Bioinspirált polimer alapú autonóm mikrofluidikai rendszerek

A mikrofluidikai rendszerek egyik alapvető feladata a mintatranszport biztosítása az analitikai és orvosbiológiai alkalmazásokra fejlesztett Lab-on-a-Chip eszközök esetén, amely feltételezi a pontos vezérelhetőséget, és ezáltal a mérésnek megfelelő mintamennyiségek megbízható, adott áramlási sebességgel történő mozgatását. A bonyolult integrált aktív elemek vagy a költséges és energiaigényes külső eszközök helyett kézenfekvő – a LFA típusú tesztek példáját figyelembe véve – az autonóm működést biztosító, kapillaritáson alapuló eszközök fejlesztése, melyek segítségével hordozható, kisméretű, olcsó rendszerek megvalósítása is lehetővé válik.

 Anyagtulajdonságok és geometria

A bioanalitikai rendszerek miniatürizálását a félvezető-megmunkálásban bevetten használt mikrotechnológiai eljárások adaptálása és alkalmazása tette lehetővé. Ma már azonban nemcsak félvezetőiparban elterjedten alkalmazott szilícium alapanyagból lehet robosztus mikrorendszereket előállítani, a költséghatékonyság jegyében a polimer szerkezeteket is elterjedten alkalmazzák. [1] Nagy előnyük, hogy fröccsöntéses technológia segítségével olcsón és könnyen megmintázhatóak. Alkalmazásukat azonban nehezíti a kisméretű szerves molekulák (pl: gyógyszermolekulák), szerves oldószerek adszorpciója. Legnagyobb hátrányuk felületük hidrofób jellege, ami megnehezíti, hogy segítségükkel felületkezelés, módosítás nélkül vizes bázisú minták kezelésére alkalmas autonóm rendszereket valósítsunk meg. A hidrofób jelleg miatt a csatornák felületén nagymértékű lehet a fehérjék illetve más biomolekulák nem-specifikus adszorpciója is. A megcélzott bioanalitikai alkalmazás szempontjából kritikus anyagjellemzők tehát: átlátszóság, biokompatibilitás, hidrofil csatornafalak, elenyésző nem-specifikus bekötődés a szabad felületeken, kémiai stabilitás és a technológiába való integrálhatóság. A folyadék-minta szállítását és kezelését megvalósító mikrofluidikai rendszerek esetében tehát alapvető a megfelelő anyagválasztás, kialakítási és felületmódosítási technológia alkalmazása. [2]

A kapilláris pumpák folyadékszállító képessége függ a csatornarendszer felületének nagyságától, nedvesíthetőségétől, valamint morfológiájától, ennek megfelelően adott alapanyag esetén a felületi mikrostruktúra változtatásával az elérhető áramlási sebességek befolyásolhatóak. Megfigyelhető például, hogy a természetes növényi vízszállító rendszerek (xylem) belsejében különböző másodlagos struktúrák találhatók, melyek megnövelik a kapillárisok felületének érdességet, így a vízszállító képességét. A tervezetten megvalósított mikrostruktúrák az általunk tervezett mikrofluidikai rendszerekben is lehetőséget biztosítanak tehát a kontrolált áramlási sebességek beállítására.

Eredmények

Kutatócsoportommal eljárást dolgoztunk ki PDMS alapanyagban kialakított csatornák felületi tulajdonságainak módosítására, és a természetben megtalálható vízszállító rendszerek mikroszerkezetének adaptálásával kapilláris pumparendszert terveztünk kontrolált folyadékszállítási tulajdonságokat megcélozva. A PDMS-t a térhálósodás előtt tenzid molekulákkal (TX-100, PDMS-PEO) módosítva jelentősen tudtuk javítani a mikrofluidikai rendszerek hidrodinamikai ellenállását és a szabad felületeken tapasztalható nem-specifikus fehérjebekötődést. Emellett a teljes mikrofluidikai rendszer megvalósíthatóságát szem előtt tartva igyekeztünk az alapanyag kiváló kötési tulajdonságait (üveg, Si felületekhez) is megtartani. [3, 4, 5]

Olcsó, eldobható passzív kapilláris pumpát valósítottunk meg. Kialakítása előtt elemeztük az élővilágban sikeresen alkalmazott struktúrák makro- és mikro-szintű architektúráját, majd ezen alapuló mesterséges – bioinspirált – mikrokapilláris szerkezeteket hoztunk létre. A kialakított szerkezetek viselkedését elemeztük és vizsgáltuk az alkalmazott felületmódosítási eljárások és a különböző mikrostruktúrák hatását is a kapilláris rendszer teljesítményére.

Előadásomban konkrét diagnosztikai példán is bemutattam, hogy kapilláris struktúrák geometriájának optimalizálásával és a megfelelő alapanyag illetve felületmódosítás megválasztásával olyan mikrofluidikai rendszerek hozhatóak létre, melyek hatékony és vezérelt folyadéktranszportot képesek biztosítani hordozható analitikai eszközökben.