Amélioration de la diffusion du soluté dans les microgouttelettes à l'aide de microrotors sous champ magnétique rotationnel

Jun 29, 2023

Rapports scientifiques volume 13, Numéro d'article : 11169 (2023) Citer cet article

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Dans le contrôle de contact vertical (VCC), un réseau de microgouttelettes entre en contact de manière sélective avec un réseau de microgouttelettes opposé. Généralement, VCC est utile pour le mécanisme de distribution basé sur la diffusion de soluté entre des paires de microgouttelettes. Cependant, la sédimentation due à la gravité peut provoquer une répartition inhomogène des solutés dans les microgouttelettes. Par conséquent, il est nécessaire d’améliorer la diffusion du soluté pour obtenir une distribution précise d’une grande quantité de soluté dans la direction opposée à celle de la gravité. Ici, nous avons appliqué un champ magnétique rotationnel aux microrotors dans les microgouttelettes pour améliorer la diffusion du soluté dans les microgouttelettes. Entraîné par des microrotors, le flux rotationnel peut générer une répartition homogène des solutés sous forme de microgouttelettes. Nous avons analysé la dynamique de diffusion des solutés à l'aide d'un modèle phénoménologique et les résultats ont montré que la rotation des microrotors peut augmenter la constante de diffusion des solutés.

Les tests biochimiques, tels que les tests de réaction en chaîne par polymérase, sont devenus de plus en plus importants récemment. Pour introduire les échantillons collectés dans les instruments analytiques pour ces analyses, les échantillons sont distribués dans des plaques à puits avec des réactifs de test. La distribution est généralement effectuée manuellement à l'aide d'une pipette. Par conséquent, cette préparation manuelle, qui représente une lourde charge pour les opérateurs et génère une grande quantité de déchets plastiques, doit être remplacée par un processus automatique et efficace.

Des réseaux de microgouttelettes sont souhaités pour de nouveaux mécanismes de distribution1,2. Par exemple, lorsque nous introduisons une solution aqueuse sur un substrat à motif mouillant (où des régions hydrophiles circulaires sont structurées sur un matériau hydrophobe), un réseau de microgouttelettes peut se former spontanément3,4. Comme les microgouttelettes sont séparées les unes des autres dans un réseau, nous pouvons les considérer comme des puits individuels. En d’autres termes, un réseau de microgouttelettes est un candidat prometteur pour les plaques à puits pouvant être intégrées sur une puce. Dans la méthode des gouttelettes suspendues, les cellules biologiques sont cultivées dans des réseaux de microgouttelettes2,5.

Après avoir appliqué le contrôle de contact vertical (VCC) entre un réseau de microgouttelettes et un réseau opposé, les microgouttelettes fusionnent par paires6,7. Comme les solutés peuvent voyager à travers une microgouttelette coalescente, le VCC des réseaux de microgouttelettes constitue une approche alternative de manipulation pour le pipetage. En intégrant l'électromouillage dans la technique diélectrique avec VCC pour manipuler la forme des microgouttelettes, cela nous permet de contrôler sélectivement le contact entre les paires arbitraires de microgouttelettes8,9. Un travail antérieur a montré que la gravité pouvait provoquer le transport de billes fluorescentes (considérées comme des cellules) vers les microgouttelettes du fond via VCC8.

De plus, il est possible de transporter des solutés à travers des microgouttelettes coalescentes par diffusion. Les réactifs de test initialement introduits dans les microgouttelettes supérieures peuvent diffuser à travers les microgouttelettes coalescentes pendant la VCC et nous pouvons ainsi distribuer des réactifs de test aux microgouttelettes inférieures. Un travail antérieur a observé des oscillations cellulaires du calcium après VCC entre les microgouttelettes inférieures et supérieures, qui comprennent respectivement les cellules et l'histamine 10 . De plus, la réaction de fluorescence serait contrôlée par la concentration d’histamine ajustée à l’aide du VCC des microgouttelettes.

Le contrôle de la concentration de soluté dans les microgouttelettes est important pour l’application biochimique du mécanisme de distribution par le VCC des microgouttelettes. Cependant, la différence de densité entre le soluté et l’eau peut provoquer une distribution hétérogène de la concentration du soluté dans les microgouttelettes coalescentes dans la direction de la gravité. Bien que la diffusion du soluté puisse réduire partiellement l’inhomogénéité, une distribution homogène des concentrations ne serait pas obtenue. La différence de concentration entre les solutés dans les microgouttelettes supérieures et inférieures après séparation dépend des propriétés de diffusion du soluté. Par conséquent, un mécanisme supplémentaire d’amélioration de la diffusion du soluté peut nous permettre d’obtenir une distribution homogène de la concentration du soluté et doit contribuer à la distribution du soluté du bas vers les microgouttelettes supérieures avec un contrôle précis de la concentration.