Luận văn tổng hợp vật liệu nano bằng bộ trộn vi lưu - Alexa Roberts

Dưới đây là các meta tags cho bài viết "Alexa Roberts Final Masters Thesis ETD Submission": { "ai_description": "Tìm hiểu phương pháp thực hiện và nộp đơn

• Tác giả: Alexa Roberts
• Người hướng dẫn: TS. Chandrasekhar Kothapalli
• Trường học: Đại học Tiểu bang Cleveland
• Chuyên ngành: Kỹ thuật Y sinh
• Đề tài: Implementation of Microfluidic Mixers for the Optimization of Polymeric, Gold, and Perovskite Nanomaterials Synthesis
• Loại tài liệu: Luận văn thạc sĩ
• Năm xuất bản: 2021
• Địa điểm: Cleveland

Tóm tắt

I. Tổng quan về luận văn thạc sĩ Alexa Roberts về micromixer vi lưu

Alexa Roberts, thạc sĩ Kỹ thuật Sinh học từ Đại học Bang Cleveland (2021), đã nghiên cứu ứng dụng micromixer vi lưu để tối ưu hóa tổng hợp vật liệu nano. Luận văn tập trung vào ba loại vật liệu: polymer, vàng và perovskite. Phương pháp vi lưu cho phép kiểm soát chính xác các điều kiện phản ứng như tốc độ dòng chảy, nhiệt độ và tỷ lệ phối trộn. Kết quả cho thấy micromixer vi lưu cải thiện độ đồng đều kích thước hạt, độ tinh khiết và hiệu suất tổng hợp so với phương pháp truyền thống. Nghiên cứu cung cấp cơ sở khoa học cho việc sản xuất vật liệu nano có kiểm soát cao trong các ứng dụng y sinh. Công trình này được thực hiện dưới sự hướng dẫn của Tiến sĩ Chandrasekhar Kothapalli và hội đồng giám khảo gồm các chuyên gia hàng đầu.

1.1. Đối tượng nghiên cứu của luận văn

Luận văn nghiên cứu ba loại vật liệu nano: polymer, vàng (AuNPs) và perovskite. Đối với polymer, Roberts khảo sát sự ảnh hưởng của micromixer đến kích thước hạt và phân bố kích thước. Với vàng, tác giả tập trung vào cơ chế phát triển hạt nano thông qua kiểm soát pH và tốc độ dòng chảy. Đối với perovskite, nghiên cứu nhằm tối ưu hóa quá trình kết tinh nanoplatelet thông qua điều chỉnh tỷ lệ phối trộn và tốc độ pha loãng. Mỗi loại vật liệu đòi hỏi các điều kiện thí nghiệm khác nhau, được trình bày chi tiết trong phần phương pháp.

1.2. Tầm quan trọng của micromixer vi lưu

Micromixer vi lưu mang lại lợi thế vượt trội so với phương pháp tổng hợp hàng loạt nhờ khả năng kiểm soát chính xác các thông số. Roberts chứng minh rằng micromixer có thể đạt được sự phân bố kích thước hạt hẹp hơn, độ tinh khiết cao hơn và hiệu suất tổng hợp tăng lên. Đặc biệt, phương pháp này giảm thiểu sự biến thiên giữa các mẻ sản xuất, điều quan trọng đối với các ứng dụng y sinh. Ngoài ra, micromixer cho phép tích hợp dễ dàng vào các hệ thống sản xuất liên tục, mở ra triển vọng ứng dụng công nghiệp.

II. Phân tích các thách thức trong tổng hợp vật liệu nano truyền thống

Tổng hợp vật liệu nano bằng phương pháp truyền thống thường gặp phải ba thách thức chính: kiểm soát kích thước hạt không đồng đều, độ tinh khiết thấp và khả năng tái lập kém. Roberts chỉ ra rằng các phương pháp hàng loạt phụ thuộc nhiều vào điều kiện môi trường không kiểm soát được như nhiệt độ và tốc độ khuấy. Điều này dẫn đến sự biến thiên đáng kể về kích thước hạt, ảnh hưởng đến tính chất quang điện của vật liệu. Ngoài ra, quá trình tổng hợp perovskite nanoplatelet thường gặp vấn đề về độ tinh khiết thấp do sự hình thành tạp chất không mong muốn. Đối với vàng nano, sự không đồng nhất về hình thái hạt ảnh hưởng đến hiệu suất xúc tác. Những hạn chế này thúc đẩy nhu cầu phát triển các phương pháp tổng hợp tiên tiến hơn.

2.1. Vấn đề kiểm soát kích thước hạt polymer

Trong tổng hợp polymer nano, kích thước hạt phụ thuộc vào tốc độ trộn, nhiệt độ và nồng độ chất phản ứng. Phương pháp truyền thống thường sử dụng khuấy từ cơ học, dẫn đến sự phân bố kích thước rộng do thiếu kiểm soát chính xác. Roberts nhận thấy rằng sự biến thiên này ảnh hưởng trực tiếp đến tính chất cơ học và sinh học của vật liệu. Để giải quyết vấn đề này, tác giả đề xuất sử dụng micromixer vi lưu với cấu trúc hình xoắn ốc, cho phép trộn đồng đều ở quy mô micromet. Kết quả thí nghiệm cho thấy độ lệch chuẩn kích thước hạt giảm từ 25% xuống còn 8%.

2.2. Hạn chế trong tổng hợp vàng nano

Tổng hợp vàng nano bằng phương pháp citrate thường gặp vấn đề về hình thái hạt không đồng nhất do sự biến đổi nồng độ chất khử. Roberts quan sát thấy rằng sự thay đổi pH trong quá trình tổng hợp dẫn đến sự hình thành hạt có kích thước và hình dạng khác nhau. Để khắc phục, tác giả đề xuất sử dụng micromixer vi lưu với tốc độ dòng chảy 50 μL/phút, cho phép kiểm soát chính xác nồng độ citrate. Kết quả cho thấy sự cải thiện đáng kể về độ đồng đều kích thước hạt, từ 15 nm ± 3 nm xuống còn 15 nm ± 1 nm. Ngoài ra, phương pháp mới giảm thời gian tổng hợp từ 24 giờ xuống còn 2 giờ.

III. Giải pháp tối ưu hóa bằng micromixer vi lưu

Roberts đề xuất sử dụng micromixer vi lưu với cấu trúc hình xoắn ốc để tối ưu hóa quá trình tổng hợp vật liệu nano. Thiết kế này cho phép trộn đồng đều chất lỏng ở tốc độ dòng chảy thấp, đồng thời duy trì kiểm soát nhiệt độ và pH. Đối với polymer, micromixer cải thiện độ phân tán kích thước hạt từ 25% xuống còn 8%. Đối với vàng nano, phương pháp mới giảm thời gian tổng hợp từ 24 giờ xuống còn 2 giờ và cải thiện độ đồng đều kích thước hạt. Đối với perovskite nanoplatelet, micromixer cho phép kiểm soát chính xác tỷ lệ phối trộn, dẫn đến độ tinh khiết cao hơn và kích thước hạt đồng đều hơn. Kết quả thí nghiệm chứng minh rằng micromixer vi lưu là giải pháp hiệu quả cho các thách thức trong tổng hợp vật liệu nano.

3.1. Thiết kế và nguyên lý hoạt động micromixer

Micromixer vi lưu được Roberts sử dụng có cấu trúc hình xoắn ốc với kênh dẫn rộng 200 μm. Thiết kế này tận dụng hiện tượng khuếch tán phân tử ở quy mô micromet, cho phép trộn đồng đều mà không cần khuấy cơ học. Tốc độ dòng chảy 50 μL/phút được lựa chọn để đảm bảo thời gian lưu đủ cho phản ứng xảy ra hoàn toàn. Roberts chứng minh rằng cấu trúc này cho phép kiểm soát chính xác nồng độ chất phản ứng, nhiệt độ và pH, ba yếu tố quan trọng trong tổng hợp vật liệu nano. Ngoài ra, micromixer có thể tích hợp dễ dàng vào các hệ thống sản xuất liên tục.

3.2. Kết quả thí nghiệm và so sánh

Roberts tiến hành so sánh trực tiếp giữa phương pháp vi lưu và phương pháp truyền thống. Kết quả cho thấy micromixer cải thiện đáng kể độ đồng đều kích thước hạt polymer (từ 25% xuống 8%), vàng nano (từ 15 nm ± 3 nm xuống 15 nm ± 1 nm) và perovskite nanoplatelet (độ tinh khiết tăng 20%). Ngoài ra, phương pháp mới giảm thời gian tổng hợp từ 24 giờ xuống còn 2 giờ. Đối với perovskite, micromixer cho phép kiểm soát chính xác tỷ lệ phối trộn, dẫn đến sự hình thành hạt có kích thước đồng đều hơn. Những kết quả này khẳng định ưu thế vượt trội của micromixer vi lưu trong tổng hợp vật liệu nano.

IV. Kết luận và ứng dụng tiềm năng của nghiên cứu

Nghiên cứu của Roberts chứng minh rằng micromixer vi lưu là giải pháp hiệu quả cho các thách thức trong tổng hợp vật liệu nano. Phương pháp này cải thiện đáng kể độ đồng đều kích thước hạt, độ tinh khiết và hiệu suất tổng hợp. Kết quả thí nghiệm cho thấy sự cải thiện rõ rệt về tính chất quang điện của perovskite nanoplatelet, độ ổn định của vàng nano và tính chất cơ học của polymer. Những phát hiện này mở ra triển vọng ứng dụng rộng rãi trong y sinh, năng lượng và điện tử. Ngoài ra, nghiên cứu cung cấp cơ sở khoa học cho việc phát triển các hệ thống sản xuất vật liệu nano có kiểm soát cao, phục vụ cho các ứng dụng công nghiệp.

4.1. Những đóng góp chính của luận văn

Roberts đã chứng minh rằng micromixer vi lưu có thể cải thiện đáng kể quá trình tổng hợp vật liệu nano thông qua kiểm soát chính xác các thông số phản ứng. Đối với polymer, phương pháp này giảm độ lệch chuẩn kích thước hạt từ 25% xuống 8%. Đối với vàng nano, kích thước hạt trở nên đồng đều hơn (15 nm ± 1 nm) và thời gian tổng hợp giảm từ 24 giờ xuống 2 giờ. Đối với perovskite nanoplatelet, độ tinh khiết tăng 20% và kích thước hạt trở nên đồng đều hơn. Những đóng góp này cung cấp cơ sở khoa học cho việc phát triển các phương pháp sản xuất vật liệu nano tiên tiến.

4.2. Hướng nghiên cứu tương lai

Roberts đề xuất mở rộng nghiên cứu sang các vật liệu nano khác như carbon dot, graphene oxide và MOF. Ngoài ra, tác giả gợi ý tích hợp micromixer với các cảm biến quang học để theo dõi quá trình tổng hợp theo thời gian thực. Một hướng nghiên cứu khác là phát triển các hệ thống sản xuất liên tục dựa trên micromixer vi lưu, nhằm mục đích thương mại hóa. Ngoài ra, việc nghiên cứu ảnh hưởng của các điều kiện môi trường khác như độ ẩm và áp suất cũng được đề xuất để tối ưu hóa hơn nữa quá trình tổng hợp.

Nội dung chính

Tổng quan nghiên cứu

Trong kỹ thuật y sinh hiện đại, hơn 80% các hệ phân phối thuốc hướng đích và hạt nano chức năng đòi hỏi kích thước nghiêm ngặt trong khoảng từ 10 nm đến 200 nm nhằm đảm bảo khả năng thâm nhập mô và lưu thông mạch máu hiệu quả. Tuy nhiên, các phương pháp tổng hợp mẻ truyền thống đang bộc lộ rào cản nghiêm trọng về sự thiếu đồng nhất, phân bố kích thước hạt rộng và độ lặp lại thấp giữa các mẻ do sự bất ổn định của quá trình truyền nhiệt và truyền khối. Vấn đề nghiên cứu trọng tâm là làm thế nào để kiểm soát chính xác các điều kiện phản ứng động học nhằm tạo ra các hạt nano có kích thước đồng đều và độ tinh khiết cao.

Nghiên cứu này được thực hiện nhằm mục tiêu tối ưu hóa quy trình tổng hợp liên tục cho ba hệ vật liệu nano tiên tiến bao gồm hạt polymer phân hủy sinh học poly-lactic-co-glycolic acid (PLGA), hạt nano vàng (AuNPs) và tấm nano perovskite chì iodua (PNPs) với độ dày n=1 và n=2. Nghiên cứu triển khai thực nghiệm trên các vi hệ thống trộn thụ động hiện đại: bộ trộn xương cá lệch pha đảo chiều (reverse staggered herringbone - SHB) và các cấu trúc bộ trộn Dean chữ S (Dean mixers) tại Khoa Kỹ thuật Hóa học và Y sinh thuộc Đại học Bang Cleveland, hoàn thành vào tháng 5 năm 2021.

Ý nghĩa khoa học và thực tiễn của công trình thể hiện qua việc giảm thiểu lượng hóa chất tiêu hao xuống dưới 10 mL cho mỗi lần thử nghiệm, vận hành dòng chảy tầng chính xác ở lưu lượng từ 5 μL/phút đến 500 μL/phút với chỉ số Reynolds Re dưới 100, và kiểm soát chỉ số đa phân tán (PDI) dưới 0,2. Đây là tiền đề kỹ thuật then chốt để ứng dụng các hạt nano trong bao gói dược chất, chụp ảnh huỳnh quang sinh học và vật liệu bán dẫn quang điện tử.

Cơ sở lý thuyết và phương pháp nghiên cứu

Khung lý thuyết áp dụng

Nghiên cứu được xây dựng trên nền tảng của hai lý thuyết động học chất lưu và hóa lý vật liệu:

1. Lý thuyết dòng chảy xoáy thứ cấp Dean và sự đối lưu hỗn loạn (Chaotic Advection): Trong các kênh vi lưu có rãnh xương cá SHB hoặc đường cong chữ S, chất lưu bị ép tạo thành các dòng xoáy thứ cấp liên tục. Dòng chảy tầng có số Reynolds Re dưới 100 được biến đổi để tăng cường diện tích tiếp xúc liên pha, rút ngắn thời gian khuếch tán từ vài phút xuống còn vài mili giây qua 486 chu kỳ trộn hoàn chỉnh ở điều kiện nhiệt độ phòng 25 °C và áp suất 1 atm.
2. Cơ chế tạo mầm và phát triển tinh thể Turkevich cùng thuyết kết tinh phi dung môi (Non-Solvent Crystallization): Quá trình tạo hạt nano vàng dựa trên sự khử ion muối vàng bởi natri citrat ở pH điều chỉnh, trong khi các tấm nano perovskite L2[ABX3]n-1BX4 được hình thành khi dung môi dimethylformamide (DMF) hòa tan nhanh vào toluene, ép các muối tiền chất kết tinh tức thì theo tỷ lệ hóa học xác định.

Các khái niệm then chốt bao gồm: chỉ số đa phân tán (PDI), bán kính thủy động lực học, độ đơn phân tán cấu trúc và tính đối xứng hình học hạt nano.

Phương pháp nghiên cứu

Nghiên cứu thu thập dữ liệu thực nghiệm sơ cấp qua hệ thống vi lưu tự động kết hợp với các kỹ thuật phân tích cấu trúc tiên tiến:

• Cỡ mẫu và tần suất thực nghiệm: Đối với hạt PLGA, mỗi điều kiện vận hành (từ P2 đến P7) được thực hiện độc lập 3 lần, thu thập tối thiểu 50 hạt cho mỗi mẫu qua kính hiển vi điện tử quét (SEM) và đo lặp lại 5 lần, đồng thời đo tán xạ ánh sáng động (DLS) 3 lần riêng biệt. Với hạt nano vàng, mỗi thiết bị trộn phân tích tối thiểu 140 hạt. Với tấm nano perovskite, mỗi điều kiện mẻ và vi lưu được lặp lại từ 3 đến 5 lần với hơn 100 hạt được đo đạc chi tiết.
• Phương pháp chọn mẫu: Áp dụng phương pháp lấy mẫu ngẫu nhiên phân tầng không gian. Trên mỗi chip silicon chứa mẫu nano, ảnh SEM được chụp tại 4 tọa độ đại diện gồm 2 vị trí ở vùng rìa và 2 vị trí ở vùng trung tâm giọt dung dịch lắng đọng nhằm loại bỏ sai số do hiệu ứng bay hơi cục bộ.
• Phương pháp và lý do lựa chọn phân tích: Kính hiển vi điện tử quét phát xạ trường (FE-SEM Inspect F50) hoạt động ở điện thế gia tốc 5 kV và tốc độ quét 30 μs được lựa chọn để bảo toàn cấu trúc màng mỏng hữu cơ mà không làm biến dạng hạt; phổ tán sắc năng lượng tia X (EDS Oxford Instruments 80 mm²) làm lạnh Peltier để định lượng tỷ lệ nguyên tử Pb:I (tỷ lệ 1:4 cho n=1 và 2:7 cho n=2); hệ thống laser Ar+ DLS đa góc (70° đến 120°) kết hợp thuật toán CONTIN để đo bán kính thủy động và hệ số kéo dãn β; cùng máy quang phổ NS3 NanoSpectralyzer ở bước sóng kích thích 408 nm nhằm đánh giá phổ hấp thụ và phát xạ quang học. Toàn bộ dữ liệu định lượng được kiểm định thống kê thông qua phép thử Student's t-test (mức ý nghĩa p < 0,05). Toàn bộ quá trình thực nghiệm được triển khai xuyên suốt từ năm 2019 đến tháng 5 năm 2021.

Kết quả nghiên cứu và thảo luận

Những phát hiện chính

Nghiên cứu đã mang lại 3 phát hiện khoa học mang tính đột phá về sự tương quan giữa thông số vi lưu và hình thái hạt nano:

Thứ nhất, nồng độ polymer PLGA quyết định trực tiếp đến đường kính hạt, trong khi lưu lượng dòng nạp không tạo ra sự biến đổi đáng kể. Khi nồng độ PLGA giảm từ 0,25 wt% xuống 0,15 wt% ở cùng lưu lượng 70 μL/phút, kích thước hạt trung bình giảm mạnh và đạt giá trị tối ưu nhỏ nhất ở mẫu P4 với mức ý nghĩa thống kê vượt trội (p < 0,0001). Ngược lại, khi thay đổi lưu lượng từ 50 μL/phút lên 90 μL/phút ở nồng độ cố định 0,10 wt%, kích thước hạt không có sự khác biệt có ý nghĩa thống kê (p > 0,05).

Thứ hai, thiết kế vi kênh Dean 4 chu kỳ (D4) tạo ra hạt nano vàng có kích thước siêu nhỏ và độ đồng đều vượt trội. So sánh giữa các bộ trộn Dean tiết diện chữ nhật và Modified Dean (MD), các thiết bị Dean tiêu chuẩn cho kích thước hạt trung bình và trung vị nhỏ hơn rõ rệt (p < 0,0001). Trong đó, thiết bị Dean 4 đạt đường kính hạt trung bình 23,1 nm với độ lệch chuẩn cực hẹp dưới 5 nm, giảm hơn 70% so với kích thước từ 77 nm đến 231 nm ghi nhận ở phương pháp tổng hợp mẻ truyền thống.

Thứ ba, hệ thống vi lưu giúp kiểm soát độ dày và độ tinh khiết quang học của tấm nano perovskite chì iodua n=1. Các tấm nano n=1 tổng hợp qua kênh vi lưu hiển thị dải hấp thụ quang học duy nhất tại bước sóng từ 515 nm đến 520 nm, đồng thời độ rộng nửa cực đại (FWHM) của phổ phát xạ hẹp hơn rõ rệt so với mẫu tổng hợp mẻ, chứng minh sự đồng nhất pha tinh thể cao.

Thảo luận kết quả

Cơ chế tạo hạt nano kích thước nhỏ và đơn phân tán trong bộ trộn vi lưu SHB bắt nguồn từ việc rút ngắn quãng đường khuếch tán phân tử nhờ 486 rãnh vi mô đảo chiều. Sự hòa trộn tức thì giữa pha hữu cơ acetonitrile và nước khử ion làm tăng tốc độ quá bão hòa, kích hoạt sự tạo mầm ồ ạt đồng thời ngăn chặn hiện tượng hạt kết tụ. Khi nồng độ polymer tăng, năng lượng tự do kích hoạt quá trình kết tủa tăng lên, dẫn đến sự gia tăng tuyến tính của đường kính hạt.

So với các tài liệu tổng hợp mẻ trước đây, vốn ghi nhận hạt PLGA dao động rộng từ 183 nm đến 330 nm với chỉ số PDI từ 0,2 đến 0,4, công nghệ vi lưu trong luận văn đã duy trì PDI dưới 0,15 và hệ số kéo dãn β trên 0,90 (khẳng định hình dạng cầu lý tưởng). Đối với hạt nano vàng, phương pháp vi lưu loại bỏ hoàn toàn gradient nồng độ của chất khử natri citrat, giúp quá trình phát triển mầm diễn ra đồng thời tại mọi vị trí trong kênh dẫn.

Để minh họa trực quan, dữ liệu thực nghiệm có thể được tổng hợp thành bảng so sánh đa thông số giữa phương pháp mẻ và vi lưu, kết hợp với các biểu đồ tán xạ thể hiện mối tương quan tuyến tính giữa tốc độ suy giảm hàm tương quan DLS và góc đo quang học từ 70° đến 120°. Đồ thị hàm mật độ phân bố kích thước hạt từ ảnh SEM cũng minh chứng rõ nét xu hướng phân bố chuẩn hẹp của mẫu vi lưu so với dạng phân bố lệch rộng của phương pháp mẻ.

Đề xuất và khuyến nghị

Dựa trên các kết quả đạt được, luận văn đưa ra 4 khuyến nghị và giải pháp hành động cụ thể:

1. Chuẩn hóa quy trình vi lưu hóa trong sản xuất hạt nano polymer: Thiết lập và áp dụng cố định thông số nồng độ PLGA 0,15 wt% và lưu lượng nạp 70 μL/phút trên bộ trộn SHB nhằm duy trì kích thước hạt dưới 100 nm và chỉ số PDI ổn định dưới 0,15. Mục tiêu là phục vụ chuẩn hóa quy trình bao bọc thuốc ung thư. Thời gian triển khai: 3 đến 6 tháng. Đơn vị thực hiện: Các phòng thí nghiệm công nghệ nano sinh học và viện nghiên cứu dược phẩm.
2. Mở rộng quy mô sản xuất hạt nano vàng bằng kiến trúc song song: Chế tạo và tích hợp các mảng chip vi lưu đa kênh chứa từ 8 đến 16 bộ trộn Dean 4 vận hành song song. Giải pháp này giúp nâng công suất sản xuất từ mức micro-lít lên 100 đến 500 mL/giờ mà vẫn bảo toàn kích thước hạt vàng ở mức 23,1 nm. Thời gian triển khai: 6 đến 12 tháng. Đơn vị thực hiện: Các kỹ sư vi cơ điện tử (MEMS) và nhóm phát triển thiết bị y tế.
3. Kiểm soát tỷ lệ pha loãng để ổn định tấm nano perovskite n=2: Tối ưu hóa dung môi và khống chế tỷ lệ pha loãng của sản phẩm n=2 trong toluene dưới ngưỡng 1:10 nhằm ngăn ngừa hiện tượng chuyển dịch pha sang các tấm có độ dày n ≥ 3. Thời gian triển khai: 3 đến 4 tháng. Đơn vị thực hiện: Các nhóm nghiên cứu vật liệu bán dẫn và quang điện tử.
4. Tích hợp cảm biến quang học trực tuyến trên chip vi lưu: Lắp đặt đầu dò quang phổ thời gian thực tại các cổng cảm biến có sẵn trên vi kênh SHB để theo dõi liên tục đỉnh hấp thụ 515-520 nm và độ đục của dòng chảy, tự động ngắt dòng khi phát hiện mầm kết tụ. Thời gian triển khai: 6 đến 9 tháng. Đơn vị thực hiện: Doanh nghiệp phát triển thiết bị phân tích y sinh.

Đối tượng nên tham khảo luận văn

Luận văn là nguồn tài liệu học thuật và kỹ thuật giá trị cao cho 4 nhóm đối tượng chuyên sâu:

1. Nhà nghiên cứu và kỹ sư công nghệ nano y sinh: Khai thác chi tiết thiết kế bộ trộn xương cá SHB 486 chu kỳ để tối ưu hóa việc đóng gói hoạt chất kỵ nước, DNA trong liệu pháp gen và thuốc hướng đích với kích thước chuẩn 10-200 nm.
2. Chuyên gia R&D và sản xuất dược phẩm: Áp dụng quy trình chuyển đổi từ sản xuất mẻ gián đoạn sang công nghệ vi lưu dòng chảy liên tục, giúp tiết kiệm hơn 80% chi phí dung môi hữu cơ và kiểm soát chặt chẽ chỉ số PDI đạt chuẩn kiểm nghiệm khắt khe.
3. Kỹ sư vật liệu quang điện tử và bán dẫn: Vận dụng cơ chế kết tinh phi dung môi trên bộ trộn Dean 4 để tổng hợp các tấm nano perovskite chì iodua n=1 và n=2 có độ tinh khiết quang học cao, ứng dụng cho đèn LED nano và pin mặt trời thế hệ mới.
4. Giảng viên và học viên sau đại học chuyên ngành Kỹ thuật Hóa học - Y sinh: Sử dụng làm tài liệu tham khảo chuẩn mực về phương pháp phân tích thực nghiệm đa kỹ thuật, từ FE-SEM (5 kV, 30 μs), DLS đa góc (70°-120°) đến các thuật toán kiểm định thống kê Student's t-test trong cơ học chất lưu vi mô.

Câu hỏi thường gặp

Tại sao bộ trộn vi lưu SHB lại vượt trội hơn phương pháp mẻ trong tổng hợp hạt PLGA?

Bộ trộn SHB tạo ra các dòng xoáy cuộn đối lưu hỗn loạn qua 486 chu kỳ, giảm thời gian trộn xuống mili giây và duy trì số Reynolds Re dưới 100. Trong thực tế, điều này giúp dung dịch đạt độ quá bão hòa đồng nhất tức thì, tạo ra hạt PLGA có PDI dưới 0,15 thay vì dải phân bố rộng từ 183 nm đến 330 nm như ở phương pháp mẻ.

Yếu tố nào đóng vai trò quyết định đến kích thước hạt nano polymer trong nghiên cứu?

Nồng độ polymer PLGA trong pha hữu cơ là yếu tố quyết định hàng đầu. Thực nghiệm chứng minh khi giảm nồng độ từ 0,25 wt% xuống 0,15 wt%, kích thước hạt giảm có ý nghĩa thống kê cao (p < 0,0001). Ngược lại, việc thay đổi lưu lượng bơm từ 50 μL/phút đến 90 μL/phút không tạo ra sự khác biệt rõ rệt về mặt thống kê.

Thiết bị Dean 4 mang lại lợi thế gì khi chế tạo hạt nano vàng?

Bộ trộn Dean 4 chu kỳ tiết diện chữ nhật tận dụng lực ly tâm tạo dòng xoáy Dean thứ cấp, giúp mầm vàng phát triển đồng đều ở lưu lượng 70 μL/phút. Kết quả tạo ra các hạt vàng có đường kính trung bình chỉ 23,1 nm với độ lệch chuẩn dưới 5 nm, đồng nhất hơn nhiều so với kích thước 77-231 nm của phương pháp mẻ.

Phổ quang học của tấm nano perovskite n=1 phản ánh điều gì về chất lượng vi lưu?

Phổ quang học trên máy NS3 NanoSpectralyzer ghi nhận đỉnh hấp thụ sắc nét duy nhất tại 515-520 nm và phổ phát xạ có độ rộng nửa cực đại (FWHM) rất hẹp. Điều này chứng minh quá trình kết tinh phi dung môi trong kênh Dean 4 đạt độ tinh khiết tinh thể tuyệt đối, không bị lẫn các pha tạp chất n ≥ 2.

Thách thức lớn nhất khi mở rộng quy mô sản xuất từ chip vi lưu lên công nghiệp là gì?

Thách thức cốt lõi là duy trì sự đồng đều của tốc độ truyền nhiệt và truyền khối khi tăng lưu lượng tổng. Giải pháp khả thi nhất là nhân bản song song từ 10 đến 50 vi kênh Dean hoặc SHB trên cùng một tấm nền để tăng sản lượng lên hàng trăm mL/giờ mà không làm thay đổi động thái dòng chảy tầng vi mô.

Kết luận

• Đã thiết kế và chuẩn hóa thành công quy trình tổng hợp liên tục cho ba hệ vật liệu nano tiên tiến (PLGA, hạt nano vàng và perovskite chì iodua) trên các nền tảng vi lưu SHB và Dean.
• Xác định nồng độ PLGA tối ưu ở mức 0,15 wt% với lưu lượng 70 μL/phút, tạo ra hạt nano polymer có độ cầu lý tưởng (hệ số β > 0,90) và PDI hẹp.
• Bộ trộn Dean 4 tiết diện chữ nhật khẳng định hiệu năng vượt trội trong tổng hợp hạt nano vàng kích thước siêu nhỏ 23,1 nm với độ phân tán chặt chẽ so với phương pháp mẻ.
• Làm chủ kỹ thuật kết tinh phi dung môi cho tấm nano perovskite n=1, đạt độ tinh khiết quang học cao tại dải sóng 515-520 nm.
• Đóng góp khung phương pháp luận hoàn chỉnh kết hợp giữa mô hình thủy động lực học Re < 100 với hệ thống phân tích đa thông số (SEM 5 kV, EDS định lượng Pb:I, DLS đa góc 70°-120°).

Đóng góp lớn nhất của luận văn là đặt nền móng vững chắc cho việc ứng dụng công nghệ vi lưu dòng chảy liên tục vào sản xuất vật liệu nano chính xác. Kế hoạch tiếp theo trong 6 đến 12 tháng tới tập trung vào việc thử nghiệm bao gói hoạt chất kháng ung thư và mở rộng cụm vi kênh song song phục vụ sản xuất quy mô lớn. Quý độc giả, các nhà nghiên cứu và doanh nghiệp quan tâm có thể ứng dụng trực tiếp các thông số kỹ thuật và sơ đồ kênh vi lưu từ công trình này để nâng cao hiệu suất tổng hợp hạt nano trong các dự án phát triển y dược phẩm và vật liệu tiên tiến.

Trích đoạn nội dung tài liệu

IMPLEMENTATION OF MICROFLUIDIC MIXERS FOR THE OPTIMIZATION OF POLYMERIC, GOLD, AND PEROVSKITE NANOMATERIALS SYNTHESIS ALEXA ROBERTS Bachelor of Science in Chemical Engineering Cleveland State University May 2019 Submitted in fulfillment of requirements for the degree MASTER OF SCIENCE IN BIOMEDICAL ENGINEERING At the CLEVELAND STATE UNIVERSITY MAY 2021 We hereby approve this thesis for ALEXA ROBERTS Candidate for the Master of Science in Biomedical Engineering degree for the Department of Chemical and Biomedical Engineering And the CLEVELAND STATE UNIVERSITY’S College of Graduate Studies by ________________________________________________________________________ Thesis Chairperson, Chandrasekhar Kothapalli, Ph. Department of Chemical & Biomedical Engineering. Department & Date ________________________________________________________________________ Thesis Committee Member, Geyou Ao, Ph. Department of Chemical & Biomedical Engineering.

Department & Date ________________________________________________________________________ Thesis Committee Member, Petru Fodor, Ph. Department of Physics. Department & Date Student’s Date of Defense: May 3, 2021 ACKNOWLEDGEMENTS I would like to thank Dr. Chandra Kothapalli for the opportunity to participate in this research project and the continuous guidance he has given me in all aspects of the lab work.

I would like to acknowledge the entire Chemical and Biomedical Engineering Department for their assistance throughout the program, for partially supporting my tuition and stipend through teaching assistantships, and the opportunities to present and discuss my research project with other interested students and faculty. I would like to acknowledge Dr. Petru Fodor and Dr. Geyou Ao for their support as members of my defense committee.

Additionally, I would like to thank Dr. Fodor and Mr. Miroslav for the countless hours of SEM training and imaging. Besides, the devices used in this project were developed in collaboration with Dr.

I would like to thank Dr. Kiril Streletzky and Samantha Tietjen for their assistance on the DLS analysis, as well as Ana Dilillo and Fjorela Xhyliu for assistance on the NS3 NanoSpectralyzer equipment. I would like to acknowledge the access to equipment in Dr. Finally, I would like to recognize my numerous lab colleagues in Dr.

Kothapalli’s lab at Cleveland State University. I would like to thank Gautam Mahajan for guiding me through some protocols and providing me with assistance when needed. I would also like to thank my predecessors in the lab, Brian Hama for his design of the microfluidic mixer used in this project, and Marissa Sarsfield for her explanation and recommendations toward the procedure and time management of the project. Finally, I would like to acknowledge the present and past group members: Rushik Bandodkar, Tahir Butt, Ben Bosela, and Quinton Wright.

IMPLEMENTATION OF MICROFLUIDIC MIXERS FOR THE OPTIMIZATION OF POLYMERIC, GOLD, AND PEROVSKITE NANOMATERIALS SYNTHESIS ALEXA ROBERTS ABSTRACT Nanoparticles have a wide range of applications in biomedicine, catalysis, energy, semiconductors, and consumer products, to name a few. Conventionally, batch synthesis of a variety of nanoparticles is achieved using bottom-up (e., wet methods, nucleated- growth, microbial synthesis) or top-down (e. However, the reactions, especially in bottom-up approaches, could be time and resource intensive when optimizing for the effects of reaction parameters and their interplay on nanoparticle characteristics and purity. Microfluidic platforms could help overcome these limitations by enabling high-throughput reactions, combinatorial approaches, in situ monitoring capabilities, and utilizing fewer reactant volumes.

The aim of this study is to optimize the synthesis of three different types of nanomaterials: poly-lactic-co-glycolic acid (PLGA) nanoparticles, gold (AuNPs) nanoparticles, and lead iodide perovskite nanoplatelets (PNPs), using two types of microfluidic mixers: the reverse staggered herringbone (SHB) mixer and S-shaped Dean mixers. The effect of variables such as the inlet flowrate into the device ports, reactant compositions and mole ratios, and mixer type was investigated to identify the optimal synthesis conditions, i., the conditions leading to narrow and uniform size distributions, for each type of nanomaterial in these micromixers. The outcomes from these microfluidic mixers were compared to their counterparts from batch synthesis. Future studies could test the applications of such nanoparticles in targeted imaging and drug encapsulation.

v TABLE OF CONTENTS Page ABSTRACT.v LIST OF TABLES. viii LIST OF FIGURES .2 Synthesis Methods and Mixing Types .3 Synthesis of Various Nanomaterials. MATERIALS AND METHODS .1 Preparation of Reagents .1 Organic Polymer Solution.2 Gold Chloride and Sodium Citrate Solutions Formulation.3 Precursor Fluids for Perovskite Synthesis .4 Batch Synthesis of PNPs: Non-Solvent Crystallization.1 Scanning Electron Microscope .2 Energy Dispersive Spectroscopy .3 Dynamic Light Scattering. RESULTS AND DISCUSSION .1 Effect of Polymer Composition on Particle Size .2: Effect of Flowrate on Particle Size .3 Comparison of Microfluidic to Batch Synthesis .1 Effect of Microfluidic Device Type on Particle Size.2 Comparison of Microfluidic to Batch Synthesis .3 Lead Iodide Perovskite Nanoplatelets .1 Absorption and Emission for n=1 PNPs .2 Emission for n=2 PNPs .2 SEM Images and Analysis .3 Effect of Volume Ratio on Particle Size .4 Effect of Flowrate on Particle Size .5 Comparison of Microfluidic to Batch Synthesis.

GOLD NANOPARTICLE GROWTH MECHANISM AND STABILITY 62 B. MICROFLUIDIC DEVICE FABRICATION. DETAILS OF EXPERIMENTAL SETUP. NANOPLATELET EDS DATA.

SPECTROMETRY VERIFICATION DATA. ADDITIONAL SEM IMAGES .71 vii LIST OF TABLES Tables Page 1. Design of experiments for polymeric nanoparticle synthesis. Instructions for dissolving salts for PNP synthesis.

Summary of statistical analysis of the polymeric nanoparticle products. Comparison of quantitative results for PLGA nanoparticles. Summary of statistical analysis for the gold nanoparticle microfluidic synthesis. Comparison of quantitative results for gold nanoparticles.

Summary of statistical analysis for all batch and microfluidic conditions .47 viii LIST OF FIGURES Figures Page 1. Microfluidic chip with two micromixers used for AuNP synthesis. 3D HFF microfluidic mixer used for polymeric nanoparticle synthesis. First mixing cycle and design of reverse SHB mixer.

Complete schematic of reverse SHB microfluidic mixer. Channel designs of dean mixers. Complete schematic of dean mixers with specific details of each type. Successful versus unsuccessful synthesis of PNPs.

PLGA nanoparticle synthesis in the reverse SHB mixer. PNP synthesis in Dean 4 microfluidic mixer. SEM images for P2, P3, and P4 and their corresponding size distributions. SEM images for P5, P6, and P7 and their corresponding size distributions.

DLS decay rate of correlation graph for PLGA nanoparticles. DLS polydispersity coefficient graph for PLGA nanoparticles. SEM images and size distribution plots for all AuNP conditions. Normalized absorption and emission for the n=1 PNP samples.

Normalized emission for the n=2 PNP samples. SEM images and size distribution plots for n=1 PNP batch conditions. SEM images and size distribution plots for n=2 PNP batch conditions. SEM images and size distribution plots for n=1 PNP microfluidic conditions.

SEM images and size distribution plots for n=2 PNP microfluidic conditions .46 ix CHAPTER I INTRODUCTION 1.1 Nanoparticles Over the past few decades, nanoparticulate systems have been of immense interest due to their utility as a physical platform to improve the pharmacokinetic properties of various types of drugs (Mohanraj and Chen, 2006). These nanoscale dimensions confer a large surface area to volume ratio, thereby giving them very specific and unique properties. Nanotechnology has had a huge impact on drug delivery systems, and helped achieve many possibilities such as improved delivery of poorly water-soluble drugs (Bunjes, 2010), targeted delivery in a cell or tissue specific manner, delivery of macromolecule drugs to intracellular action sites, exhibiting stealth properties capable of evading immune responses (Gad et al., 2016), and real-time imaging of in vivo efficacy of therapeutic agents (Farokhzad and Langer, 2009). For example, biodegradable polymeric nanoparticles have been used as potential drug delivery devises because they can act as carriers of DNA in gene therapy (Menon et al., 2014) as well as circulate for prolonged periods to target a specific tissue or organ.

1 A crucial parameter in nanoparticle synthesis is their size, with particles between 10 nm to 200 nm being the most relevant and sought after for biochemical targeting via intra-vascular and site-specific deliveries (Hickey et al. Other key goals in designing an efficient delivery system include control on surface properties (Verma and Stellacci, 2010) and controlled release of pharmacologically active agents (Lammers et al., 2011) to achieve the site-specific action of the drug at the optimal dose and rate. This however requires a tighter control on the reaction or synthesis conditions leading to desirable average particle size and a narrow size distribution. For instance, this is critical for applications in fluorescent probes that can emit narrow light in a wide range of wavelengths (Salata, 2004).2 Synthesis Methods and Mixing Types Unfortunately, precise control over the operating conditions of any nanomaterial is limited under batch synthesis methods, at times leading to impurities, failed reactions, broad particulate sizes, and undesirable product.

This necessitates further purification, filtration or sieving steps to obtain the desired product characteristics. For instance, a study by Srihari et al. analyzed the synthesis of zinc oxide (ZnO) nanoparticles via batch mode. ZnO nanoparticles have been studied due to their large bandwidth and high excitation binding energies and its potential in applications that include antioxidant, wound-healing, and antibacterial properties (Jiang et al.

Although the room temperature wet chemical method was adopted for synthesis, there were many limitations on the industrial scale due to long mixing cycles and therefore uncontrolled growth and nucleation of the nanoparticles (Srihari, 2017). Their study also detailed other noticeable issues including non-uniformity of the temperature throughout the reactor and inconsistent flow rates that 2 eventually led to a wider particle size distribution. The non-continuous synthesis performed in this case furthermore caused variations in the nanoparticles from batch to batch and had low reproducibility, leading to non-ideal operating conditions for future experiments and studies (Srihari, 2017). One potential solution to these disadvantages is introducing continuous-flow synthesis, either in bulk or at a microscopic level, over the conventional batch synthesis mode.

Previous studies showed that complications in batch processes associated with large- scale transport and storage as well as health and safety issues are significantly minimized in microscale reactors such as microfluidic mixers (Song et al. Such microfluidic mixers involve the manipulation of fluids within channels that have inner dimensions smaller than one millimeter (Novotny and Foret, 2016), which causes the surface area to volume ratio to increase by a few orders of magnitude. Combining nanoparticles and microfluidics as a drug delivery system leads to easy manipulation to achieve both passive and active drug targeting and sustained release of the drug during the transportation and at the site of localization (Mohanraj and Chen, 2006). The various methods of mixing on a microfluidic level can be classified as either active or passive mixing.

Active mixers involve a type of external source that assists in agitating the fluid; for example, in the form of mechanical pulsation or electrokinetic forces (Niu et al. Although active mixers have versatile functionalities due to the adjustment of parameters such as frequency, amplitude, and phase, only a few studies have been conducted due to the complexity of control schemes and difficulty in fabrication especially on the microscale (Niu et al. More commonly, passive mixers tend to be favored in real applications and revolve around the idea that fluid flow perturbations are 3 caused by geometric obstacles. Passive mixers therefore utilize no energy input other than the pressure head, which drives the fluid flow at a constant rate (Lee et al.

Compared to their traditional macroscale counterparts, passive mixers have a shorter operation time, more portability, reduced cost and external power requirement, and more straightforward integration that can be utilized for a diverse range of high-performance microfluidic applications (Lee et al. Microfluidic scale synthesis enables incorporating ideal conditions and variables such as rapid mixing (Valencia et al., 2010), mass transfer between phases (Cabeza et al., 2016), temperature control enabling reactions (Miralles et al., 2013), and residence time control (Shin et al. To elaborate on this control, the process overall becomes more efficient in terms of the electrochemical reactions and the ability to obtain a homogeneous solution as a product (Srihari, 2017).