Sciencemag.cz
Doporučujeme
Jak zrychlit a zjednodušit přípravu polymerních kartáčů, které jsou základem moderních biosenzorů? Tým pod vedením Hany Lísalové ze Sekce optiky Fyzikálního ústavu AV ČR našel řešení: navrhl a vyrobil mikrofluidní reaktor pomocí 3D tisku. Nový způsob přípravy tenkých polymerních vrstev umožnuje lépe kontrolovat jejich vlastnosti a zároveň šetří čas i chemikálie. Výsledky výzkumu byly publikovány v prestižním časopise Chemical Engineering Journal.
3D tisk a mikrofluidika mění pravidla hry
Polymerní kartáče, ultratenké nanovrstvy polymerů navázané na povrch materiálů, hrají klíčovou roli v biosenzorech, diagnostických čipech i dalších bioanalytických technologiích. Dosavadní metody jejich výroby v klasických reaktorech jsou však málo efektivní. Tým Hany Lísalové proto využil 3D tisk k vytvoření mikrofluidního skládaného reaktoru, díky kterému je možné polymerovat desítky substrátů najednou s minimální spotřebou chemikálií.
Kartáče, které rostou rychleji a kvalitněji
Detailní charakterizace pomocí infračervené spektroskopie (IRRAS), spektroskopické elipsometrie, rentgenové fotoelektronové spektroskopie (XPS) a povrchové plazmonové rezonance (SPR) ukázala, že kartáče připravené v mikrofluidním reaktoru mají srovnatelné, a v některých ohledech dokonce i lepší vlastnosti, než kartáče vytvořené klasickými metodami. V mikrofluidním reaktoru rostou kartáče rychleji, dosahují vyšší hustoty a dají se snadněji ladit jejich požadované vlastnosti. Nový přístup navíc otevírá cestu k přípravě složitějších vícevrstvých struktur a k výrobě povrchů s různými funkcemi na jednom čipu.
„Na začátku výzkumu nám několik lidí tvrdilo, že tímto způsobem polymerní kartáče vyrobit nepůjdou,“ říká N. Scott Lynn, který projekt vedl. „To nás donutilo být ještě důkladnější a měli jsme velkou radost, že mikroreaktory se nejen mnohem snadněji používají, ale také vytvářejí vrstvy tak vysoké kvality. 3D tisk nám pak pomohl přizpůsobit zařízení, aby dokázalo splnit náročné požadavky, které tento typ chemie vyžaduje.“
„Velké uznání patří Scottu Lynnovi, který mikrofluidní skládaný reaktor navrhl a vytiskl, a Markétě Vrabcové, která vedla přípravu a testování polymerních vrstev. Markéta je jedním z pilířů našeho týmu v oblasti syntetických metod – v tomto projektu skvěle uplatnila své dlouholeté zkušenosti nasbírané ve Fyzikálním ústavu. Její spolupráce se Scottem se ukázala jako mimořádně funkční spojení,“ doplňuje Hana Lísalová, vedoucí Laboratoře funkčních biorozhraní.
Výhled do budoucna: 3D tisk v materiálovém inženýrství
Význam výzkumu přesahuje oblast biosenzoriky a ukazuje nové možnosti pro využití 3D tisku v řízení chemických procesů. „Ve Fyzikálním ústavu máme dlouhodobou expertízu v oblasti 3D tisku pro vědecké i technologické aplikace. Tento výzkum krásně ilustruje, jak můžeme využít aditivní technologie k návrhu chytrých reaktorů a zařízení pro materiálové inženýrství, biofotoniku i medicínu,“ doplňuje Alexandr Dejneka, vedoucí Sekce optiky FZU.
Tým Laboratoře funkčních biorozhraní nyní připravuje polymerní vrstvy se složitějšími vzory. Tyto techniky umožňují nanášet různé složení polymerů na jediný povrch, což vědcům pomáhá zkoumat, jak molekulární struktura ovlivňuje vlastnosti materiálu. Kromě toho se týmu podařilo zvládnout polymeraci i v mikrolitrových objemech – což je v chemii velmi náročný úkol i při použití běžných metod. Nyní se výzkumníci pouštějí do další výzvy: syntézy polymerních vrstev v ještě menším měřítku – v nanolitrech, a dokonce i femtolitrech, tedy miliardkrát menších než mikrolitr. Na této práci tým úzce spolupracuje s Dioscuri Centrem jednomolekulární optiky, které vede Barbora Špačková.
