CHƯƠNG 1: GIỚI THIỆU VỀ CÔNG NGHỆ VI LƯU 1. Giới thiệu về công nghệ vi lưu Thuật ngữ microfluidic (vi lưu) được định nghĩa là việc xử lý và phân tích chất lỏng ở thang đo micromet. Microfluidic liên quan đến tất cả các công nghệ có khả năng điều khiển các dòng chất lưu có thể tích micro hoặc nano lit thông qua các kênh có kích thước micromet trên hệ thống vi cơ điện tử (MEMS) [1] .1 : Hình ảnh một số hệ vi kênh có cấu trúc khác nhau. Hệ thống kênh vi lưu bao gồm ba thành phần chính là lối vào (Inlets), lối ra (Outlets) và buồng phản ứng.
Hệ thống này có thể được sử dụng cho một loạt ứng dụng như dẫn thuốc, in ấn và đặc biệt là ứng dụng trong lĩnh vực sinh học phân tử như phân tích enzyme, phân tích DNA và proteomic. Chất lỏng thường được sử dụng trong các thiết bị vi lưu bao gồm toàn bộ mẫu máu, tế bào vi khuẩn, protein, DNA, hóa chất dùng cho các phản ứng sinh hóa. Các hệ thống vi lưu gồm rất nhiều loại khác nhau tương ứng với nhiều ứng dụng khác nhau như: những ứng dụng trong ngành công nghiệp in phun, trong pin nhiên liệu lỏng, nghiên cứu hóa sinh, tổng hợp hóa chất, tách chiết DNA ra khỏi tế bào, phân tích di truyền, phân tích PCR (Polymerase Chain Reaction – Phản ứng chuỗi trùng hợp), bào chế thuốc v. 12 LUAN VAN CHAT LUONG download : add luanvanchat@agmail.com Việc điều khiển dòng chảy của chất lỏng ở những kích thước siêu nhỏ phụ thuộc nhiều yếu tố khác nhau như: Sức căng bề mặt của chất lỏng, sự mất mát năng lượng, sức cản chất lỏng, lưu lượng dòng chảy, v.
Cùng với sự phát triển mạnh mẽ của thiết bị vi lưu, nhiều loại vật liệu khác nhau đã được nghiên cứu và sử dụng cho mục đích chế tạo hệ vi lưu, trong đó có các vật liệu được sử dụng phổ biến như silicon, thủy tinh, và các vật liệu Polymers. Vật liệu và phương pháp chế tạo thiết bị vi lưu. Về vật liệu và chức năng, mỗi loại vật liệu đều có những ưu điểm và nhược điểm riêng, trong khi thủy tinh và silicon cũng có những ứng dụng quan trọng thì vật liệu polyme lại là vật liệu được lựa chọn phổ biến ở trong lĩnh vực này. Bên cạnh đó vật liệu tổng hợp mới có các tính năng thú vị vẫn được tạo ra để phù hợp hơn với sản xuất hàng loạt với khả năng thích ứng cao hơn và giá cả thấp hơn [3].2 Các loại vật liệu chế tạo chip vi lưu ( Microfluidic) [3].
Silicon là vật liệu đầu tiên được sử dụng cho thiết bị vi lỏng. Silic được lựa chọn do khả năng chống lại các dung môi hữu cơ, dễ lắng đọng kim loại, độ dẫn nhiệt cao và khả năng di động diện di ổn định. Tuy nhiên, vật liệu này có độ cứng cao cho nên không dễ dàng chế tạo các thành phần như van và bơm. Hóa chất nguy hiểm được sử dụng trong quá trình chế tạo cũng yêu cầu cơ sở bảo vệ.
Silicon là một vật liệu mờ đục do đó không thể nhìn xuyên qua được, vì vậy việc phát hiện huỳnh quang hoặc 13 LUAN VAN CHAT LUONG download : add luanvanchat@agmail.com hình ảnh chất lỏng sẽ khá khó thực hiện. Tất cả những nhược điểm này làm cho silicon trở thành một vật liệu không hấp để sử dụng xây dựng chip vi lỏng [3]. Glass – Thủy tinh là vật liệu được chọn sau silicon để chế tạo thiết bị vi lỏng. Thủy tinh tương thích với các mẫu sinh học, nó cũng là vật liệu không thấm nước, độ hấp phụ thấp, tính dẫn nhiệt cao, tính di động điện di ổn định trên bề mặt, vi mạch làm bằng thủy tinh cung cấp hiệu suất tốt hơn so với các vật liệu khác.
Tuy nhiên bởi vì không khí có thể đi qua các tấm thủy tinh thông qua kênh và buồng phản ứng cho nên không thể nuôi cấy tế bào dài hạn. Thêm vào đó do độ cứng và chi phí chế tạo cao, nhiều hạn chế đối với ứng dụng thủy tinh trong vi lỏng ( cơ sở bảo vệ, môi trường siêu sạch để liên kết, nhiệt độ và áp suất cao cần thiết trong quá trình chế tạo, v.v) cho nên thủy tinh hay silicon cũng dần bị thay thế bởi các vật liệu giá rẻ, dễ dàng chế tạo và tương thích cho các ứng dụng sinh học rộng lớn hơn như polymers [3]. Polymers – Thiết bị vi lưu dựa trên polymer đã được giới thiệu vài năm sau thiết bị silicon/glass. Sự đa dạng của các loại polymer mang lại sự linh hoạt cao trong việc lựa chọn vật liệu phù hợp với các đặc tính cụ thể.
Polymer dễ tiếp cận và không tốn kém so với vật liệu vô cơ. Theo tính chất vật lý, polymer có thể được phân loại thành chất đàn hồi (elastomers), nhựa nhiệt dẻo (thermoplastic), nhựa nhiệt rắn (thermosets). Một số vật liệu polymer đang được sử dụng phổ biến như PDMS, Poly-methyl- methacrylate (PMMA), Poly-ethylene glycol diacrylate (PEGDA) [5]. Paper – giấy là một vật liệu linh hoạt gần đây đã trở thành một chất nền vi lỏng đầy hứa hẹn bởi vì nhiều lý do, vật liệu này chi phí thấp, có thể biến đổi hóa học dễ dàng bằng cách thay đổi thành phần, là nguồn nguyên liệu sẵn có, có thể dễ dàng xử lý bằng cách đốt hoặc tự thoái hóa.
Mặc dù là một vật liệu đầy hứa hẹn nhưng giấy chỉ có thể được sử dụng trong một vài ứng dụng hạn chế do tính chất cơ học yếu, công nghệ hạn chế. Ứng dụng chủ yếu của thiết bị vi lưu vật liệu giấy là phân tích sinh hóa, chẩn đoán y khoa, pháp y. Tuy nhiên, hầu hết các thiết bị phân tích vi lỏng giấy dựa vào phát hiện so màu bởi vì giấy thông thường là nền trắng, nó cung cấp độ tương phản cho các phương pháp phát hiện dựa trên màu sắc [3]. 14 LUAN VAN CHAT LUONG download : add luanvanchat@agmail.com Ưu điểm Nhược điểm Silicon + Chống lại dung môi hữu cơ + Độ cứng cao nên không dễ dàng chế tạo + Dễ lắng đọng kim loại + Silicon là vật liệu mờ đục nên + Độ dẫn nhiệt cao khó nhìn xuyên qua dẫn đến khó khăn khi phát hiện huỳnh quang hay hình ảnh Glass + Tương thích với các mẫu sinh + Độ cứng cao, chi phí chế tạo cao học + Cần sơ sở bảo vệ và môi trường + Không thấm nước siêu sạch để liên kết + Độ hấp phụ thấp + Tính dẫn nhiệt cao + Cung cấp hiệu suất tốt hơn các vật liệu khác Polymers + Tính đa dạng cao mang lại sự + Độ hấp phụ cao với protein trên linh hoạt thành kênh + Dễ tiếp cận, ít tốn kém hơn so + Bọt khí sản sinh trong quá trình với vật liệu vô cơ sản xuất + Dễ dàng chế tạo + Độ dẫn nhiệt kém + Liên kết mạnh mẽ với thủy tinh + Thích hợp với các cấu trúc nhiều lớp 15 LUAN VAN CHAT LUONG download : add luanvanchat@agmail.com + Tính tương tính sinh học cao Paper + Chi phí thấp + Tính chất cơ học yếu, công nghệ hạn chế + Biến đổi hóa học dễ dàng bằng cách thay đổi thành phần + Nguồn nguyên liệu sẵn có + Dễ xử lý bằng cách đốt hoặc tự thoái hóa Bảng 1 : Bảng tổng hợp ưu, nhược điểm các loại vật liệu chế tạo kênh dẫn vi lưu Từ bảng tổng hợp trên cho ta cái nhìn tổng quan và ngắn gọn về các loại vật liệu chế tạo kênh dẫn vi lưu.
Mỗi vật liệu đều có ưu điểm và nhược điểm riêng, tuy nhiên, do tính đa dạng, dễ tiếp cận, dễ được chế tạo của Polymer nên trong đề tài này chúng tôi chọn vật liệu Polymer làm vật liệu chế tạo kênh dẫn. Vật liệu Polymer phổ biến nhất trong các ứng dụng y sinh là PDMS do tính tương thích sinh học cao. Trong thập kỷ qua, PDMS gần như trở thành vật liệu mặc định để thiết kế các thiết bị vi lỏng bởi vì sự dễ dàng được đúc trên khuôn vi mô và sự liên kết mạnh với thủy tinh. Bản chất đàn hồi của vật liệu được khai thác để tích hợp van và bơm trên chip mặt khác đơn giản hóa việc sản xuất các thiết bị nhiều lớp vì các lớp mềm dễ dàng kết hợp với nhau.
Bản chất kỵ nước của PDMS có thể xem là một yếu tố quan trọng đối với một số ứng dụng sinh học. Chính vì những lý do này mà PDMS đã trở thành đối tượng vật liệu được tiến hành để chế tạo chip vi lưu ở trong nghiên cứu này [3]. Việc lựa chọn chính xác vật liệu sử dụng trong quy trình chế tạo rất quan trọng. Tùy từng vật liệu mà chúng ta có thể đưa ra phương pháp chế tạo phù hợp, tiêu tốn ít chi phí.
Ví dụ : - Vật liệu Silicon/ Glass : Phương pháp khắc ướt ( Wet etching) hoặc phương pháp khắc khô (Dry etching), phương pháp quang khắc. 16 LUAN VAN CHAT LUONG download : add luanvanchat@agmail.com - Vật liệu Polymers (Polymethyl methacrylate (PMMA), polycarbonate, polystyrene (PS), Polydimethylsiloxane (PDMS)…) : Phương pháp khuôn đúc (Molding),. Hiện nay cũng có nhiều kỹ thuật khác nhau để chế tạo các thiết bị vi lỏng như gia công vi mô (micromachining), dập nổi (embossing) , đúc phun xây dựng tại chỗ (In situ construction injection moulding), cắt laser được sử dụng để nhân rộng và sản xuất quy mô lớn. Tuy nhiên một số kỹ thuật đòi hỏi nhiều không gian để chứa thiết bị, sử dụng nhiều lao động ( quy trình gồm nhiều bước để tạo ra sản phẩm cuối cùng), mất nhiều thời gian để tạo điều kiện thay đổi trong thiết kế và hạn chế các loại vật liệu sinh học [1].
Phương pháp chế tạo thiết bị vi lỏng PDMS là khuôn đúc, chủ yếu dựa trên việc đúc PDMS bằng khuôn. Khuôn được sử dụng để đúc PDMS thường được chế tạo bằng phương pháp quang khắc tiêu chuẩn (photolithography), điều này đòi hỏi các thiết bị trong phòng sạch và tốn nhiều công sức trong trường hợp các thiết bị vi lỏng 3D tinh vi. Đáng chú ý là khi một khuôn được thiết kế với nhiều độ cao kênh microfluidic thì việc chế tạo trở lên khó khăn hơn, đòi hỏi nhiều bước như chuẩn bị photo-masks, spin-coating quang học, bake, tiếp xúc với tia UV,v. Các bước dài này lặp lại tùy thuộc vào số lượng độ cao kênh.
Quá trình này tốn thời gian, tốn nhiều công sức và chi phí. Hơn nữa, mỗi bước đòi hỏi thiết bị chuyên dụng và phải được thực hiện hoàn thành trong phòng sạch [6]. Để khắc phục các vấn đề cố hữu trong chế tạo khuôn của phương pháp quang khắc mềm, phương pháp sản xuất khuôn vi lỏng sử dụng công nghệ in 3D ra đời. Phương pháp chế tạo in 3D trong lĩnh vực vi lỏng.