|
|
Program Operational Sectorial "Cresterea Competitivitatii Economice" |
||||
| Contact | Pagina principala | ||||
|
1. Elaborarea tehnologiilor de fabricaţie a platformelor microfluidice Activitatea 1.D. Tehnologie de realizare a canalelor microfluidice prin metoda straturilor de sacrificiu 2. Testare experimentală – Raport ştiinţific experimentăriActivitatea 4.B. Elaborare experimentala: incapsularea acizilor nucleici in containere lipidice (liposomi) - Metode de obtinere si caracterizare a probelor functionalizate si incapsularea acizilor nucleici in containere lipidice [...] 2.1.1. Obtinerea lipozomilor functionalizati cu polietilenglicol [...] 2.1.2. Obtinerea lipozomilor incarcati cu sarcina pozitiva [...] 2.1.3. Caracterizare hidrodinamică din punct de vedere experimental (Micro-PIV) respectiv simulare numerică (FLUENT) [...] Activitatea 6.C - Testare instalatie pentru microprelucrarea sticlei si a bioxidului de siliciu [...] **************************************************** 1. Elaborarea tehnologiilor de fabricaţie a platformelor microfluidice Activitatea 1.D. Tehnologie de realizare a canalelor microfluidice prin metoda straturilor de sacrificiu Aceasta activitate, inceputa in faza anterioara (raportul stiintific nr.10), continua cu aplicatii ale tehnologiilor dezvoltate in vederea realizarii: dispozitivelor microfluidice pentru realizarea lipozomilor prin focusare hidrodinamica, a dispozitivelor bipolare si quadripolare pentru manipularea magnetolipozomilor si a dispozitivului dielectroforetic pentru separarea lipozomilor dupa constanta dielectrica. In capitolul 1 al acestui raport se discuta proiectarea, simularea si experimentarea preliminara a dispozitivelor, iar in rapoartele urmatoare se va discuta optimizarea proceselor tehnologice, fabricarea si caracterizarea curgerii hidrodinamice si caracterizarea impedimetrica a sistemelor realizate. Aplicatie 1 : Modelare si proiectare senzor impedimetric pentru determinarea constantei dielectrice ale lipozomilor autoasamblati Modelarea şi principiul de funcţionare a senzorului impedimetric cu microelectrozi interdigitaţi Dispozitivul dezvoltat in cadrul acestui proiect compus dintr-un senzor electrochimic cu microelectrozi interdigitaţi si un sumator microfluidic. Biosenzorul electrochimic va fi realizat pe o plachetă de siliciu monocristalin si va fi alcătuit din 2x64 microelectrozi interdigitaţi, un electrod de referinţă şi un electrod auxiliar, iar sumatorul microfluidic va fi realizat jumătate pe placheta cu senzorul electrochimic şi cealaltă jumătate pe o plachetă de sticlă Corning 7740, care va fi şi capac al dispozitivului. Cele două plachete vor fi apoi aliniate şi lipite anodic. Se vor determina spectrele de impedanţă electrochimică din care se vor determina proprietăţile dielectrice ale lipozomilor: capacitatea stratului dublu electric, rezistenţa transferului de sarcină, impedanţa de difuzie Warburg, folosind ca specie redox [Fe(CN)(6)](3-/4-). Transportul masei în soluţie în apropierea electrodului este cel mai important factor care influenţează comportamentul lipozomilor în apropierea unui electrod. Luând în considerare o reacţie de transfer de sarcină ne-complicată, semnalul curentului voltametric este proporţional cu fluxul substanţei electroactive spre interfaţa soluţiei cu electrodul, relaţie descrisă de prima lege a lui Fick. A doua lege a lui Fick descrie apoi schimbările dependente de timp din concentraţia cantităţii de substanţă cauzate de flux – derivata parţială a concentraţiei în funcţie de timp este egală cu divergenţa vectorului flux. Când potenţialul electrodului trece de la o valoare la care nu are loc nicio reacţie la electrod, la o valoare care corespunde curentului limită a reacţiei la electrod, atunci concentraţia substanţei electroactive la suprafaţa electrodului scade până la zero şi un gradient de concentraţie se dezvoltă pe o anumită distanţă de la suprafaţa electrodului, până în interiorul soluţiei; această distanţă creşte odată cu creşterea timpului de proces. Fluxul substanţei spre electrod este apoi descris de produsul coeficientului de difuzie al substanţei, D, şi concentraţia volumică împărţită la grosimea stratului de difuzie. O versiune mai sofisticată a perechilor de electrozi este reţeaua de electrozi interdigitaţi (IDA). IDA constă într-o serie de electrozi de tipul unor microbenzi paralele în care microbenzile alternante sunt conectate între ele formând un set de electrozi interdigitaţi, asemănători unor degete. Potenţialul fiecărui set de electrozi interdigitaţi poate fi controlat în mod independent de celelalte seturi ale aceluiaşi electrod de referinţă. Datorită dimensiunilor spaţiilor reduse dintre ei şi prin folosirea unei reţele, microelectrozii interdigitaţi au ca rezultat o eficienţă de colectare sporită (mai mare de 98%), dând IDA un avantaj în detectarea urmelor cantităţilor de specii electroactive. Modelarea dispozitivului Modelarea dispozitivului a fost realizată cu ajutorul programului AutoCAD 2011. Modelele au la bază procese tehnologice reale şi dimensiunile din proiectul de măşti fotolitografice, iar în figurile 5 şi 6 se prezintă detalii ale anumitor părţi mai importante ale modelului dispozitivului.
Figura 5: Modelul dispozitivului realizat în ACAD: electrozii interdigitaţi, electrodul de referinţă, electrodul auxiliar, canalul microfluidic şi rezervorul de ieşire(stânga) si detaliu al electrozilor interdigitaţi (dreapta).
Figura 6: Detalii din camera de reacţie: galben – electrozii, verde – oxidul de pasivare, roşu – peretele canalului de SU8. Aplicatie 2 : Modelare si proiectare dispozitiv magnetoforetic pentru manipularea magnetolipozomilor
Pe padurile de alimentare ale firelor conductive se aplică o diferenţă de potenţial astfel încât câmpurile magnetice să se sumeze într-un punct dat. În aceste condiţii, un grup de magnetolipozomi aflaţi în suspensie în microcanal se va deplasa către linia de gradient maxim din centrul canalului, ele aliniindu-se pe centrul canalului şi având directia de deplasare către zona îngustată a microcanalului. Capacul cu care va fi închis microcanalul va fi din sticlă transparentă, pentru a permite vizualizarea optică a deplasării magnetolipozomilor. Orificiile de intrare/ieşire vor fi fabricate prin placheta de siliciu care defineşte fundul microcanalului. Acest lucru permite observarea directă a deplasării magnetolipozomilor cu ajutorul unui microscop inversat. În figurile 11, 17 se prezintă proiectele măştilor fotolitografice ale celor două dispozitive magnetoforetice impreună cu detalii ale elementelor cheie ale dispozitivelor.
Figura 11: Prezentare suprapunere 3 masti prin transparenta Magnetofor Activ bipolar
Figura 17: Detaliu al zonei microcanal intrare magnetofor activ quadripolar. Latime microcanal la intrare in zona 50 µm, latime microcanal la iesire din zona 15 µm. Latime trasee metalice 20 µm Concluzie În acest capitol au fost prezentate aplicaţii ale tehnologiilor dezvoltate în vederea realizării dispozitivelor microfluidice pentru obţinerea lipozomilor prin focusare hidrodinamică, a dispozitivelor bipolare şi quadripolare pentru manipularea magnetolipozomilor şi a dispozitivului dielectroforetic pentru separarea lipozomilor după constanta dielectrică. In capitolul 1 al acestui raport se discută proiectarea, simularea şi experimentarea preliminară a dispozitivelor, iar in rapoartele următoare se va discuta optimizarea proceselor tehnologice, fabricarea şi caracterizarea curgerii hidrodinamice şi caracterizarea impedimetrică a sistemelor realizate. 2. Testare experimentală – Raport ştiinţific experimentăriActivitatea 4.B. Elaborare experimentala: incapsularea acizilor nucleici in containere lipidice (liposomi) - Metode de obtinere si caracterizare a probelor functionalizate si incapsularea acizilor nucleici in containere lipidice 2.1.1. Obtinerea lipozomilor functionalizati cu polietilenglicol Prezenţa polietilenglicolului (PEG) la suprafaţa veziculelor lipozomale le asigura stabilitatea în sânge, permiţând prelungirea prezenţei lor în circulaţie. Prezenţa PEG la suprafaţa veziculelor lipozomale împiedică preluarea acestora de către celule prin fagocitoză, determinând în schimb fuziunea membranei lipozomale cu membrana plasmatică celulară. Tehnologia obtinerii lipozomilor cu diametru mare (multilamellar large vesicles - MLV) prin tehnica reluarii filmului lipidic Reducerea dimensiunilor MLV prin iradierea cu ultrasunete In scopul maririi volumului de incapsulare se pot include în bistrat fosfolipide încărcate electric (10-20 moli%). Prezenta acestora determina aparitia unor forţe de repulsie între bistraturile succesive ale aceleiaşi vezicule. Stearilamina (SA) este adesea utilizată ca lipid cu sarcină pozitivă (la pH neutru). I. Lipozomi compusi din: fosfatidil colina (PC), colesterol (Chol), stearilamina (SA). Filmul lipidic a fost reluat cu solutie de albumina serica bovina (BSA) 10 mg/ml in tampon fosfat salin. Tehnica de obţinere a lipozomilor prin deshidratare şi rehidratare controlată Această metodă se bazează pe inducerea fuzionării lipozomilor multilamelari (MLV) printr-un procedeu de deshidratare (liofilizare), urmat de o rehidratare controlată. Solutia în care se află dispersaţi MLV se liofilizează, iar preparatul este rehidratat utilizând un volum de 10 ori mai mic decât cel iniţial. Prin acest procedeu se obtine o crestere de 10 ori a concentratiei substantei ce este inclusa. Fractiunea MLV 1 a fost liofilizata. Prin liofilizare se asigura o buna reţinere a materialului incapsulat în interiorul lipozomilor precum şi menţinerea integrităţii fizico-chimice a lor. Fractiunile MLV 2 si SUV au fost centrifugate in vederea dozarii materialului incapsulat si a determinarii randamentului de includere. In solutia rezultata s-a determinat concentratia de BSA. Determinarea cantitatii de proteina incorporata Determinarea cantitatii de BSA inclusa in lipozomi s-a facut prin metoda acidului bicinconinic (metoda BCA) cu un kit de la compania Pierce, respectand protocolul recomandat de producatori. Analiza sistemelor lipozomale Cele 3 tipuri de structuri lipidice au fost analizate prin masuratori DLS (dynamic light scattering) cu un aparat de la Brookhaven Instrument Corporation. II. Lipozomi ce contin: dipalmitoil fosfocolina (DPPC): dioleoil fosfoetanolamina (DOPE) : colesterol (Chol): stearilamina (SA). Tabelul prezinta sumar rezultatele obtinute. Se observa ca prin sonicare s-a micsorat diametrul veziculelor lipidice si polidispersia, ceea ce sugereaza o omogenizare a dimensiunilor lipozomilor.
În cadrul acestei faze au fost efectuate teste de caracterizare hidrodinamică asupra dispozitivelor microfluidice, realizate și raportate în cadrul raportului stiinţific și tehnic precedent. Au fost realizate măsuratori experimentale și simulări numerice de determinare a profilurilor de viteză în zona de confluenţă a geometriei Y, precum și pe ieșirea comună până la o distanţă de 2600 μm de bifurcaţie. Din punct de vedere experimental au fost urmărite două caracteristici de natură hidrodinamică a curgerii microfluidice. Prima se referă la modul de evoluţie și dezvoltare a curgerilor secundare de tip vârtej, care se manifestă în cazul unor regimuri de curgere caracterizate de numere Re ≥ 80. Cea de a doua se referă la distanţele de stabilizare a profilurilor de viteză pe latura comună curgerii. Pentru ambele cazuri atât o abordare experimentală cât și una numerică a fost adoptată. În cadrul prezentului proiect un aspect important a fost ocupat de nivelul de postprocesare al datelor experimentale mult mai amănunţit, pentru obţinerea unor comparaţii cantitative cât mai ridicate. Experimentele au fost realizate pe set-up sistemului de măsurare Micro-PIV, de asemenea prezentat și detaliat în rapoartele precedente. Un rol important în cazul acestor experimente la avut și sistemul de pompe utilizat prin impunerea regimurilor de lucru. Acesta a fost folosit pentru asigurarea unor regimuri de curgere constante în timp, cu o rezoluţie bună asupra diferentei de presiune impuse, precum și pentru impunerea unor debite mari (respectiv presiuni de ordinul barilor). Testele au fost realizate pentru diferenţele de presiune expuse în cadrul Tabeluluide mai sus. Vitezele maxime obţinute prin măsurătorile Micro-PIV, cele medii folosite ca şi date de intrare pentru simulările numerice, precum și regimurile de lucru caracterizate de numărul Reynolds sunt trecute în acelși tabel. Geometria folosită pentru simulările numerice se prezintă in figura 23.
Figura 23. Geometria de lucru pentru simularile numerice. Este alcatuită din doua bifurcaţii una de tip T și cea dea doua de tip Y. Caracterizările numerire sunt detaliate pentru bifurcaţia Y în configuraţia cu două intrări respectiv o ieșire. Pentru experimentele realizate în intervalul 50 – 400 mbar măsurătorile de viteză au arătat o zonă de stabilizare a profilului de viteză de până la 2500 μm, fenomen pus în evidență în figurile 28 și 29. Peste valoarea de 400 mbar, impusă la intrarea în pompa pneumatică, zona de stabilizare se întinde cu mult peste distanţa de 3000 μm, fenomen pus în evidență în figurile 30 și 31. Aceasta poate indica un posibil regim de curgere de natură tranzitorie sau chiar turbulentă; regimuri de curgere care ar necesita lungimi de stabilizare mult mai mari. O a doua observaţie s-a facut asupra zonelor de curgere secundare (Figura 24 – 27), care încep sa se manifeste începând cu regimul de curgere Re ≥ 80 (Figura 25). Acestă manifestare de natură calitativă a fost observată atât experimental cât și numeric. Astfel pentru regimurile de curgere Re ≥ 300 (Figura 27), s-a observat o rupere aparentă a simetriei celor două vârtejuri. Această asimetrie este una mică, care în cazul experimentelor poate fi datorată unor imperfecţiuni de natură geometrică sau datorită unor acumulări de particule/sedimente care ar influenţa curgerea pe una din cele două ramuri ale bifurcaţiei.
Figura 24. Măsurători experimentale de determinare a profilurilor de viteze la intrarea în bifurcaţia Y, cu detatiu asupra zonei de confluenţă a celor doua intrări (stanga). Predictii numerice pentru regimuri de curgere în geometrii echivalente celor reale (dreapta). (a) Re = 20 (b) Re = 42 (c) Re = 68.
Figura 25. Măsurători experimentale de determinare a profilurilor de viteze la intrarea în bifurcaţia Y, cu detatiu asupra zonei de confluenţă a celor doua intrări (stanga). Predictii numerice pentru regimuri de curgere în geometrii echivalente celor reale (dreapta). (a) Re = 82 (b) Re = 111 (c) Re = 137.
Figura 26. Măsurători experimentale de determinare a profilurilor de viteze la intrarea în bifurcaţia Y, cu detatiu asupra zonei de confluenţă a celor doua intrări (stanga). Predictii numerice pentru regimuri de curgere în geometrii echivalente celor reale (dreapta). (a) Re = 175 (b) Re = 195 (c) Re = 243.
Figura 27. Măsurători experimentale de determinare a profilurilor de viteze la intrarea în bifurcaţia Y, cu detatiu asupra zonei de confluenţă a celor doua intrări (stanga). Predictii numerice pentru regimuri de curgere în geometrii echivalente celor reale (dreapta). (a) Re = 276 (b) Re = 307 (c) Re = 336.
Figura 28. Comparaţia măsurătorilor experimentale cu predicţiile numerice, indicând o distantă de stabilizare a profilurilor de viteza conparabila pentru cele două abordări. Regimul de lucru corespunde unui număr (a) Re = 20, (b) Re = 42, respectiv (c) Re = 68.
Figura 29. Comparaţia măsurătorilor experimentale cu predicţiile numerice, indicând o distantă de stabilizare a profilurilor de viteza conparabila pentru cele două abordări. Regimul de lucru corespunde unui număr (a) Re = 82, (b) Re = 110, respectiv (c) Re = 137.
Figura 30. Comparaţia măsurătorilor experimentale cu predicţiile numerice, indicând o distantă de stabilizare a profilurilor de viteza conparabila pentru cele două abordări. Regimul de lucru corespunde unui număr (a) Re = 175, (b) Re = 195, respectiv (c) Re = 243.
Figura 31. Comparaţia măsurătorilor experimentale cu predicţiile numerice, indicând o distantă de stabilizare a profilurilor de viteza conparabila pentru cele două abordări. Regimul de lucru corespunde unui număr (a) Re = 276, (b) Re = 307, respectiv (c) Re = 336. Concluzie Rezultate experimentale privind caracterizarea curgerii suspensiilor de lipozomi au fost obținute cu ajutorul sistemului Mico-PIV integrat cu sistemul de micropompe pneumatice, şi au fost comparate cu predicțiile numerice obținute pentru domeniul de curgere și condițiile la limită folosite în experimente. Atât prin reprezentările calitative asupra curgerii cât și prin reprezentările cantitative, s-a observat o corelare foarte bună între rezultatele obținute experimental şi cele obţinute prin simulări numerice. Activitatea 6.C - Testare instalatie pentru microprelucrarea sticlei si a bioxidului de siliciu Introducere Unul dintre obiectivele importante ale acestui proiect este şi dezvoltarea unor mini-echipamente de laborator care vor fi folosite la fabricarea platformelor microfluidice. Aici raportam rezultatele testarii sistemului de prelucrare uscată în vapori de HF care va fi utilizat la corodarea uscata a canalelor subţiri în bioxid de siliciu si sticlă. Utilitatea si avantajul acestui mini-echipament fata de corodarea in mediu umed sunt date de faptul ca se evita fenomenele capilare. Soluţiile umede nu pot intra în canalele foarte subţiri care vor fi gravate pe platformele microfluidice care vor fi realizate in acest proiect. Experimente preliminarii Din experimentele preliminare s-a observat că procesul de corodare depinde de presiunea vaporilor de HF si de cantitatea de apa prezentă în vapori. Viteza de corodare este optimă dacă acidul are concentraţie de aproximativ 49%, şi scade la concentraţii mai mari sau mai mici. Selectivitatea corodării faţă de stratul de mascare si viteza de corodare depind de temperatura plachetei. Pentru a asigura controlul temperaturii substratului corodat, in suportul plachetei a fost integrat un rezistor pentru încălzirea controlată a plachetei. Corodarea sticlei fosfosilicatice (PSG) cu vapori de HF are loc relativ repede la orice temperatură a plachetei, deoarece se absoarbe destul de multă apă din mediul ambient. Se recomandă corodarea dioxidului de siliciu, crescut termic, la 400oC; la temperaturi mai ridicate viteza de corodare scade considerabil in cazul oxizilor crescuţi termic. Oxizii CVD sunt corodaţi mai rapede decât oxizii crescuţi termic, iar oxizii nativi sunt corodaţi mai repede decât oxizii CVD, dar mai incet decât cei PSG. Cu cât este mai multă umezeală la suprafaţa probei, cu atât scade selectivitatea relativă faţă de masca de fotorezist. Din experimentele realizate am tras concluzia că, grosimea stratului de mascare nu poate fi mărită pentru a îmbunătăţi profilul şi calitatea gravurii, deoarece o creştere a grosimii stratului de mascare implică atât o rugozitate mai mare, cât şi un număr mai mare de concentratori stres. Un strat de mascare care prezintă stres de comprimare (caracteristică generală pentru siliciu amorf şi polisiliciu) este de preferat o mască ce prezintă stres de întindere, astfel încât stresul total să fie în jurul valorii "zero", utilizând şi o modelare a parametrilor de depunere PECVD. Defecte de zimţare a marginilor suprafeţei generate s-au observat numai pentru straturi de mascare metalice care prezintă stres de întindere. Aceste defecte pot fi generate de gradientul stresului, sau prin ruperea marginii stratului de mascare. În timpul procesului de corodare izotropă, datorita efectului de supracorodare, marginea stratului de mascare devine o structură de sine stătătoare. Din cauza stresului şi / sau gradientului de stres masca se pot sparge şi se lasă unele zone ale oxidului sau sticlei neacoperite. Masca de fotorezist este recomandată cu limitări, din acest motiv noi am folosit ca strat de mascare siliciu amorf. Siliciul amorf ca strat de mascare prezintă trei avantaje principale: este inert în vaporii de HF; se pot controla foarte bine tensiunile interne ale stratului de siliciu amorf printr-o arhitectură adecvată a condiţiilor de depunere asistată de plasmă (temperatură joasă, presiune şi putere mică), dar şi printr-un tratament termic după depunere. Pentru a obţine straturi de siliciu amorf cu tensiuni interne cât mai mici posibil se face depunerea în doi paşi: la frecvenţă mică şi apoi la frecvenţă mare.
Figura 33: Corodare sticlă in vapori HF adâncă de 500mm
Figura 34: Imagine în secţiune transversală a gravării sticlei pe o adâncime de 500mm adâncime
Figura 35: Imagine în secţiune transversală a gravării sticlei pe o adâncime 300 mm adâncime
Figura 37: Corodare sticlă in vapori HF adâncă de 100mm
Figura 39: Corodare sticlă in vapori HF adâncă de 500mm Concluzii Principalele elemente ale micro-prelucrării uscate a sticlei în vapori de acid fluorfidric pe care trebuie să le avem în vedere pot fi rezumate astfel:
|
||||
Top  |
||||
Proiect cofinantat prin Fondul European de Dezvoltare Regionala. |
 |
