entre la porción funcional y la porción estructural de la válvula, lo que reduce el riesgo de falla de la misma por la posible fijación de una porción a la otra. No obstante, en aquellos dispositivos donde no se presenten estos problemas de adhesión entre el sustrato (1) y la sucesión de filamentos (2) sería posible no aplicar dichos tratamientos.
Para el adecuado funcionamiento de las válvulas de la invención, es necesario el uso de materiales con respuesta mecánica a modo de tintas cuya reología conduzca, después de su impresión y, opcionalmente, de su curado, a filamentos (2) de LCP con morfología controlada, según las propiedades anteriormente descritas. Para ello, dichas tintas comprenden, preferentemente, una mezcla de LCPs de cadena principal con grupos acrilatos reactivos al final de la cadena, junto con una pequeña cantidad de fotoiniciador. Asimismo, el polímero de cristal líquido con respuesta mecánica contiene, preferentemente, unidades moleculares absorbentes incorporadas en su cadena principal, bien con fotorrespuesta (por ejemplo, azobenceno, espiropirano, etc.), que experimentan cambios conformacionales al absorber luz perturbando el orden cristal líquido, o moléculas absorbentes que transforman la luz absorbida en calor, perturbando también el orden cristal líquido. Otra posibilidad es la incorporación de las unidades a la tinta de LCP como un monómero adicional que se une luego a la estructura polimérica. El polímero se obtiene principalmente mediante un proceso de adición de Michael, realizando una mezcla de diacrilatos mesogénicos con unidades reactivas, que se mezclan a su vez con n-butilamina en una relación molar cercana a 1 , con un exceso de diacrilato para asegurar la formación de cadenas poliméricas, a través de la reacción de adición de Michael, con grupos terminales de acrilato que pueden reaccionar posteriormente, en una segunda etapa realizada por fotopolimerización. La química de amina-acrilato se ha utilizado como ejemplo, si bien es también posible utilizar otras reacciones para la formación de las cadenas reactivas, tales como el tiol-acrilato, la amina-epoxi, etc., conduciendo al mismo efecto. Las tintas así preparadas presentan generalmente un comportamiento viscoelástico, siendo posible la fácil formación de filamentos (2) largos y delgados, simplemente imprimiéndolas a partir del material polimérico generando fibras bien orientadas, con los monómeros mesogénicos alineados en la dirección de impresión. Otras posibilidades incluyen también el uso de materiales fotoquímicos o fototérmicos, como son por ejemplo las tintas que contienen nanopartículas o moléculas que transforman la luz en calor. Los efectos magnetotérmicos también pueden ser utilizados en el ámbito de la invención, en diferentes realizaciones preferentes de la misma.
Por su parte, el sustrato (1) de la válvula comprende preferentemente uno o más materiales biocompatibles, seleccionados por ejemplo de entre los empleados habitualmente en aplicaciones microfluídicas, tales como PDMS o estructuras poliméricas de olefina cíclica.
Las Figuras 2a-2c muestran tres ejemplos de configuraciones adoptadas por los filamentos (2) de material con respuesta mecánica para fabricación de diferentes realizaciones preferentes de las válvulas de la invención. Así pues, la Figura 2a muestra una sucesión de filamentos (2) de material con respuesta mecánica dispuesta como una pluralidad de líneas sustancialmente paralelas, conformando una superficie rectangular o cuadrada. Esta configuración es la que adopta, por ejemplo, la válvula de la Figura 1. En otra realización (Figura 2b), la sucesión de filamentos (2) de material con respuesta mecánica se dispone adoptando una distribución radial sustancialmente plana, donde cada filamento (2) parte de una región central (4) común al resto de filamentos (2). En una realización adicional (Figura 2c), la sucesión de filamentos (2) de material con respuesta mecánica se dispone, en el citado volumen (3) de paso de fluido, como una distribución azimutal y, como aproximación a esa en una trayectoria continua, una espiral sustancialmente plana, a partir de una región central (4) común a uno o más de los filamentos (2).
Un posible problema que presentan los actuadores compuestos sometidos a esfuerzos mecánicos es la delaminación de uno o más de los materiales utilizados. Para promover la adhesión de la porción funcional de la válvula a la porción estructural (en aquellos puntos o regiones donde se necesite), pueden realizarse químicas específicas aplicadas a esta última. Por ejemplo, la exposición de las superficies correspondientes a ozono generado por radiación ultravioleta (UV), plasma de oxígeno u otros gases, o tratamientos con agentes de acoplamiento híbrido orgánico-inorgánico para tintas a base de acrilato, tales como 3-aminopropiltrietoxisilano, 3-aminopropiltrimetoxisilano, 3-aminopropil triclorosilano, 3-mercaptopropil trimetoxisilano, 3-mercaptopropil trietoxisilano, 3-metacriloxi propil trimetoxisilano. Ello genera especies reactivas unidas covalentemente a la superficie, que luego pueden servir como enlaces para las tintas de acrilato cuando se fotocuran, aumentando la fuerza de unión de las mismas.
En otras realizaciones de la invención, el procedimiento de fabricación también puede comprender la disposición adicional de una o más capas (5) de material mecánicamente inerte posteriormente a la impresión de la sucesión de filamentos (2) con respuesta mecánica, configurando uno o más elementos adicionales de la porción estructural de la válvula. Opcionalmente, dicho procedimiento puede comprender una etapa de aplicación de un tratamiento antiadhesión sobre una o más de las capas adicionales (5) de material mecánicamente inerte para evitar la adhesión irreversible entre las mismas (5), con el sustrato (1) y/o con la sucesión de filamentos (2).
En otras realizaciones de la invención, el procedimiento de fabricación también puede comprender una etapa de aplicación de un tratamiento de curado, preferentemente posterior a la finalización de la impresión de los filamentos (2) de material con respuesta mecánica. Dicha etapa de curado se puede realizar de forma selectiva en determinadas regiones de la válvula, donde opcionalmente se puede aplicar una sucesión de múltiples curados sobre dichas regiones. El procedimiento de la invención permite, asimismo, imprimir filamentos (2) que se deforman (por ejemplo, por una acción mecánica externa) antes de curarse. Esta posibilidad es interesante para determinados diseños de válvulas o actuadores complejos. En otras realizaciones, el procedimiento de la invención permite también imprimir estructuras multiestables de filamentos (2), obteniéndose diferentes deformaciones en cada curado.
A modo de ejemplo de realización preferente de la invención, referido a una válvula sensible a la luz (6), es posible usar un sustrato (1) de PDMS sobre el que se imprimen los filamentos (2) de LCP. El sistema compuesto LCP-PDMS se puede fabricar imprimiendo en 3D el material LCP sobre el PDMS, estando configurado este último en forma de película, chip o una pieza precursora de chip previamente fabricada. Se puede agregar y curar material PDMS adicional, para completar el proceso de fabricación del chip. El elemento LCP impreso en 3D también se puede incrustar dentro del PDMS o en su parte inferior. Por ejemplo, las franjas del material con respuesta mecánica a la luz (6) pueden imprimirse en 3D, para crear una membrana con su orientación de director del LCP paralela a la dirección del canal en el bloque PDMS, en la parte superior de la delgada base de membrana PDMS del canal (tal como se muestra en la Figura 1). Teniendo en cuenta la expansión inducida por la luz (6) en la dirección perpendicular al director del LCP, la iluminación sobre el elemento LCP activo produce la expansión de la banda a lo largo de la dirección perpendicular al canal. Si está confinada entre dos paredes fijas suficientemente gruesas, la banda se dobla bloqueando el flujo de fluido a través del canal, actuando por tanto como una válvula, según el objeto de la invención.
En otra realización preferente de la invención, la válvula no accionada cierra el canal. El accionamiento con luz (6) abre la válvula, permitiendo que el líquido fluya como se muestra en la realización de la Figura 4, configurando por tanto un diseño de válvula inversa.
Alternativamente a la impresión de la sucesión de filamentos (2) con configuraciones esencialmente planas (como las mostradas en las Figs. 1-4), es también posible la impresión de dichos filamentos (2) con forma tridimensional, preferentemente con forma cónica siguiendo una distribución radial como la mostrada en la Fig. 5a. De esta manera, cuando la sucesión de filamentos (2) es estimulada mediante un agente externo (temperatura, luz, etc), dicha sucesión de filamentos (2) modifica su forma hacia un cono de menor altura y base más ancha, permitiendo la realización de válvulas inversas como la mostrada en la Fig. 5b. En ausencia de estímulo externo, este tipo de válvula impide el paso del fluido, permitiéndolo en caso contrario.
En otras realizaciones preferentes de la invención, es posible fabricar actuadores más complejos con el procedimiento propuesto. Por ejemplo, es posible configurar una sucesión de dos o más elementos de tipo válvula, ubicados de manera individual, conformando una bomba peristáltica según muestra la Figura 6. En dicha realización, los materiales con respuesta mecánica de la porción funcional pueden ser accionados de manera independiente con tres haces de luz que iluminan cada uno de ellos de manera aislada. Alternativamente, pueden fabricarse con materiales sensibles a diferentes longitudes de onda (por ejemplo, rojo (R), verde (G) e infrarrojo (IR) en dicha figura), y/o siendo accionada cada válvula por diferentes luces (6). De este modo, se proporciona un control independiente de cada válvula, facilitando la realización de movimientos de tipo peristáltico en el volumen (3) de paso de la misma, mediante una secuencia apropiada de eventos de iluminación. La irradiación con intensidades y secuencias de luz (6) apropiadas provoca, así, un flujo unidireccional del fluido. En otras realizaciones de la invención, es posible configurar la bomba peristáltica como una combinación de una o más válvulas según cualquiera de las realizaciones descritas en el presente documento y de un elemento de restricción pasiva de flujo.
En otras realizaciones mostradas en las Figuras 7a-7b, se representa un diseño de válvula donde la porción estructural de dicha válvula (y, preferentemente, su sustrato (1)) comprende uno o más orificios (7) que actúan como medios antiadhesión, dado que el uso de geometrías que minimizan el contacto entre superficies paralelas disminuye la adhesión entre las mismas.
Finalmente, otro objeto de la invención se refiere a un sistema microfluídico que comprende una válvula según lo descrito en combinación con un accionador de dicha válvula, donde dicho accionador comprende medios adaptados para regular una propiedad físico-química a la que es sensible el material con respuesta mecánica que conforma la porción funcional de la citada válvula. Ejemplos de dichos accionadores pueden ser:
Luz: La luz puede aplicarse mediante el uso de fuentes luminosas tales como LEDs o láseres que pueden formar parte preferentemente de un dispositivo externo que comanda el chip microfluídico.
Temperatura: El chip puede incorporar elementos resistivos próximos al LCE/LCN, de manera que al aplicar una corriente se disipa calor accionándose la válvula. El chip podría tener en este caso electrodos de contacto que se conecten a un módulo de control externo. Alternativamente, el chip puede incorporar de manera adyacente al LCE una lámina absorbente de luz que es capaz de transformar radiación lumínica en calor en el LCE y activarlo.
Eléctrico: Mediante la incorporación de aditivos tanto en el LCE/LCN como en una lámina adyacente que aporten resistividad al material, tales como nanotubos de carbono, negro de carbón, etc., es posible calentar el LCE/LCN mediante la aplicación de corriente y, con ello, actuar el sistema.
Humedad o pH: Para ello se emplean materiales que incorporen, por ejemplo, puentes de hidrogeno, tanto en el LCE/LCN como en una lámina adyacente. La aplicación de soluciones de pH adecuado puede debilitar estos enlaces, cambiando las propiedades mecánicas. Magnetotérmico: Mediante la incorporación de aditivos tanto en el LCE/LCN como en una lámina adyacente que aporten propiedades magnetotérmicas al material, tales como nanopartículas de hierro, es posible calentar el LCE/LCN mediante la aplicación de un campo magnético y, con ello, actuar el sistema.

Claims

REIVINDICACIONES
1.- Procedimiento de fabricación de una válvula microfluídica, donde dicho procedimiento comprende la realización de las siguientes etapas:
- disponer un sustrato (1) configurando una porción estructural de la válvula, donde dicho sustrato (1) comprende al menos un material mecánicamente inerte a una o más propiedades físico-químicas en el tiempo;
- imprimir, mediante fabricación aditiva, una sucesión de uno o más filamentos (2) de un material con respuesta mecánica a una o más de dichas propiedades físico-químicas en el tiempo, donde dicho material con respuesta mecánica comprende al menos un LCP, y donde la sucesión de filamentos (2) configura una porción funcional de la válvula; caracterizado por que dicho procedimiento comprende una etapa adicional de disponer la sucesión de filamentos (2) de material con respuesta mecánica sobre el sustrato (1) de material mecánicamente inerte aplicando un tratamiento antiadhesión sobre una o más interfaces de dichos filamentos (2) y el sustrato (1); donde el sustrato (1) de material mecánicamente inerte y los filamentos (2) de material con respuesta mecánica configuran, al menos parcialmente, un volumen (3) de paso de un fluido a través de la válvula, donde la sucesión de los filamentos (2) del material con respuesta mecánica se dispone, en el citado volumen (3), de forma que la variación de uno o más de los parámetros físico-químicos induce una alteración en el orden molecular del LCP, contrayendo o expandiendo el material a lo largo de una dirección longitudinal o transversal de los filamentos (2), y conduciendo a la reducción o al aumento del volumen (3) de paso de fluido.
2.- Procedimiento según la reivindicación anterior, donde la sucesión de filamentos (2) de material con respuesta mecánica se dispone, en el citado volumen (3) de paso de fluido, como una pluralidad de filamentos (2) sustancialmente paralelos, conformando una superficie rectangular o cuadrada.
3.- Procedimiento según la reivindicación 1, donde la sucesión de filamentos (2) del material con respuesta mecánica se dispone, en el citado volumen (3) de paso de fluido, adoptando una distribución radial sustancialmente plana, donde cada filamento (2) parte de una región central (4) común al resto de los filamentos (2).
4 Procedimiento según la reivindicación 1, donde la sucesión de filamentos (2) del material con respuesta mecánica se dispone, en el citado volumen (3) de paso de fluido, como una distribución azimutal o espiral sustancialmente plana, a partir de una región central (4) común a uno o más filamentos (2).
5.- Procedimiento según cualquiera de las reivindicaciones anteriores, que comprende una etapa adicional de añadir un agente de acoplamiento entre al menos una parte de los filamentos (2) de material con respuesta mecánica y el sustrato (1) de material mecánicamente inerte.
6.- Procedimiento según la reivindicación anterior, donde el agente de acoplamiento es de tipo híbrido orgánico-inorgánico.
7.- Procedimiento según cualquiera de las reivindicaciones anteriores, donde el tratamiento antiadhesión comprende: la adición de un agente químico con capacidad antiadherente al LCP; y/o la introducción de microrrugosidades en la superficie de contacto del sustrato (1) de material mecánicamente inerte con la sucesión de filamentos (2); y/o el empleo de materiales con una energía superficial inferior a 40 mJ/m2 para la fabricación del sustrato (1) y/o la sucesión de filamentos (2); y/o la aplicación de un recubrimiento antiadherente al sustrato (1) de material mecánicamente inerte y/o a la sucesión de filamentos (2); y/o la separación espacial de la sucesión de filamentos (2) respecto del sustrato (1).
8.- Procedimiento según la reivindicación anterior, donde el agente químico comprende uno o más modificadores fluorados o alifáticos de cadena larga.
9.- Procedimiento según cualquiera de las reivindicaciones anteriores, que comprende la disposición adicional de una o más capas (5) de material mecánicamente inerte, posteriormente a la impresión de los filamentos (2) de material con respuesta mecánica, configurando uno o más elementos adicionales de la porción estructural de la válvula.
10.- Procedimiento según la reivindicación anterior, que comprende una etapa de aplicación de un tratamiento antiadhesión sobre una o más de las capas adicionales (5) de material mecánicamente inerte.
11.- Procedimiento según cualquiera de las reivindicaciones anteriores, que comprende una etapa de aplicación de un tratamiento de curado posterior a la finalización de la impresión de los filamentos (2) de material con respuesta mecánica.
12.- Procedimiento según la reivindicación anterior, donde la etapa de curado se realiza de forma selectiva en determinadas regiones de la válvula, y/o donde se aplica una sucesión de múltiples curados sobre dichas regiones.
13.- Procedimiento según cualquiera de las reivindicaciones anteriores, donde la sucesión de filamentos (2) del material con respuesta mecánica se imprime con forma tridimensional.
14.- Procedimiento según la reivindicación anterior, donde la sucesión de filamentos (2) del material con respuesta mecánica se imprime con forma cónica.
15.- Válvula para la regulación del paso de un fluido a través de un dispositivo microfluídico, caracterizada por que se fabrica mediante un procedimiento según cualquiera de las reivindicaciones anteriores.
16.- Válvula según la reivindicación anterior, donde el material con respuesta mecánica comprende una mezcla de al menos un LCP de cadena principal con grupos acrilatos reactivos al final de dicha cadena, junto con uno o más fotoiniciadores.
17.- Válvula según cualquiera de las reivindicaciones 15-16, donde el LCP posee respuesta mecánica al cambio de iluminación, temperatura, humedad, pH o campo electromagnético.
18.- Válvula según cualquiera de las reivindicaciones 15-17, donde el LCP posee capacidad de respuesta a la luz (6) vía fototérmica y/o fotoquímica.
19.- Válvula según la reivindicación anterior, donde el LCP comprende azobenceno, espiropirano, diaretileno, rotaxano, nanopartículas absorbentes y/o cromóforos absorbentes, tales como benzofenonas, rodaminas, estilbenos, coumarinas y/o benzotriazoles.
20.- Válvula según cualquiera de las reivindicaciones 15-19, donde el sustrato comprende PDMS o una estructura polimérica de defina cíclica.
21.- Válvula según cualquiera de las reivindicaciones 15-20, donde la porción estructural de la válvula comprende: uno o más orificios (7) antiadhesión dispuestos entre la porción estructural y el material con respuesta mecánica de la porción funcional de la válvula; y/o microrrugosidades dispuestas entre la porción estructural y el material con respuesta mecánica de la porción funcional de la válvula; y/o un material mecánicamente inerte con una energía superficial inferior a 40 mJ/m2; y/o un recubrimiento antiadherente.
22.- Bomba peristáltica que comprende una disposición sucesiva de dos o más válvulas según cualquiera de las reivindicaciones 15-21 y/o una o más válvulas según cualquiera de las reivindicaciones 15-21 en combinación con un elemento de restricción pasiva de flujo.
23.- Sistema microfluídico que comprende una válvula según cualquiera de las reivindicaciones 15-21 , en combinación con un accionador de dicha válvula que comprende medios adaptados para regular una propiedad físico-química a la que es sensible el material con respuesta mecánica que conforma la porción funcional de la citada válvula.
24.- Sistema según la reivindicación anterior, donde los medios de regulación de la propiedad físico-química comprenden un subsistema de iluminación, un subsistema de regulación de la temperatura, un subsistema de regulación de la humedad, un subsistema de regulación del pH o un subsistema de regulación del campo electromagnético.
25.- Uso de una válvula microfluídica según cualquiera de las reivindicaciones 15- 21 , de una bomba peristáltica según la reivindicación 22 o de un sistema según cualquiera de las reivindicaciones 23-24 en análisis biomédicos in vitro, en la fabricación de dispositivos de tipo órgano-en-chip, en análisis de detección de drogas, en estudios biológicos in vitro, en la monitorización y el control de la contaminación ambiental, en la detección de riesgos biológicos o en análisis alimentario.
PCT/ES2021/070464 2020-06-23 2021-06-22 Válvula microfluídica, procedimiento de fabricación y usos de la misma WO2021260249A1 (es)

Priority Applications (3)

Application Number Priority Date Filing Date Title
EP21829530.1A EP4170212A1 (en) 2020-06-23 2021-06-22 Microfluidic valve, method for its manufacture, and uses thereof
US18/012,467 US20230258164A1 (en) 2020-06-23 2021-06-22 Microfluidic valve, method for its manufacture, and uses thereof
CN202180051669.1A CN115989086A (zh) 2020-06-23 2021-06-22 微流体阀、制造方法及其用途

Applications Claiming Priority (2)

Application Number Priority Date Filing Date Title
ES202030624A ES2887874B2 (es) 2020-06-23 2020-06-23 Valvula microfluidica, procedimiento de fabricacion y usos de la misma
ESP202030624 2020-06-23

Publications (1)

Publication Number Publication Date
WO2021260249A1 true WO2021260249A1 (es) 2021-12-30

Family

ID=79023923

Family Applications (1)

Application Number Title Priority Date Filing Date
PCT/ES2021/070464 WO2021260249A1 (es) 2020-06-23 2021-06-22 Válvula microfluídica, procedimiento de fabricación y usos de la misma

Country Status (5)

Country Link
US (1) US20230258164A1 (es)
EP (1) EP4170212A1 (es)
CN (1) CN115989086A (es)
ES (1) ES2887874B2 (es)
WO (1) WO2021260249A1 (es)

Citations (8)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
WO2001002737A1 (en) * 1999-06-30 2001-01-11 Gyros Ab Polymer valves
WO2006020093A2 (en) * 2004-07-22 2006-02-23 Harris Corporation Embedded control valve using electroactive material
WO2006038159A1 (en) * 2004-10-06 2006-04-13 Koninklijke Philips Electronics N.V. Microfluidic testing system
CN101709789A (zh) * 2009-11-19 2010-05-19 复旦大学 一种光驱动微阀及其驱动方法
KR20120060647A (ko) * 2010-12-02 2012-06-12 광주과학기술원 마이크로 체크 밸브 및 그 제조방법
KR20130054867A (ko) * 2011-11-17 2013-05-27 광주과학기술원 마이크로 체크밸브 및 그 제조 방법
WO2013124448A1 (fr) * 2012-02-24 2013-08-29 Fonds Espci Georges Charpak Microcanal avec dispositif d'ouverture et/ou fermeture et/ou pompage
CN104481850A (zh) * 2014-11-13 2015-04-01 常州大学 一种光驱动微流体泵

Patent Citations (8)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
WO2001002737A1 (en) * 1999-06-30 2001-01-11 Gyros Ab Polymer valves
WO2006020093A2 (en) * 2004-07-22 2006-02-23 Harris Corporation Embedded control valve using electroactive material
WO2006038159A1 (en) * 2004-10-06 2006-04-13 Koninklijke Philips Electronics N.V. Microfluidic testing system
CN101709789A (zh) * 2009-11-19 2010-05-19 复旦大学 一种光驱动微阀及其驱动方法
KR20120060647A (ko) * 2010-12-02 2012-06-12 광주과학기술원 마이크로 체크 밸브 및 그 제조방법
KR20130054867A (ko) * 2011-11-17 2013-05-27 광주과학기술원 마이크로 체크밸브 및 그 제조 방법
WO2013124448A1 (fr) * 2012-02-24 2013-08-29 Fonds Espci Georges Charpak Microcanal avec dispositif d'ouverture et/ou fermeture et/ou pompage
CN104481850A (zh) * 2014-11-13 2015-04-01 常州大学 一种光驱动微流体泵

Non-Patent Citations (3)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Title
FULLER ET AL., PROC. R. SOC. LOND. A, vol. 345, 1975, pages 327 - 342
J. TER SCHIPHORST ET AL., LAB CHIP, vol. 18, 2018, pages 699
LóPEZ-VALDEOLIVAS MARíA, LIU DANQING, BROER DICK JAN, SáNCHEZ-SOMOLINOS CARLOS: "4D Printed Actuators with Soft-Robotic Functions", MACROMOLECULAR RAPID COMMUNICATIONS, WILEY-VCH, DE, vol. 39, no. 5, 1 March 2018 (2018-03-01), DE , pages 1700710, XP055837496, ISSN: 1022-1336, DOI: 10.1002/marc.201700710 *

Also Published As

Publication number Publication date
ES2887874B2 (es) 2022-11-18
EP4170212A1 (en) 2023-04-26
CN115989086A (zh) 2023-04-18
US20230258164A1 (en) 2023-08-17
ES2887874A1 (es) 2021-12-28

Similar Documents

Publication Publication Date Title
Li et al. Synergistic photoactuation of bilayered spiropyran hydrogels for predictable origami-like shape change
US9408941B2 (en) Tissue treatment systems and methods having a non-tactile-stimulus-activated, macroscopically-deforming material
Dong et al. Variable-focus liquid microlenses and microlens arrays actuated by thermoresponsive hydrogels
Sugiura et al. Photoresponsive polymer gel microvalves controlled by local light irradiation
Byrne et al. Materials science and the sensor revolution
US7326296B2 (en) High throughput screening of crystallization of materials
CN107305214B (zh) 一种硬质微流体芯片的制作方法
ES2818539T3 (es) Microcanal con dispositivo de apertura y/o cierre y/o bombeo
US20110315227A1 (en) Microfluidic system and method
CN104819119A (zh) 致动器泵系统
JP7257565B2 (ja) マイクロ流体デバイス、その製造方法、およびその使用
Lahikainen et al. Tunable photomechanics in diarylethene-driven liquid crystal network actuators
CA2637885A1 (en) Microfluidic structures
CN107096580A (zh) 一种具有旋转阀结构的微流控芯片
CN201884767U (zh) 一种气泡微阀及基于此气泡微阀的微流控芯片
CN111235029B (zh) 一种多功能微流控芯片及其制备方法与应用
WO2021260249A1 (es) Válvula microfluídica, procedimiento de fabricación y usos de la misma
KR20030038739A (ko) 미소 케미컬 디바이스 및 그 유량 조절 방법
US9157551B2 (en) Reconfigurable microactuator and method of configuring same
KR100978317B1 (ko) 광열효과를 이용한 미세밸브 및 이를 이용한 랩온어칩시스템
Pan et al. Plant-inspired TransfOrigami microfluidics
US7670429B2 (en) High throughput screening of crystallization of materials
KR101540518B1 (ko) 코드화된 마이크로캡슐 및 이를 이용하여 제조된 마이크로 어레이
CN202433389U (zh) 一种具有高深宽比微流道的微流控芯片
CN113484274A (zh) 一种红外微流控芯片液体池以及制备方法以及一种活细胞的ftir分析方法

Legal Events

Date Code Title Description
121 Ep: the epo has been informed by wipo that ep was designated in this application

Ref document number: 21829530

Country of ref document: EP

Kind code of ref document: A1

NENP Non-entry into the national phase

Ref country code: DE

ENP Entry into the national phase

Ref document number: 2021829530

Country of ref document: EP

Effective date: 20230123