ES2989546B2 - Procedimiento de fabricacion de microparticulas planares y microparticulas planares - Google Patents

Description

DESCRIPCIÓN

PROCEDIMIENTO DE FABRICACIÓN DE MICROPARTÍCULAS PLANARES Y

MICROPARTÍCULAS PLANARES

OBJETO DE LA INVENCIÓN

El objeto de la presente invención es un procedimiento de fabricación de micropartículas planares alargadas, esencialmente rectangulares, unidas a un sustrato por medio de uno o más pies, que logra el aumento del rendimiento de la fabricación de estas micropartículas.

ANTECEDENTES DE LA INVENCIÓN

En el campo de la ingeniería y la ciencia de materiales se entiende como partícula cualquier ente, de escala micro o nanométrica, dotado de masa y que puede ser obtenido de forma natural o artificial a partir de procedimientos físico-químicos. Actualmente, las distintas técnicas existentes para la obtención de micro y nanopartículas pueden clasificarse en dos grandes grupos, en función de si éstas se fabrican directamente de forma individualizada, o bien si son obtenidas en forma de matriz ordenada.

Todas las técnicas englobadas en el primero de los grupos enumerados (fabricación individualizada de partículas) están basadas en dos tipos de aproximaciones distintas, denominadas aproximación descendente y aproximación ascendente.

La primera de ellas se basa en la obtención de material particulado a partir de un volumen o bloque de material o estructuras más grandes, a través de progresivas reducciones de tamaño.

La aproximación ascendente, por otro lado, consiste en la síntesis química supramolecular, que utiliza la información química contenida en los distintos componentes individuales (átomos o moléculas) para conseguir su agrupación espontánea en partículas complejas más grandes, mediante procesos de auto-ensamblaje.

En los últimos años ha aumentado el interés científico para el desarrollo de nuevos materiales y compuestos basados en polímeros. Mediante el uso de técnicas de síntesis química, se han desarrollado técnicas tan diversas como enfoque de flujo o pulverización o la microemulsión que, combinadas con la microfluídica, están siendo empleadas también para la fabricación de partículas, tanto simples como compuestas.

Todas estas técnicas de autoensamblado tienen en común la obtención directa de grandes cantidades de partículas idénticas, de forma individualizada y a un bajo coste. El principal inconveniente que presentan estos métodos de fabricación de partículas es que para su funcionalización deben aplicarse métodos estrictamente químicos, pudiendo obtener así una funcionalización única (idéntica) y total en todas ellas, o bien una combinación de dos o más funcionalizaciones mediante el uso de sustancias químicas siempre que no se afecten entre sí. Se trata de un proceso difícil y de gran complejidad debido a las múltiples incompatibilidades que ello comporta (ni versatilidad ni discretización).

Las partículas obtenidas por los métodos anteriormente descritos suelen emplearse en el campo de la farmacia y la biomedicina como sistemas de transporte de fármacos o entrega de fármacos, aunque también son muy empleadas, en el caso de partículas magnéticas, como separadores magnéticos o bioprocesos de separación magnética, mediante procesos de magneto- y electromagnetoforesis, así como para la investigación de nuevos materiales y compuestos.

Por otro lado, está el conjunto de técnicas de fabricación de matrices ordenadas de moléculas o nanopartículas, basadas en procesos de fabricación de micro- y nanoelectrónica. Estas técnicas, tanto las basadas en los procesos de fotolitografía convencional, como las basadas en procesos conocidos como litografía blanda, tales como el micromoldeado, la impresión por microcontacto, entre otras, permiten también la producción simultánea de miles de unidades funcionales (concepto procesamiento por lotes), de forma controlada y a bajo coste, pero con una alta adaptabilidad para el uso sobre partículas de materiales tan diversos como metales y polímeros, incluyendo un gran número de biomateriales, y la posibilidad de realizar combinaciones entre ellos.

Estos procesos dotan a las unidades funcionales de moléculas o nanopartículas diseñadas de una gran versatilidad, tanto de forma como de dimensiones, pudiéndose obtener, de forma simultánea, distintos tipos de funcionalizaciones sobre las partículas. Aunque en algunos casos el proceso de fabricación de este tipo de unidades funcionales sea más complejo que los anteriormente mencionados, estas técnicas permiten la obtención de partículas con múltiples superficies, abriendo el abanico a gran variedad de posibles aplicaciones.

Gracias a su localización ordenada y controlada en la superficie del sustrato donde se fabrican, estas moléculas o nanopartículas permiten aplicar distintos tipos de funcionalización en una misma partícula, de forma localizada dentro de la misma.

Actualmente, las técnicas existentes para la separación de partículas, obtenidas por procesos litográficos, del sustrato de fabricación, concepto conocido como liberación o individualización de partículas, requieren la utilización de métodos basados en el uso de agentes químicos que puede ser agresivos para las moléculas o nanopartículas multiplexados en su superficie, donde una capa sacrificial, situada entre la partícula y el sustrato, es atacada químicamente.

Los chips multiplexados (entendido como aquellos chips que reúnen en un único sustratopartícula varios tipos de canales susceptibles de proporcionar y recibir información diferente, por medio de cada una de las funcionalizaciones impresas en su superficie) compuestos por una matriz ordenada de unidades funcionales y con dimensiones en el orden de los centímetros, como por ejemplo los chips de ADN, han sido ampliamente utilizados en campos como la medicina y la biología para identificación, cuantificación y determinación del funcionamiento de determinadas moléculas.

Para los casos en los cuales se requiere del análisis de pequeños volúmenes de muestras la solución tecnológica actual es la producción de suspensiones de partículas en las cuales cada elemento está comprendido por una subpoblación de partículas que se diferencian de los otros grupos por tener diferentes atributos anisótropos (forma, dimensiones, color, etc.). La falta de multiplexado en una misma partícula de las que contienen estas suspensiones, característica que sí ofrecen los chips multiplexados, constituye una limitación importante a la hora de analizar pequeños volúmenes (por ejemplo, el interior de una célula).

En este sentido es conocido en el estado de la técnica el documento PCT/ES2015/070439 que describe un método de obtención de una matriz de micropartículas planares con multiplexado molecular superficial. La invención propone además una matriz de micropartículas en cuya superficie están impresos todos los componentes moleculares necesarios para dotarlas de funcionalidad. Es posible fabricar este producto gracias al diseño de un proceso en el cual los diferentes elementos moleculares son multiplexados en la superficie de cada partícula mientras están soportadas sobre un sustrato gracias al grabado de un pie debajo de ellas. Estas micropartículas pueden ser liberadas mecánicamente del soporte donde se fabrican por un método mecánico de ruptura controlada, que es un método no agresivo químicamente y por tanto no afecta a las moléculas previamente impresas en su superficie.

No obstante, en esta invención las micropartículas presentan unas formas muy limitadas, que únicamente pueden ser cuadradas o circulares, de manera que el pie de anclaje que se genere en su fabricación presente un corte transversal redondo.

Si las micropartículas fueran alargadas se obtendría un pie alargado, es decir, con un corte transversal elíptico. Al intentar liberar estas micropartículas con el pie alargado, los estreses mecánicos del material al momento de someter el pie a una fuerza lateral se transmitirían a las micropartículas y romperían tanto esta como el pie.

DESCRIPCIÓN DE LA INVENCIÓN

La presente invención se centra en un procedimiento de fabricación de micropartículas planares alargadas, que logra un gran aumento en el rendimiento de la fabricación de este tipo de partículas. Particularmente, el procedimiento se centra en la fabricación de una matriz ordenada de micropartículas planares con multiplexado molecular o de nanopartículas en su superficie, de geometría y dimensiones variables en función de su aplicación final, obtenidas a partir de técnicas de fabricación de microelectrónica.

La funcionalización de su superficie se puede realizar de manera controlada y ordenada con una gran variedad de moléculas o nanopartículas simultáneamente. Las micropartículas se moldean y preparan sobre un sustrato y están sostenidas sobre el mismo gracias a uno o más pies de sujeción que se graban debajo de ellas, pudiendo ser separadas (liberadas) por un método mecánico de ruptura controlada y en ausencia de técnicas químicas de liberación, gracias a la formación de este nuevo elemento estructural llamado "pie" de la micropartícula en la matriz.

Este pie, similar a una columna o pilar, ejerce de elemento de sujeción de dichas micropartículas que componen la matriz al sustrato durante los procesos de moldeo y multiplexado molecular en su superficie, y actúa a su vez como elemento concentrador de esfuerzos mecánicos, convirtiéndose así en el punto más débil de todo el conjunto. Esto permite que, en el caso de querer liberar las micropartículas, sea posible la aplicación de esfuerzos mecánicos direccionados para romper de forma controlada el pie, sin que las micropartículas ni las moléculas o nanopartículas multiplexadas en su superficie se dañen porque no se emplean sustancias químicas de liberación que puedan afectar a la estructura o función de dichas impresiones.

Es decir, además de poder obtener una matriz de micropartículas funcionalizadas en superficie, a diferencia de otros métodos conocidos es posible individualizar las micropartículas del array mediante un método no agresivo químicamente, es decir, que no requiere el empleo de agentes químicos que puedan dañar la integridad la micropartícula ni que afecten a la funcionalización molecular o de nanopartículas realizada previamente.

Una vez liberadas, dichas micropartículas, al igual que la matriz, son capaces de actuar como sensores o actuadores de distintas actividades, tanto químicas como biológicas que se produzcan en el medio en el que se encuentren.

Concretamente el procedimiento comprende una primera etapa de preparar una capa de estructuración de un material de partida de micropartículas sobre un sustrato que sirva de soporte.

A continuación, se dará forma a las micropartículas en la capa de estructuración mediante una técnica de fotolitografía que da forma al contorno, y una técnica de grabado con la que se define el espesor de las micropartículas. El contorno de las micropartículas se define de manera que comprenden un cuerpo alargado, esencialmente rectangular, con unos lados mayores y unos lados menores. Además, de los lados mayores parten al menos dos alas laterales.

La siguiente etapa consiste en la formación de uno o más pies de sección redonda en la parte superior del sustrato que se encuentra bajo la capa de estructuración, concretamente en una región de la que parten las alas laterales, para soportar cada micropartícula, mediante técnicas de grabado.

Una etapa posterior opcional consiste en funcionalizar químicamente la superficie de las micropartículas que están soportadas en el sustrato con los pies, por medio de uno o más componentes moleculares o nanopartículas.

Finalmente, el procedimiento puede comprender una etapa adicional de romper los pies que soportan las micropartículas mediante la aplicación de cargas mecánicas de rotura, con el fin de separar dichas micropartículas del sustrato e individualizarlas.

Es también objeto de la invención una matriz de micropartículas planares obtenibles a partir del procedimiento anterior.

Si las micropartículas no comprendieran las alas laterales, es decir, tuvieran un contorno completamente rectangular, el pie obtenido durante la fabricación sería también alargado, es decir, el corte transversal de este pie sería elíptico. Si se intentan liberar las micropartículas con el pie alargado, los estreses mecánicos del material al momento de someter el pie a una fuerza lateral se transmiten a la micropartícula y rompen el pie pero también la micropartícula.

Es por eso que las micropartículas comprenden unas alas laterales que fuerzan la generación de uno o varios pies de corte transversal redondo durante su fabricación, volviéndolos más frágil en su zona central y evitando así que los estreses mecánicos debidos a la fuerza lateral se transmitan a las micropartículas al momento de romper el/los pies para liberarlos. Esto aumenta la liberación de micropartículas intactas.

Este procedimiento sirve para liberar micropartículas que sean alargadas o de formas más complejas sin daño. Estos pies también son los suficientemente robustos para aguantar una fuerza en vertical sobre la micropartícula para poder funcionalizarlas con técnicas de impresión por contacto antes de su liberación.

DESCRIPCIÓN DE LOS DIBUJOS

Para complementar la descripción que se está realizando y con objeto de ayudar a una mejor comprensión de las características de la invención, de acuerdo con un ejemplo preferente de realización práctica de la misma, se acompaña como parte integrante de dicha descripción, un juego de dibujos en donde con carácter ilustrativo y no limitativo, se ha representado lo siguiente:

Figura 1.- Muestra una sección de la capa de estructuración de la micropartícula sobre el sustrato.

Figura 2.- Muestra una sección de la capa de estructuración de la micropartícula recortada por fotolitografía.

Figura 3.- Muestra una sección de la micropartícula sobre el pie grabado, en una realización con un único pie.

Figura 4.- Muestra una sección de la micropartícula sobre el pie grabado, en una realización con dos pies.

Figura 5.- Muestra una sección de la micropartícula con una monocapa, con un único pie (superior) y dos pies (inferior).

Figura 6.- Muestra una sección de la micropartícula con impresiones, con un único pie (superior) y dos pies (inferior).

Figura 7.- Muestra una sección de la micropartícula liberada del sustrato con la rotura del pie, con un único pie (superior) y dos pies (inferior).

Figura 8.- Muestra una primera realización de la micropartícula con dos alas laterales.

Figura 9.- Muestra una segunda realización de la micropartícula con cuatro alas laterales.

Figura 10.- Muestra una fotografía real microscópica de las micropartículas estando las de la columna de la izquierda separadas del sustrato gracias a la rotura del pie.

REALIZACIÓN PREFERENTE DE LA INVENCIÓN

Se describe a continuación, con ayuda de las figuras 1 a 10, una realización preferente del procedimiento de fabricación de micropartículas (1) planares, objeto de la presente invención.

Concretamente el procedimiento comprende una primera etapa, mostrada en la figura 1, de preparar una capa de estructuración de un material de partida de micropartículas (1) sobre un sustrato (2) que sirve de soporte. En un aspecto de la invención, la capa de estructuración es de óxido de silicio. En un aspecto de la invención, el sustrato (2) es de silicio.

A continuación, como se representa en la figura 2, se dará forma a las micropartículas (1) en la capa de estructuración mediante una técnica de fotolitografía que da forma a la geometría y a las dimensiones laterales, y una técnica de grabado con la que se define el espesor de las micropartículas (1).

El contorno de las micropartículas (1) se define de manera que presentan un cuerpo central (3) alargado, esencialmente rectangular, con unos lados mayores y unos lados menores. Además, de los lados mayores parten al menos dos alas laterales (4).

En una primera realización de la invención, descrita en la figura 8, las micropartículas (1) comprenden un cuerpo central (3) rectangular del que parten, de sus lados mayores, dos alas laterales (4).

En una segunda realización de la invención, descrita en la figura 9, las micropartículas (1) comprenden un cuerpo central (3) rectangular del que parten, de sus lados mayores, cuatro alas laterales (4), dos de cada lado mayor y separadas una cierta distancia entre ellas.

La siguiente etapa, reflejada en las figuras 3 y 4, consiste en la formación de uno o más pies (5) de sección redonda en la parte superior del sustrato (2) que se encuentra bajo la capa de estructuración, concretamente en una región del cuerpo central (3) de la que parten las alas laterales (4), para soportar cada micropartícula (1), mediante técnicas de grabado.

En el caso de la figura 3, la micropartícula (1) comprende dos alas laterales (4) como la micropartícula (1) de la figura 8, y por tanto comprende un único pie (5). En el caso de la figura 4, la micropartícula (1) comprende cuatro alas laterales (4) como la micropartícula (1) de la figura 9, y por tanto comprende dos pies (5).

Una etapa posterior consiste en funcionalizar químicamente la superficie de las micropartículas (1) que están soportadas en el sustrato (2) con los pies (5), por medio de uno o más componentes moleculares o nanopartículas, como se refleja en las figuras 5 y 6.

En la figura 5 se utiliza un silano heterobifuncional para formar una monocapa (6) y dotar a la superficie de sitios reactivos. Los pies (5) están diseñados para aguantar la presión de la impresión de las monocapas (6). Además, en la imagen superior de la figura 6 se realiza una impresión (7) homogénea sobre la superficie de la monocapa (6). En la imagen inferior de la figura 6 se realiza una impresión (7) en forma de patrón sobre la monocapa (6).

Los silanos de la monocapa (6) pueden ser 3- glicidoxipropiltrimetoxisilano (Epoxi-silano) o (3-aminopropil)trietoxisilano (Amino-silano).

La impresión (7), si se utiliza el Epoxi-silano en la monocapa (6), puede ser seleccionada entre proteínas, anticuerpos, oligonucleótidos modificados con un grupo funcional amino (-NH<2>) o tiol (-SH), nanopartículas como puntos cuánticos funcionalizados con grupo amino (-NH<2>). Por otra parte, si la monocapa (6) es de Amino-silano la impresión (7) puede ser seleccionada entre fluoróforos con grupo funcional N-Hidroxisuccinimida o éster de n-succinimidilo.

Finalmente, el procedimiento puede comprender una etapa adicional de romper los pies (5) que soportan las micropartículas (1) mediante la aplicación de cargas mecánicas de rotura, con el fin de separar dichas micropartículas (1) del sustrato (2) e individualizarlas, como en la figura 7.

En la figura 10 se muestra una imagen microscópica de una matriz de micropartículas (1) en la que las de la columna de la izquierda se han separado del sustrato (2) gracias a la rotura de los pies (5). En este caso cada una de las micropartículas (1) comprende dos pies (5).

Claims (11)

REIVINDICACIONES

1. - Procedimiento de fabricación de micropartículas (1) planares, que comprende las etapas de:

- preparación de una capa de estructuración de un material de partida de micropartículas (1) sobre un sustrato (2) que sirve de soporte,

- definición de las micropartículas (1) en la capa de estructuración mediante una técnica de fotolitografía que da forma al contorno y una técnica de grabado con la que se define el espesor de las micropartículas (1),

estando el procedimiento caracterizado porque en la etapa de definición de las partículas (1) las micropartículas (1) se definen de manera que comprenden un cuerpo central (3) alargado, con unos lados mayores y unos lados menores, partiendo de los lados mayores al menos dos alas laterales (4), y comprendiendo además el procedimiento una etapa de:

- formación, mediante técnicas de grabado, de uno o más pies (5) de sección circular en una parte superior del sustrato (2) situado bajo una región del cuerpo central (3) de la que parten las alas laterales (4).

2. - El procedimiento de la reivindicación 1, que comprende una etapa adicional de funcionalización química de la superficie de las micropartículas (1) soportadas en el sustrato (2) con los pies (5), por medio de uno o más componentes moleculares o nanopartículas.

3. - El procedimiento de la reivindicación 2, que comprende una etapa adicional de rotura de los pies (5) que soportan las micropartículas (1) mediante la aplicación de cargas mecánicas de rotura, con el fin de separar dichas micropartículas (1) del sustrato (2) e individualizarlas.

4. - El procedimiento de la reivindicación 1, en el que la capa de estructuración es de óxido de silicio.

5. - El procedimiento de la reivindicación 1, en las que el sustrato (2) es de silicio.

6. - El procedimiento de la reivindicación 1, en el que las micropartículas (1) comprenden un cuerpo central (3) alargado, con unos lados mayores y unos lados menores, del que parten, de sus lados mayores, dos alas laterales (4), y en el que las micropartículas (1) se unen al sustrato (2) con un único pie (5).

7. - El procedimiento de la reivindicación 1, en el que las micropartículas (1) comprenden un cuerpo central (3) alargado, con unos lados mayores y unos lados menores, del que parten, de sus lados mayores, cuatro alas laterales (4), dos de cada lado mayor y separadas una cierta distancia entre ellas y estando las micropartículas (1) unidas al sustrato (2) con dos pies (5).

8. - El procedimiento de la reivindicación 2, en el que la etapa de funcionalización química de la superficie de las micropartículas (1) comprende la deposición de una monocapa (6) de un silano heterobifuncional.

9. - El procedimiento de la reivindicación 8, en el que el silano heterobifuncional de la monocapa (6) se selecciona entre 3- glicidoxipropiltrimetoxisilano (Epoxi-silano) y (3-aminopropil)trietoxisilano (Amino-silano).

10. - El procedimiento de la reivindicación 9, que comprende una etapa adicional de realización de una impresión (7) homogénea sobre la superficie de la monocapa (6), en el que la impresión (7) :

- si la monocapa (6) es de Epoxi-silano, se selecciona entre proteínas, anticuerpos, oligonucleótidos que presentan un grupo funcional amino (-NH<2>) o tiol (-SH) y nanopartículas de puntos cuánticos funcionalizados con grupo amino (-NH<2>).

- si la monocapa (6) es de Amino-silano, se selecciona entre fluoróforos con grupo funcional N-Hidroxisuccinimida y éster de n-succinimidilo.

11. - Una matriz de micropartículas (1) planares con multiplexado molecular en superficie obtenible a partir del método definido en una de las reivindicaciones 1 a 10.