Un polímero de polímero tiol-eno fuera de estequiometría es una plataforma de polímero que comprende tiol- enos fuera de estequiometría ( OSTE ) y tiol-eno-epoxis fuera de estequiometría ( OSTE + ).
Los polímeros OSTE comprenden mezclas fuera de estequiometría de tioles y alilos. Después de la polimerización completa, típicamente por micromoldeo UV, los artículos poliméricos contienen un número bien definido de grupos tiol o alilo sin reaccionar tanto en la superficie como en la masa. Estos anclajes de superficie se pueden utilizar para la posterior modificación o unión directa de la superficie. [1]
En versiones posteriores se añadieron monómeros epoxi para formar sistemas ternarios de monómeros tiol-eno-epoxi (OSTE +), donde el epoxi en un segundo paso reacciona con el exceso de tioles creando un artículo polimérico final que es completamente inerte. [2] Algunas de las características críticas de los polímeros OSTE + incluyen la fabricación rápida y sin complicaciones de estructuras complejas en laboratorios de química estándar, propiedades de superficie nativa hidrófila y unión covalente a través de la química epoxi latente. [3]
Desarrollo
Las resinas poliméricas OSTE fueron desarrolladas originalmente por Tommy Haraldsson y Fredrik Carlborg en el grupo de Micro y Nanosistemas [4] en el Instituto Real de Tecnología (KTH) para cerrar la brecha entre la investigación de prototipos y la producción comercial de dispositivos de microfluidos . [1] Las resinas fueron posteriormente adaptadas y mejoradas para aplicaciones comerciales por la start-up sueca Mercene Labs AB bajo el nombre OSTEMER.
Mecanismo de reacción
Las resinas OSTE se curan mediante una rápida reacción de "clic" de tiol-eno entre tioles y alilos. Los tioles y alilos reaccionan de manera perfectamente alterna y tienen una tasa de conversión muy alta (hasta 99%), [5] la estequiometría inicial de los monómeros definirá exactamente el número de grupos sin reaccionar que quedan después de la polimerización. Con la elección correcta de los monómeros, se pueden lograr relaciones de estequiometría muy altas mientras se mantienen buenas propiedades mecánicas. [1]
Los tiol-eno-epoxis fuera de estequiometría, o polímeros OSTE +, se crean en un proceso de curado de dos pasos donde una primera reacción rápida de tiol-eno define la forma geométrica del polímero dejando un exceso de tioles y todo el epoxi sin reaccionar. En un segundo paso, todos los grupos tiol restantes y los grupos epoxi se hacen reaccionar para formar un polímero inerte. [6]
Propiedades
Polímeros OSTE
Las principales ventajas presentadas de los polímeros OSTE curados con UV en microsistemas han sido su i) capacidad de unión en seco al hacer reaccionar un polímero con exceso de tiol a un segundo polímero con exceso de alilo a temperatura ambiente usando solo luz UV, ii) su pozo -número definido y sintonizable de anclajes de superficie (tioles o alilos) presentes en la superficie que se pueden usar para la modificación directa de la superficie [7] y iii) su amplio rango de ajuste de propiedades mecánicas, desde gomoso a termoplástico, dependiendo solo de la elección de fuera de la estequiometría. [8] [1] La temperatura de transición vítrea típicamente varía desde debajo de la temperatura ambiente para relaciones estequiométricas altas hasta 75 ° C para una mezcla estequiométrica de tetratiol y trialilo. [9] Suelen ser transparentes en el rango visible. Una desventaja presentada con los polímeros OSTE es la lixiviación de los monómeros sin reaccionar en proporciones estequiométricas muy altas que pueden afectar a las células y proteínas en el laboratorio en chips, [1] aunque se ha observado la viabilidad celular para cultivos celulares en niveles bajos. OSTE fuera de estequiométrico. [10]
Polímeros OSTE +
Los tiol-eno-epoxis de curado dual, o polímeros OSTE +, se diferencian de los polímeros OSTE en que tienen dos pasos de curado separados. Después del primer paso iniciado por UV, el polímero es gomoso y se puede deformar fácilmente [11] y tiene anclajes de superficie disponibles para la modificación de la superficie. [12] Durante el segundo paso, cuando todos los tioles y epoxis reaccionan, el polímero se endurece y puede unirse a un gran número de sustratos, incluido él mismo, a través de la química del epoxi. Las ventajas presentadas para el OSTE + son i) su capacidad única de integración y unión a través de la química epoxi latente y las bajas tensiones incorporadas en los polímeros de tiol-enos [13] ii) su completa inercia después del curado final iii) su buena propiedades de barrera [14] y la posibilidad de ampliar la fabricación mediante moldeo por inyección de reacción industrial. [15] Se han demostrado las versiones rígidas y gomosas de los polímeros OSTE +, mostrando su potencial en microsistemas para válvulas y bombeo similares a los componentes PDMS, pero con el beneficio de soportar presiones más altas. [11] Se ha demostrado que la versión comercial del polímero OSTE +, OSTEMER 322, es compatible con muchas líneas celulares. [dieciséis]
Fabricación
Polímeros OSTE
Las resinas OSTE se pueden moldear y curar en moldes de silicona estructurados [1] o con un fotorresistente permanente recubierto. [17] Los polímeros OSTE también han demostrado una excelente capacidad de fotoestructuración [18] utilizando fotomáscaras, lo que permite, por ejemplo, bombas capilares potentes y flexibles. [19]
Polímeros OSTE +
Las resinas OSTE + se curan primero con UV de la misma manera que los polímeros OSTE, pero luego se curan térmicamente para endurecer y adherirse a un sustrato.
Resistencia de haz electrónico OSTE
La resina OSTE también se puede utilizar como resistencia de haz de electrones, lo que da como resultado nanoestructuras que permiten la funcionalización directa de proteínas. [20]
Aplicaciones
Laboratorio en un chip
OSTE + permite una microestructura de litografía suave, una fuerte unión en seco biocompatible a casi cualquier sustrato durante la fabricación de Lab-on-a-chip (LoC), mientras que simultáneamente imita las propiedades mecánicas que se encuentran en los polímeros termoplásticos, lo que permite la creación de prototipos reales de LoC comerciales. [21] Los materiales comúnmente utilizados para microfluidos sufren de pasos difíciles de manejar y procesos de unión a menudo ineficaces, especialmente cuando se empaquetan superficies biofuncionalizadas, lo que hace que el ensamblaje de LoC sea difícil y costoso [22] [23] Polímero OSTE + que se adhiere de manera efectiva a nueve tipos diferentes de sustratos, no requiere tratamiento de superficie antes de la unión a temperatura ambiente, presenta una alta Tg y logra una buena fuerza de unión hasta al menos 100 ° C. [21] Además, se ha demostrado que se pueden obtener excelentes resultados utilizando fotolitografía en polímero OSTE, lo que abre aplicaciones potenciales más amplias. [24]
Embalaje biológico
Los biosensores se utilizan para una variedad de mediciones biológicas. [25] [26]
Se ha demostrado el empaquetado OSTE para biosensores para QCM, [27] y sensores de resonador de anillo fotónico. [28]
Unión de obleas
La unión adhesiva de obleas se ha convertido en una tecnología establecida en aplicaciones de integración y envasado de sistemas microelectromecánicos (MEMS). [29] OSTE es adecuado para la integración heterogénea de niveles de obleas de silicio dependiendo de su aplicación en procesos de baja temperatura debido a su capacidad de curado incluso a temperatura ambiente. [30]
Impresión de microarrays y patrones de energía superficial
La impresión de matrices con micropocillos hidrofílicos en hidrofóbicos se hace posible utilizando un enfoque innovador de replicación de energía superficial mediante una formulación de polímero de tiol-eno hidrofóbico. En este polímero, los monómeros que contienen restos hidrófobos se autoensamblan en la superficie hidrófoba del sello de impresión, lo que da como resultado una superficie de réplica hidrófoba después de la polimerización. Después de retirar el sello, se obtienen micropocillos con paredes hidrofóbicas y un fondo hidrofílico. Este procedimiento rápido y económico se puede utilizar en la tecnología de matriz de micropocillos digitales para aplicaciones de diagnóstico. [31] [32]
Referencias
- ↑ a b c d e f Carlborg, Carl Fredrik; Haraldsson, Tommy; Öberg, Kim; Malkoch, Michael; van der Wijngaart, Wouter (2011). "Más allá de PDMS: litografía suave basada en tiol-eno fuera de estequiometría (OSTE) para la creación rápida de prototipos de dispositivos de microfluidos" . Lab on a Chip . 11 (18): 3136–47. doi : 10.1039 / c1lc20388f . ISSN 1473-0197 . PMID 21804987 .
- ^ Saharil, Farizah; Carlborg, Carl Fredrik; Haraldsson, Tommy; van der Wijngaart, Wouter (2012). "Biocompatible", haga clic en "Unión de obleas para dispositivos de microfluidos" . Lab on a Chip . 12 (17): 3032–5. doi : 10.1039 / c2lc21098c . ISSN 1473-0197 . PMID 22760578 .
- ^ [1] Vastesson, Proc. Transductores IEEE 2013 Barcelona, 408-411 (2013)
- ^ [2] MICROFLUIDICOS Y LAB-ON-CHIP
- ^ Hoyle, Charles E. (2010). "Thiol-Ene Click Chemistry". Angewandte Chemie International Edition . 49 (9): 1540-1573. doi : 10.1002 / anie.200903924 . PMID 20166107 .
- ^ [3] Saharil, Revista de Micromecánica y Microingeniería 23, 025021 (2013)
- ↑ [4] BIOMICROFLUIDICS 6, 016505 (2012)
- ↑ [5] Lafleur, Analista 138, 845-849 (2013)
- ^ [6] Archivado 2014-03-01 en la Wayback Machine OSTE + Hoja de datos oficial
- ↑ [7] Errando-Herranz, Proc. MicroTAS 2013 Friburgo, (2013)
- ^ a b [8] Hansson, Proc. IEEE MEMS 2014 San Francisco, (2014)
- ^ [9] Zhou, Proc. MicroTAS 2013 Friburgo, (2013)
- ^ Hoyle, Charles E. (2004). "Thiol-enes: química del pasado con promesa para el futuro" . Journal of Polymer Science Parte A: Química de polímeros . 42 (21): 5301–5338. Código Bibliográfico : 2004JPoSA..42.5301H . doi : 10.1002 / pola.20366 .
- ^ [10] [ enlace muerto permanente ] Saharil, Journal of Micromechanics and Microengineering 23, 025021 (2013)
- ^ Sandström, N; Shafagh, RZ; Vastesson, A; Carlborg, CF; Wijngaart, W van der; Haraldsson, T (2015). "Moldeo por inyección de reacción y unión covalente directa de dispositivos microfluídicos de polímero OSTE +" . Revista de Micromecánica y Microingeniería . 25 (7): 075002. Código Bibliográfico : 2015JMiMi..25g5002S . doi : 10.1088 / 0960-1317 / 25/7/075002 .
- ^ Pegatina, Drago; Rothbauer, Mario; Lechner, Sarah; Hehenberger, Marie-Therese; Ertl, Peter (24 de noviembre de 2015). "Microfluídicos multicapa integrados en la membrana basados en el moldeado de réplica de un termoestable epóxico de tiol-eno para aplicaciones de órgano en un chip". Lab Chip . 15 (24): 4542–4554. doi : 10.1039 / c5lc01028d . ISSN 1473-0189 . PMID 26524977 .
- ^ Fredrik, Carlborg, Carl; M., Cretich; Tommy, Haraldsson; L., Sola; M., Bagnati; M., Chiari; Wouter, van der Wijngaart (1 de enero de 2011). "Biosticker: pegatinas de microfluidos estampadas para una rápida integración con microarrays" : 311–313. Cite journal requiere
|journal=
( ayuda ) - ^ Hillmering, Mikael; Perdón, Gaspard; Vastesson, Alexander; Supekar, Omkar; Carlborg, Carl Fredrik; Brandner, Birgit D .; Wijngaart, Wouter van der; Haraldsson, Tommy (15 de febrero de 2016). "Off-estequiometría mejora la fotoestructuración de tiol-enos a través de la depleción de monómeros inducida por difusión" . Microsistemas y Nanoingeniería . 2 : 15043. doi : 10.1038 / micronano.2015.43 . ISSN 2055-7434 . PMC 6444721 . PMID 31057810 .
- ^ Hansson, Jonas; Yasuga, Hiroki; Haraldsson, Tommy; Wijngaart, Wouter van der (5 de enero de 2016). "Papel microfluídico sintético: matrices micropilares de polímero de alta superficie y alta porosidad" . Lab Chip . 16 (2): 298-304. doi : 10.1039 / c5lc01318f . ISSN 1473-0189 . PMID 26646057 .
- ^ Shafagh, Reza; Vastesson, Alexander; Guo, Weijin; van der Wijngaart, Wouter; Haraldsson, Tommy (2018). "Nanoestructuración de E-Beam y biofuncionalización de clic directo de Thiol-Ene Resist" . ACS Nano . 12 (10): 9940–9946. doi : 10.1021 / acsnano.8b03709 . PMID 30212184 .
- ↑ a b [11] Saharil, Lab Chip 12, 3032-3035 (2012)
- ^ [12] J. Micromech. Microeng. 18 (2008) 067001 (4pp)
- ^ [13] J. Micromech. Microeng. 21 (2011) 025008 (8pp)
- ^ [14] 1. Perdón G, et al., Microfluidics and Nanofluidics. 2014 14 de febrero.
- ↑ [15] Homola, Chemical Reviews, 108 (2), 462–493, 2008
- ↑ [16] Carlborg, Proc. MicroTAS 2011 Seatle, 311-313 (2011)
- ↑ [17] Sandström, Proc. Transductores IEEE 2011 Beijing, 2778-2781 (2011)
- ^ [18] Errando-Herranz, opc. Express 21, 21293 (2013)
- ^ [19] Niklaus F, Stemme G, Lu JQ y Gutmann RJ 2006 Unión de obleas adhesivas J. Appl. Phys. 99 03110
- ^ [20] [ enlace muerto permanente ] Forsberg, Journal of Micromechanics and Microengineering 23, 085019 (2013)
- ^ Decrop, Deborah; Perdón, Gaspard; Shafagh, Reza; Spacic, Dragana; van der Wijngaart, Wouter; Lammertyn, Jeroen; Haraldsson, Tommy (2017). "La impresión de un solo paso de matrices de micropocillos Femtoliter permite bioensayos digitales con límite de detección attomolar". Materiales e interfaces aplicados ACS . 9 (12): 10418–10426. doi : 10.1021 / acsami.6b15415 . PMID 28266828 .
- ^ Shafagh, Reza; Decrop, Deborah; Ven, Karen; Vanderbeke, Arno; Hanusa, Robert; Perdón, Gaspard; Haraldsson, Tommy; Lammertyn, Jeroen; van der Wijngaart, Wouter (2019). "Moldeo por inyección de reacción de matrices de pozos de femtolitro hidrófilos en hidrófobos" . Microsistemas y Nanoingeniería . 5 (25): 25. Bibcode : 2019MicNa ... 5 ... 25Z . doi : 10.1038 / s41378-019-0065-2 . PMC 6545322 . PMID 31231538 .