Estudo e otimização de estruturas em PDMS para dispositivos microfluídicos

Abstract

O uso de elastómeros tem atraído o interesse de investigadores no desenvolvimento de sistemas microeletromecânicos e componentes microfluídicos para aplicações biomédicas. O polidimetilsiloxano, mais vulgarmente conhecido por PDMS, é um exemplo desses materiais. O extenso conhecimento deste material, aliado ao seu baixo custo e a outras características como facilidade de fabrico, flexibilidade, biocompatibilidade, transparência ótica, entre outras, permitiram a sua utilização numa diversificada gama de aplicações. Aplicações essas que vão desde nanogeradores de energia até dispositivos médicos, bem como aplicações microfluídicas funcionando como microválvulas, micromisturadores e microbombas. O interesse do grupo de investigação na área da microfluídica, juntamente com as propriedades apresentadas por este material, estimularam o objetivo desta dissertação de mestrado. O trabalho implicou o desenvolvimento de toda a instalação experimental e a otimização do processo de fabrico do PDMS direccionado para estruturas microfluídicas. Para tal, avaliaram-se as diferentes fases do processamento como a mistura, a desgasificação e a cura. Além disso, verificou-se o efeito da alteração das variáveis do processo de fabrico como a proporção base do pré-polímero/agente de cura, o tempo e a temperatura de cura. O módulo de elasticidade foi quantificado por testes de tração para avaliar a influência de cada um destes fatores. A segunda parte do trabalho centrou-se na ligação de estruturas em PDMS recorrendo-se à ligação por cura parcial, descarga corona e plasma de oxigénio. Para além disso avaliou-se a evolução dos ângulos de contacto de amostras de PDMS quando sujeitas a tratamento com plasma de oxigénio. Por fim, mediu-se a transmitância das amostras de PDMS. As estruturas microfluídicas fabricadas a partir de moldes em SU-8 e acrílico mostraram ser reprodutíveis, tendo-se obtido canais lisos e sem obstruções, o que demonstra o enorme potencial deste método no desenvolvimento futuro de dispositivos para aplicações em áreas como Biomédica, Biotecnologia e Análises (Bio)Químicas.

The use of elastomers has attracted the interest of researchers in the development of Microelectromechanical Systems (MEMS) and microfluidic components for biomedical applications. Polydimethylsiloxane, more commonly known as PDMS, is an example of these materials. The extensive knowledge on this material combined with its low cost and other characteristics such as ease of manufacture, flexibility, biocompatibility, optical transparency, among others, allowed it to be implemented in a diverse range of applications. These applications range from energy nanogenerators, medical devices and microfluidic applications functioning as microvalves, micropumps and micromixers. The research group's interest in the field of microfluidics allied with the properties displayed by this material stimulated the purpose of this dissertation. The work involved the assembly of the experimental setup and the optimization of PDMS microfluidic structures fabrication process. To this end, the different stages of processing such as mixing, degassing and curing were evaluated. In addition, the effect of manufacturing variables, such as pre-polymer base/curing agent ratio, time and temperature of curing were analyzed. The Young modulus was determined by tensile tests to evaluate the influence of these factors. The second part of the work focused on the bonding of different PDMS structures using techniques such as partial cure, corona discharge and oxygen plasma. In addition, the evolution of contact angles of PDMS samples when subjected to treatment with oxygen plasma were evaluated. Finally, the transmittance of PDMS samples were measured. The PDMS microfluidic structures fabricated from SU-8 and acrylic molds shown to be reproducible, obtaining smooth and unobstructed channel, which demonstrates the large potential of this method in the development of devices for applications in areas such as Biomedical, Biotechnology and Chemical Analysis.