آموزش پیشرفتهآموزش نانو

میکروفلوئیدیک – بخش دوم

در مقاله میکروفلوئیدیک (بخش اول) با سیستم‌های میکروفلوئیدیک و تاریخچه شکل‌گیری و توسعه آن‌ها آشنا شدیم. همچنین انواع سیستم‌های میکروفلوئیدیک معرفی شده و در مورد ‌ساخت میکروکانال‌ها با روش لیتوگرافی توضیحاتی ارائه شد. در این مقاله به دنبال معرفی سایر روش‌های ساخت سیستم‌های میکروفلوئیدیک مانند ماشین‌کاری لیزری، Hot embossing و Injection modeling هستیم و انواع مواد مورد استفاده در ساخت تراشه‌های میکروفلوئیدیک، به صورت دسته‌بندی شده بیان خواهد شد. در انتها به برخی از کاربردها و نحوه استفاده از تراشه‌های میکروفلوئیدیک آن اشاره خواهد شد.
این مقاله شامل سرفصل‌های زیر می‌باشد.
  5- مواد مورد استفاده در ساخت میکروکانال‌ها
6- کاربرد میکروفلوئیدیک
7- نحوه استفاده از تراشه میکروفلوئیدیک
8- نتیجه‌گیری

4-2- ماشین‌کاری لیزری:

ماشین‌کاری لیزری به عنوان یک فناوری جدید برای ساخت ساختارهای نانو و میکرو مورد توجه گسترده‌ای از محققان قرار گرفته است. اصطلاح لیزر برای اولین بار در سال 1957 مطرح شد و در سال1960، Maiman اولین لیزر کاربردی را در آزمایشگاه تحقیقاتی Hughes ساخت. برهم‌کنش لیزر با ماده منجر به حذف مواد و در نهایت تشکیل ساختارهای میکرو می‌گردد. ماشین‌کاری لیزری با لیزر فمتوثانیه برای اولین بار در سال 1994 گزارش شده است. یک ویژگی کلیدی لیزر فمتوثانیه، توانایی انتشار پالس‌های با شدت بالا در مدت زمان بسیار کوتاه است، که امکان حذف دقیق مواد و تشکیل مناطق کوچک تحت تأثیر حرارت را فراهم می‌کند با استفاده از لیزر می‌توان بدون نیاز به اتاق تمیز و خلا، انواع ساختارهای سه بعدی را ایجاد کرد[1].
برای انجام برش‌کاری، ابتدا پرتو لیزر روی سطح کار کانونی شده و نقـش یک قلم برش را بازی می‌کند. با برخورد پرتو لیزر، یک سطح بسـیار باریک از ماده تبخیر می‌شود. در بیـشتر لیزرهای برش‌کاری از یک جـریـان گاز(معمولا اکسیژن) هم محـور با پرتو استفاده می‌کنند . حضور جریان گاز در ماشین‌کاری موجب ایجاد یک واکنش حرارتی، به دلیل ترکیب اکسیژن با بخار داغ فلز شده و موجب افزایش سرعت برش‌کاری می‌گردد. علاوه بر این، حضور گاز اکسیـژن بـه عمـل براده برداری کمک کرده و موجب می‌شود که ماده مذاب از نقطه برش دور شود. در برش مواد سرامیکی، پلاستیکی یا چوبی به دلیل امکان اکسیداسیون، از جریان گازهای بی‌اثر استفاده می‌شود.
برای ساخت میکروکانال‌ها با استفاده از روش ماشین‌کاری لیزری، ابتدا طرح کانال مدنظر طراحی شده و با استفاده از لیزر بر روی زیرلایه(معمولا شیشه) حک می‌شود. بعد تمیزکاری سطح زیرلایه، برای شکل‌گیری میکروکانال و ساخت تراشه، از چسباندن لام شیشه‌ای بر روی زیرلایه استفاده می‌گردد. شکل 1 مراحل مختلف ساخت میکروکانال بر روی شیشه با استفاده از ماشین‌کاری لیزر نمایش می‌دهد.[2].
شکل1: مراحل مختلف ساخت میکروکانال بر روی شیشه با استفاده از ماشین‌کاری لیزر [2]

4-3- Hot embossing:

برای ساخت میکروکانال‌ها از مواد و روش‌های مختلفی استفاده می‌شود. کریکا  و همکارانش میکروکانال‌های پلاستیک را با ماده PMMA و با استفاده از روش Hot embossing  توسعه دادند[3]. روش Hot embossing نوعی لیتوگرافی نرم است. در این روش، نانو یا میکروساختار با فشار دادن قالب بر روی پلیمر داغ ایجاد می‌شود. قالب اولیه با روش لیتوگرافی نوری ساخته می‌شود. در نهایت بعد از ایجاد شدن ساختار بر روی پلیمر، برای ایجاد تراشه میکروفلوئیدیک اتصال لام شیشه‌ای انجام می‌شود. باتوجه به اینکه در دمای بالا پلیمر به شکل آمورف و بی‌شکل در می‌آید، این روش به عنوان یک تکنیک برای ساخت میکروکانال‌ها به کار می‌رود[4]. چسباندن پلیمرها به سطوح دیگر در دماهای مختلفی اتفاق می‌افتد، برای مثال دمای چسبندگیSU-8،  ℃95 و برای اتصال به شیشه و سیلیکون بالای ℃100 می‌باشد. با توجه به دمای نسبتا پایین چسبندگی، پلیمرها رایج‌ترین ماده در ساخت میکروکانال‌ها هستند[5]. پارامترهای مختلفی همچون دما، فشار و زمان بر روی کیفیت ساختار میکروفلوئیدیکی ساخته شده با روش Hot embossing اثرگذار است. دمای قالب‌گیری مهم‌ترین پارامتر برای تعیین میزان زبری سطح تراشه میکروفلوئیدیک است[6].
شکل2 تصویر شماتیک روش Hot embossing را نمایش می‌دهد. ابتدا قالبی از جنس SU-8 با استفاده از روش لیتوگرافی نوری ساخته شده است و با لایه نشانی نیکل بر روی آن، یک قالب فلزی تولید شده است. طرح مورد نظر با فشار قاب فلزی بر روی پلیمر داغ، ایجاد شده است[5].
شکل2: شماتیک روش Hot embossingا [5]

4-4- Injection modeling:

اولین قدم در روش قالب‌گیری تزریقی، ساخت خود قالب است. پس از ساخت قالب، مواد مذاب تحت فشار وارد قالب می‌شوند. این روش برای تولید تعداد بالای تراشه میکروفلوئیدیک مناسب است. در این روش مواد پلیمری داخل یک قیف ریخته شده و سپس تا دمای بالاتر از دمای ذوب‌شان گرم و به پیستون منتقل می‌شود. مواد مذاب در قالب ریزساختار تزریق شده و تحت فشار نگه داشته می‎شود و در نهایت قبل از بیرون ریختن سرد می‌گردد[7].
در این بخش روش‌های متداول ساخت میکروکانال‌ها مطرح شد. در جدول1 برخی از مزایا و معایب این روش‌ها بیان شده است.
جدول1: مزایا و معایب انواع روش‌های ساخت میکروکانال[189]
روش مزایا معایب
Optical lithography ساخت در ابعاد میکرو، بازده بالا نیاز به وجود سطح صاف برای شروع فرایند
Soft lithography هزینه پایین،ساخت ساختار سه بعدی،رزلوشن بالا تغیرشکل الگو
X-ray lithography ساخت در ابعاد نانو،جذب بدون پراکندگی هزینه بالا، صرف زمان زیاد
Laser photo ablution or  Laser micromachining سریع،تولید ساختار بزرگ، تجهیزات ساده، عدم نیاز به خلا و اتاق تمیز، رزولوشن بالا، عدم محدودیت در هندسه مواد محدود
Host embossing هزینه پایین،تکثیرسریع ساختار،تولید انبوه محدود بودن پلاستیک حرارتی،مشکل بودن ساخت ساختار سه بعدی
injection modeling ساخت آسان ساختارهای پیچیده،زمان کوتاه،تولید انبوه،اتومات بودن محدود بودن پلاستیک حرارتی،هزینه بالا،هندسه بزرگ مشکل است

5- مواد مورد استفاده در ساخت میکروکانال‌ها:

پس از معرفی میکروفلوئیدیک، سیلیکون و شیشه جزو اولین موادی بودند که برای ساخت میکروکانال‌ها به کار رفتند. در مرحله بعدی پلیمرها وارد این عرصه شده و امروزه این گروه از مواد به ویژه PDMS توجه بسیاری را به خود جلب کرده‌اند. با گسترده‌تر شدن کاربردهای میکروفلوئیدیک، مواد مورد استفاده نیز گسترده‌تر شد. مواد به‌کار رفته در ساخت میکروکانال‌ها را می‌توان به سه گروه غیرآلی شامل سیلیکون، شیشه و سرامیک، پلیمرها شامل الاستومرها و ترموپلاستیک‌ها و کاغذ تقسیم کرد[10]. هر گروه از این مواد دارای مزایا و معایب خاص خود هستند[811]. در بین این سه گروه، شیشه و PDMS بیشترین توجه برای طراحی میکروکانال‌ها را به خود جلب کرده‌اند[12]. در شکل 3 دسته بندی مواد مورد استفاده در ساخت میکروکانال‌ها نمایش داده شده است.
شکل3: دسته بندی مواد مورد استفاده در ساخت میکروکانال‌ها
عملکرد و کاربرد مورد نیاز دو فاکتور مهم در انتخاب ماده و روش ساخت میکروکانال‌ها هستند. انعطاف‌پذیری، نفوذپذیری هوا، هدایت الکتریکی، جذب غیر اختصاصی، سازگاری سلولی، سازگاری حلال و شفافیت نوری از جمله پارامترهای مهم مدنظر برای انتخاب ماده هستند[10]. در جدول 2 برخی از مزایا و معایب مواد مختلف در ساخت میکروکانال‌ها مطرح شده است.
جدول2: مزایا و معایب مواد مورد استفاده در میکروفلوئیدیک[1013]
معایب مزایا نام ماده
-غیرقابل نفوذ در برابر اکسیژن
– شفافیت بالای اپتیکی
– مقاومت مکانیکی بالا
– زیست سازگاری
– بی‌اثر شیمیایی
شیشه
– شفافیت پایین اپتیکی
– هزینه نسبتا بالا
– نفوذ ناپذیر بودن
-زیست سازگاری بالا سیلیکون
-هزینه بالا -امکان طراحی ساختارهای پیچیده
-جذب  غیراختصاصی کم
سرامیک
– حل شونده در حلال های آبی
– نفوذپذیری گاز ضعیف
– مقاومت مکانیکی بالا
-پایداری شیمیایی
– پردازش آسان مواد
– قابل بازیافت و قابل استفاده مجدد
– زیست سازگار
پلاستیک
-سطح آبگریز – توانایی بالای تغییر شکل
– خواص نرم و انعطاف پذیری
– شفافیت اپتیکی
– زیست سازگار
الاستومر
دشوار بودن کنترل عرض کانال‌ها
نیاز به وجود ماسک‌های مختلف
هزینه کم
در دسترس بودن
روش ساخت آسان
انعطاف‌پذیری بالا
زیست سازگار
کاغذ

6- کاربرد میکروفلوئیدیک:

کاربردهای میکروفلوئیدیک را می‌توان در سه گروه اصلی تقسیم‌بندی کرد[14]. 1-کاربردهای بیولوژیکی2-کاربردهای شیمیایی3- الکترونیک و کاربردهای مرتبط با مهندسی مکانیک

6-1- کاربردهای بیولوژیکی:

میکروفلوئیدیک کاربردهای بسیار مهمی در علم مهندسی پزشکی دارد، زیرا میکروکانال‌ها پتانسیل بسیار بالایی در تشخیص بیماری‌ها و بررسی سیالاتی مانند خون، ادرار و بزاق دارند. میکرو سیالات به طور کلی از دو بخش تشکیل شده است: بخش اول مربوط به توسعه دستگاهی است که موجب حرکت سیالات بیولوژیکی از طریق میکروکانال‌ها می‌شود. بخش دوم مربوط به فناوری شناسایی یا سنجش بیومارکرها برای تجزیه و تحلیل سیالات بیولوژیکی می‌باشد. با استفاده از این روش، آنالیز سیالات بیولوژیکی، با سرعت بالاتری نسبت به آزمایشگاه‌های سنتی انجام می‌شود. بنابراین روند تشخیص اتفاق می‌افتد و موجب شروع سریع‌تر درمان می‌گردد. تراشه‌های میکروفلوئیدیک می‌توانند تشخیص و درمان را بدون حضور فرد متخصص و در شرایط اضطراری انجام دهند[15]. تکنیک PCR یکی از ابزارهای مهم در شناسایی عوامل ناشناخته و تشخیص بیماری‌هاست. علیرغم همه کاربردها و مزيت های سیستم های PCR متداول، در استفاده از آنها محدودیت قابل ملاحظه ایی نیز وجود دارد که برخی از آن‌ها با استفاده از تراشه‌های میکروفلوئیدیک رفع خواهد شد.
واکنش زنجیره ای پلیمراز، با نام مخفف PCR، تکنیکی است که با استفاده از آن می‌توان در مدت زمان کوتاهی قطعه ای خاص از یک مولکول DNA را تکثیر نمود [16]. PCR یکی از مهمترین ابزارها در زیست‌شناسی مدرن به شمار می‌رود و در حوزه‌های مختلفی مانند شناسایی و جداسازی ژن‌ها، طبقه‌بندی و شناسایی موجودات زنده، تشخیص بیماری‌های ژنتیکی، استفاده در حوزه کشاورزی وصنایع غذایی و تعیین هویت کاربرد دارد [1718]. دستگاه‌های موجود علاوه بر اینکه زمان بیشتری برای تکثیر نیاز دارند، قابل حمل نبوده و در هر مکانی قابل استفاده نیستند. ابزارهای PCR میکروفلوئیدیکی ، علاوه بر قابلیت حمل، دارای مقدار جرم نمونه کم، مقدار کم حرارت دهی مورد نیاز و نیز امکان انتقال حرارت سریع می باشند. از مزایای این نوع سیستم‌ها نسبت به ساختارهای معادل بزرگ مقیاس، می‌توان به حجم کم نمونه و مصرف کم مواد شناساگر برای فرآیند PCR اشاره کرد [11]. شکل4 یک نمونه تراشه میکروفلوئیدیکی برای فرایند  PCR را نمایش می‌دهد.
شکل4: یک نمونه تراشه میکروفلوئیدیکی برای فرایند  PCR

6-2- کاربردهای شیمیایی:

کاربردهای میکروفلوئیدیک در شیمی را می‌توان در دو زمینه طبقه‌بندی کرد. شیمی تحلیلی، شامل تجزیه و تحلیل نمونه‌ها در میکروکانال‌ها و شیمی سنتز، مربوط به سنتز نمونه در ریزراکتورهای موجود در تراشه‌های میکروفلوئیدیک است. فرآیند انجام واکنش‌های شیمیایی در یک جریان مداوم در کانال‌های باریک یک لوله یا ریزراکتور در دو دهه گذشته به بلوغ رسیده است و در صنایع شیمیایی، داروسازی، مواد شیمیایی و برای استفاده در تحقیقات روی سنتزهای شیمیایی، نویدبخش بوده است. سنتز شیمیایی در راکتورهای میکروفلوئیدیک، زمان و هزینه‌های بهینه‌سازی را در صنایع کاهش می‌دهد. به طور خلاصه، مزیت‌های سنتز در تراشه‌های میکروفلوئیدیکی شامل[19]:
-حجم معرف کوچک
-بهبود انتقال حرارت و جرم
– کاهش تشکیل محصول جانبی بالقوه
-کاهش زمان واکنش
-افزایش ایمنی فرایند
-نسبت سطح به حجم زیاد
-بهینه‌سازی سریع پارامترهای سنتز
-افزایش کیفیت و بازده محصول

6-3-الکترونیک و کاربردهای مرتبط با مهندسی مکانیک:

از تراشه‌های میکروفلوئیدیک یه ویژه میکروفلوئیدیک قطره‌ای، به منظور بررسی خواص الکتریکی و مکانیکی مانند ظرفیت غشا یا مقاومت سیتوپلاسم، تک سلول‌ها استفاده می‌شود. دستگاه‌های مبتنی بر میکروفلوئیدیک که برای توصیف ویژگی‌های الکتریکی تک سلولی پیشنهاد شده‌اند، بر مبنای طیف‌سنجی میکرو امپدانس الکتریکی و فلوسیتومتری امپدانس عمل می‌کنند. μ-EIS یک روش غیر تهاجمی برای مشخص و بررسی کردن سلول‌های تک بی‌حرکت بین دو الکترود است. در فلوسیتومتری، سلول‌های منفرد به طور پیوسته از میان دو الکترود عبور داده شده تا داده‌های امپدانس سلول‌ها در فرکانس‌های متعدد اندازه‌گیری ‌شود[20]. ساخت دستگاه‌های کروماتوگرافی گازی مینیاتوری و نازل‌های چاپگر جوهرافشان از جمله کاربردهای میکروفلوئیدیک در این حوزه هستند[14].

7- نحوه استفاده از تراشه میکروفلوئیدیک:

بعد از طراحی و ساخت تراشه میکروفلوئیدیک، محلول مورد بررسی به کمک پمپ وارد میکروکانال شده و مسیر طراحی شده را طی می‌کند. با توجه به کاربرد مدنظر و طراحی‌، ممکن است چند نوع سیال وارد میکروکانال شده و با یکدیگر واکنش داده، ترکیب یا مخلوط شوند. بعد از انجام فرایند مدنظر، سیال از میکروکانال خارج می‌شود. محلول می‌تواند پس از خروج  مورد آنالیز و بررسی قرار گرفته یا به صورت همزمان با گذشتن سیال از کانال، محلول با استفاده از میکروسکوپ نوری مورد آنالیز قرار می‌گیرد. شکل5 شماتیک چیدمان آزمایشگاهی سیستم میکروفلوئیدیکی را نمایش می‌دهد.
شکل5: شماتیک چیدمان آزمایشگاهی سیستم میکروفلوئیدیکی [21]
امروز سیستم‌های میکروفلوئیدیک به صورت تجاری در دسترس هستند که شرکت‌هایAbbott, Agilent, Caliper Dolomite, Micralyne, Microfluidic Chip Shop, Micrux Technologies, and Waters از معروف‌ترین مجموعه‌ها در این حوزه می‌باشند[10]

8- نتیجه‌گیری:

تراشه‌های میکروفلوئیدیک امکان بررسی سریع و دقیق سیال در حجم کوچک را ممکن کرده‌اند. استفاده از میکروکانال در زمینه‌های مختلف، انقلابی را از نظر هزینه، نوآوری و کارایی به ارمغان آورده است. تکنولوژی میکروفلوئیدیک، امکان ساخت آزمایشگاه‌های قابل حمل بر روی یک تراشه را ممکن می‌کند. تعداد زیادی از محققان در این زمینه به دنبال توسعه تکنیک‌های ساخت میکروکانال با کارآمدترین روش هستند. به همین دلیل، در این مقاله علاوه بر معرفی انواع سیستم‌های میکروفلوئیدیک، رایج‌ترین روش‌ها و مواد مورد استفاده در ساخت میکروکانال‌ها مطرح شده است.

منابـــع و مراجــــع


۱ – Yang, L., et al., The Fabrication of Micro/Nano Structures by Laser Machining. Nanomaterials, 2019. 9(12): p. 1789.
۲ – Wlodarczyk, K.L., D.P. Hand,M.M. Maroto-Valer, Maskless, rapid manufacturing of glass microfluidic devices using a picosecond pulsed laser. Scientific Reports, 2019. 9(1): p. 20215.
۳ – Kricka, L.J., et al., Fabrication of plastic microchips by hot embossing. Lab on a Chip, 2002. 2(1): p. 1-4.
۴ – Gale, B.K., et al., A review of current methods in microfluidic device fabricationfuture commercialization prospects. Inventions, 2018. 3(3): p. 60.
۵ – Chow, W.W.Y., et al., Microfluidic channel fabrication by PDMS-interface bonding. Smart materialsstructures, 2005. 15(1): p. S112.
۶ – Pemg, B.Y., et al., Microfluidic chip fabrication using hot embossingthermal bonding of COP. Polymers for Advanced Technologies, 2010. 21(7): p. 457-466.
۷ – Chu, J.-S., M.D. Gilchrist,N. Zhang, Microinjection Molding for Microfluidics Applications, in Encyclopedia of MicrofluidicsNanofluidics, D. Li, Editor. 2015, Springer New York: New York, NY. p. 2085-2101.
۸ – Zhu, H., et al., Recent advances in lab-on-a-chip technologies for viral diagnosis. BiosensorsBioelectronics, 2020. 153: p. 112041.
۹ – Wu, J.M. Gu, Microfluidic sensing: state of the art fabricationdetection techniques. Journal of biomedical optics, 2011. 16(8): p. 080901.
۱۰ – Nge, P.N., C.I. Rogers,A.T. Woolley, Advances in microfluidic materials, functions, integration,applications. Chemical reviews, 2013. 113(4): p. 2550-2583.
۱۱ – Xue, N.W. Yan, Glass-based continuous-flow pcr chip with a portable control system for DNA amplification. IEEE Sensors Journal, 2012. 12(6): p. 1914-1918.
۱۲ – Lee, N.Y., A review on microscale polymerase chain reaction based methods in molecular diagnosis,future prospects for the fabrication of fully integrated portable biomedical devices. Microchimica Acta, 2018. 185(6): p. 285.
۱۳ – Attia, U.M., S. Marson,J.R. Alcock, Micro-injection moulding of polymer microfluidic devices. Microfluidicsnanofluidics, 2009. 7(1): p. 1-28.
۱۴ – Prakash, S.S. Kumar, Fabrication of microchannels: A review. Proceedings of the Institution of Mechanical Engineers, Part B: Journal of Engineering Manufacture, 2014. 229: p. 0954405414535581.
۱۵ – Raje, M.G.M. Raje, Micro-fluidics in Disease Diagnosis: Past, Present,Future-An Overview. Br. Biomed. Bull, 2019. 7: p. 1-10.
۱۶ – Ahrberg, C.D., A. Manz,B.G. Chung, Polymerase chain reaction in microfluidic devices. Lab on a Chip, 2016. 16(20): p. 3866-3884.
۱۷ – Li, Z., et al., All-in-one microfluidic device for on-site diagnosis of pathogens based on an integrated continuous flow PCRelectrophoresis biochip. Lab on a Chip, 2019. 19(16): p. 2663-2668.
۱۸ – Miao, G., et al., Free convective PCR: principle study to commercial applications—A critical review. Analytica Chimica Acta, 2020. 1108: p. 177-197.
۱۹ – Momeniazandariani, S., Chemical synthesis with microfluidics–a review. Elveflow, 2022.
۲۰ – Chen, J., et al., Microfluidic Impedance Flow Cytometry Enabling High-Throughput Single-Cell Electrical Property Characterization. International Journal of Molecular Sciences, 2015. 16(5): p. 9804-9830.
۲۱ – Ahmed, F., et al., Designvalidation of microfluidic parameters of a microfluidic chip using fluid dynamics. AIP Advances, 2021. 11(7): p. 075224.

نوشته های مشابه

دیدگاهتان را بنویسید

نشانی ایمیل شما منتشر نخواهد شد. بخش‌های موردنیاز علامت‌گذاری شده‌اند *

همچنین ببینید
بستن
دکمه بازگشت به بالا