Les impacts des différentes résines sur les réactifs
Les systèmes microfluidiques nécessitent une attention particulière en ce qui concerne les interactions chimiques, thermiques et physiques avec les réactifs. Les interactions entre le réactif et la résine (ou le plastique/polymère) doivent être minimisées autant que possible pour éviter la lixiviation, la dégradation du système, l’absorption et des résultats de test peu fiables.
La lixiviation des thermoplastiques ou l’absorption des réactifs peut rapidement créer des vulnérabilités importantes et imprévues au sein du système, sans parler des effets néfastes sur l’énergie de surface. Par conséquent, si un système microfluidique nécessite un ensemble spécifique d’exigences chimiques et thermiques, le processus de sélection du polymère plastique devrait envisager des polymères ayant des propriétés chimiques appropriées (ou utiliser un mélange de polymères personnalisé).
Tout traitement de surface ou modification doit également être pris en compte lors de la sélection d’une résine. Si des additifs réactifs inattendus, tels que des détergents, créent affectent négativement la capacité de mouillage de surface de la résine, il peut se révéler nécessaire de définir des niveaux spécifiques d’énergie de surface pour y remédier.
Ces domaines sont souvent négligés lors du processus de conception initial. Par conséquent, ils génèrent souvent des problèmes aux stades ultérieurs des tests et du développement. Pour éviter des refontes coûteuses, considérez attentivement les propriétés suivantes.
Tableaux des plastiques et résistances
Les résines (ou plastiques) apportent des avantages majeurs au développement de dispositifs microfluidiques. Ils sont rentables, reproductibles, extrêmement adaptables et idéaux pour les dispositifs jetables au point de service. Ils peuvent être moulés beaucoup plus facilement que les matériaux inorganiques et le papier. Mis à part les avantages, il est important de tenir compte des exigences du dispositif et de l’utilisation prévue avant de choisir un matériau, en particulier dans le cas des plastiques. Les polymères plastiques sont généralement classés en deux formes : le polydiméthylsiloxane (PDMS) et les thermoplastiques.
Le PDMS est l’un des polymères les plus utilisés en raison de son élasticité, de sa biocompatibilité, de sa clarté optique et de sa permittivité aux gaz. Le matériau peut être déformé sous l’application de force ou de pression d’air, créant ainsi des vannes pour un meilleur contrôle du transport de fluide. Les inconvénients du PDMS peuvent inclure une déformation inattendue du canal, une faible résistivité acido-basique et aux solvants, une évaporation, l’absorption de l’échantillon, la lixiviation et une récupération hydrophobe.
Par ailleurs, les thermoplastiques sont rigides et bénéficient d’une stabilité mécanique, d’une faible absorption de l’eau et, en général, d’une résistivité acido-basique et aux solvants. Cependant, leur composition et leur réaction à certains produits chimiques varient. Les familles de thermoplastiques comprennent le polyéthylène (PE), les polycarbonates (Ac), les polypropylènes (PP), les acryliques tels que le polyméthacrylate de méthyle (PMMA), le copolymère d’oléfine cyclique (COC), le polystyrène (PS) et l’élastomère thermoplastique (TPE).
Il existe plusieurs produits chimiques remarquables qui peuvent créer des effets indésirables importants parmi de nombreuses compositions polymères, telles que le xylène, l’acide sulfurique concentré, le trichloréthylène et le chloroforme. Ces produits chimiques ont été signalés comme ayant des effets de détérioration majeurs sur la plupart des groupes de polymères (bien qu’il existe quelques exceptions). Les fabricants signalent souvent la compatibilité chimique et les résistances du groupe de polymères dans des tableaux présentant des données sur l’absorption d’eau, la résistance acido-basique et aux solvants, la transmissivité optique et les propriétés thermiques. En fait, il existe des centaines de tables de ce type. Les informations contenues dans ces tableaux sont importantes pour comprendre l’interaction entre une résine et un réactif prévu. Ces tableaux devraient être examinés attentivement pour s’assurer que le dispositif est stable et que le test prévu est effectué avec précision. Une résistance adéquate aux acides, aux bases et aux solvants est vitale pour tout dispositif microfluidique à base de polymère, car l’exposition peut entraîner la détérioration des microcanaux.
Sachez que même si ces tableaux peuvent fournir une « vue d’ensemble », ils ne fournissent pas nécessairement une « image complète ». Beaucoup d’entre eux concernent les produits d’une entreprise spécifique et se concentrent sur l’intégrité physique (malheureusement, il n’existe pas de tableaux de résistance vraiment complets en raison de la richesse des marques et des produits sur le marché). En outre, ils n’adhèrent généralement pas à une norme de notation unique. Il existe des tableaux pour des polymères spécifiques, mais cette information ne se trouve nulle part ailleurs.
(Il est important de noter que si les tableaux de résistance ont tendance à généraliser les groupes de polymères, il existe des sociétés de polymères personnalisées dont le modèle commercial est basé sur la formulation du meilleur polymère pour vos besoins spécifiques.)
Absorption et substances lixiviables
L’absorption et la lixiviabilité ne sont souvent prises en compte que tard dans le processus de conception des dispositifs DIV. Cela pourrait être une erreur : une prise en considération précoce de ces propriétés peut minimer leur impact sur la fiabilité et les résultats.
Les substances lixiviables sont des produits chimiques qui s’infiltrent dans le produit à partir du système qui le contient (dans ce cas, la structure polymère) dans des conditions normales de production, d’application ou de stockage. Inversement, l’absorption fait référence à la fuite ou à l’adhérence du produit dans la structure polymère environnante. Pour composer les matières, les composés absorbés piégés dans le polymère peuvent dégrader la structure et ensuite s’infiltrer dans les échantillons de test suivants. Ainsi, l’inclusion de composés imprévus dans le produit peut créer un problème important pour la fiabilité, l’efficacité et la sécurité du test.
Dans la conception de dispositifs DIV, le potentiel de lixiviation et d’absorption d’une résine doit être soigneusement pris en compte afin de minimiser les effets indésirables. Le niveau de pH du réactif peut avoir un impact significatif sur la libération de composés lixiviables. Ces composés peuvent être acides ou basiques ; ainsi, le réactif lui-même peut fournir une méthode d’extraction pour le composé lixiviable, car la solubilité et le niveau d’accumulation dépendront du pH. En outre, des conditions extérieures telles que des solvants puissants, des températures élevées et de longues durées peuvent conduire à une solubilisation plus élevée des composés lixiviables. La présence de sels et de détergents peut également entraîner une augmentation des niveaux de substances lixiviables solubilisées dans le produit.
Il est essentiel de s’assurer que tout polymère choisi minimise le potentiel de lixiviation et d’absorption afin que la performance du test ne soit pas affectée. Cela peut être réalisé avec une comparaison de test parallèle avec des polymères moulés de taille similaire présentant des rapports surface/volume comparables.
Énergie de surface et modifications
Le contrôle fluidique dépend fortement de l’énergie de surface et de la formulation spécifique du réactif. L’énergie de surface est formée à partir du rapport volume/surface élevé qui se produit dans les systèmes fluidiques à l’échelle microscopique. Par la suite, l’énergie de surface varie considérablement dans tout le système microfluidique – d’hydrophobe/oléophobe (faible énergie de surface) à hydrophile/oléophile (énergie de surface élevée) – en fonction des matériaux utilisés.
L’énergie de surface est déterminée par la « mouillabilité de surface », ou le degré auquel un liquide se répand sur la surface de l’interface du matériau. La mouillabilité de surface provient des forces intermoléculaires agissant entre les molécules du réactif et les surfaces des matériaux.
L’énergie de surface est mesurée en observant l’angle de contact formé entre une gouttelette d’eau et la surface du matériau. Ces forces sont le produit des propriétés du produit chimique réactif et de l’hydrophilie de la surface (ou du revêtement). Ainsi, en ajoutant des additifs à l’eau, il est possible d’ajuster les forces de tension superficielle. Par exemple, les sels ont un impact relativement faible sur la tension superficielle. À contrario, les détergents et les dérivés du benzène ont un impact plus important.
Les polymères ont des propriétés d’énergie de surface naturelles ; cependant, il est possible de personnaliser ou de modifier chimiquement le polymère pour l’affecter. Les surfaces peuvent également être traitées pour ajuster l’énergie de surface par l’amorçage (ou l’application de revêtements chimiques), le nettoyage au plasma, le dépôt en phase vapeur et l’ajustement de la texture de surface et le polissage. La texture et le polissage peuvent influencer l’énergie de surface, une surface plus polie étant généralement plus hydrophobe. La résolution de la texture de surface dépend du « flux » de résine et des paramètres de moulage tels que la température, la pression et la vitesse d’injection, et la durée de cycle.
Conclusion
Les résines offrent des solutions rentables pour les systèmes microfluidiques ; cependant, des refontes coûteuses peuvent atténuer cet avantage. L’interaction entre les résines et les réactifs peut avoir des impacts significatifs sur l’efficacité du dispositif microfluidique et du test prévu. Il est essentiel de prendre en compte chaque interaction résine/réactif pour dresser un tableau complet de la viabilité d’une solution potentielle à base de résine.
