Αµφίφιλες και αµφίφοβες επιφάνειες ενσωµατωµένες σε µικρορευστονικές διατάξεις πάνω σε ψηφίδα µε εφαρµογές στη χηµική ανάλυση
Authors: Έλληνας Κοσμάς 
Published: September 2021

Η απωθητική ως προς το νερό συµπεριφορά µερικών φυτών, στα φύλλα των οποίων σταγονίδια ύδατος κυλάνε εύκολα και οι επιφάνειές τους παραµένουν στεγνές ακόµα και µετά από τη δυνατή βροχή, κίνησε το ενδιαφέρον πολλών ερευνητών σαν προσπάθειαµίµησης της φύσης. Το φαινόµενο ονοµάζεται υπερυδροφοβικότητα και συνδέεται και µε την ιδιότητα του αυτοκαθαρισµού των επιφανειών. Πρόσφατα, µεγάλο ενδιαφέρον έχει προσελκύσει η κατασκευή επιφανειών που απωθούν µεγάλη ποικιλία υγρών εκτός του νερού, π.χ.ελαίων, αλκανίων ή οργανικών διαλυτών. Οι επιφάνειες αυτές ονοµάζονται υπερελαιόφοβες ή υπεραµφίβοβες (απωθούν τόσο το νερό, όσο και τα λάδια).Η κατασκευή σταθερών µηχανικά, θερµοδυναµικά και υδρολυτικά υπεραµφίφοβων επιφανειών αποτελεί τα τελευταία χρόνια ένα πεδίο έντονης ερευνητικής δραστηριότητας. Επιπλέον, η ενσωµάτωση τέτοιων επιφανειών σε διατάξεις είναι ένα ακόµα πεδίο µεγάλου ενδιαφέροντος, µιας και οι ιδιότητες αυτών των επιφανειών µπορούν να διευκολύνουν την εφαρµογή των µικρορευστονικών διατάξεων στη βιοτεχνολογία, στη χηµική ανάλυση και σε άλλους συναφείς τοµείς. Σε αυτή την κατεύθυνση, η παρούσα Διδακτορική Διατριβή παρουσιάζει µια µελέτη επιφανειακής µικρο και νανοΰφανση w και χηµικής τροποποίησης πολυµερικών υλικών µε σκοπό αφενός τον έλεγχο της διαβροχής και αφετέρου την ενσωµάτωση των επιφανειών σε µικρορευστονικές διατάξεις µε εφαρµογές στην αναλυτική χηµεία. Η µικρο και νανοΰφανση των πολυµερικών υλικών πραγµατοποιείται µε κατεργασία πλάσµατος αερίων και εναλλακτικές λιθογραφικές µεθόδους. Kατασκευάζονται υπεραµφίφοβες επιφάνειες και ακολούθως ενσωµατώνονται σε µικρο-εργαστήρια σε ψηφίδα (Lab on Chip, LOC) και µικροαναλυτικές διατάξεις (Micro Total Analysis Systems). Αντικείµενο και στόχοι της διατριβής. H παρούσα Διδακτορική Διατριβή εντάσσεται στην περιοχή της επιφανειακής κατεργασίας πολυµερικών υλικών µε µικρο και νανο-τεχνολογία µε σκοπό τον έλεγχο της διαβροχής τους και ακολούθως την ενσωµάτωση των επιφανειών αυτών σε µικρο-εργαστήρια σε ψηφίδες µε εφαρµογές στη βιοαναλυτική χηµεία. Η κατεργασία των πολυµερικών υλικών πραγµατοποιείται µε πλάσµα αερίων και εναλλακτικές λιθογραφικές µεθόδους. Η διδακτορική διατριβή έχει δύο στόχους:Α. Το σχεδιασµό, την κατασκευή και τον λεπτοµερή χαρακτηρισµό υπεραµφίφοβων επιφανειώνµε τυχαία και οργανωµένη τοπογραφία στη µικρο και νανο-κλίµακα σε διάφορα πολύµερικά υποστρώµατα. Ο χαρακτηρισµός περιλαµβάνει λεπτοµερή µορφολογικό χαρακτηρισµό,έλεγχο αντοχής σε χάραξη µε νανοακίδα για τη µηχανική αντοχή των δοµών και των υµενίων που εναποτίθενται, υδρολυτικά τεστ και άλλα τεστ εµβάπτισης των επιφανειών σε οργανικούς διαλύτες. Επίσης µελετάται η κλιµατιστική γήρανση των επιφανειών καθώς και η θερµοδυναµική τους σταθερότητα.Β. Τη χρήση µίκρο και νανοϋφασµένων επιφανειών µε µεγάλο εύρος ιδιοτήτων διαβροχής για την κατασκευή παθητικών στοιχείων άντλησης και ελέγχου της ροής (βαλβίδες) σε µια µικρορευστονική διάταξη (ψηφίδα), καθώς και την ενσωµάτωση των υπερυδρόφιλων και υπερυδρόφοβων επιφανειών σε µικρορευστονικές διατάξεις για εφαρµογές στη βιοαναλυτική χηµεία. Περιεχόµενα και αποτελέσµατα της διατριβής. Στο Κεφάλαιο 1 γίνεται µια σύντοµη περιγραφή των βασικών εννοιών που θα µελετηθούνστη διατριβή, όπως για παράδειγµα της έννοιας της υπεραµφιφοβικότητας, των µικρορευστονικών διατάξεων, των διεργασιών µε ηλεκτρικές εκκενώσεις πλάσµατος κ.λπ. Στο Κεφάλαιο 2 γίνεται βιβλιογραφική επισκόπηση της τεχνολογικής στάθµης τόσο των υπερυδρόφοβων και υπεραµφίφοβων επιφανειών όσο και των µικρο-εργαστηρίων σε ψηφίδα που έχουν ενσωµατωµένες τέτοιες επιφάνειες. Επίσης γίνεται αναφορά των επιτευγµάτωνµέχρι στιγµής σε ανοσοπροσδιορισµούς που πραγµατοποιούνται πάνω σε µικρο-σωµατίδιαπου τοποθετούνται µέσα σε µικρορευστονικές διατάξεις, µιας και στο Κεφάλαιο 7 παρουσιάζεται µια τέτοια διάταξη.Στο Κεφάλαιο 3 παρουσιάζεται λεπτοµερώς ο βασικός εξοπλισµός που χρησιµοποιήθηκε για την κατασκευή και τον χαρακτηρισµό των υπεραµφίφοβων επιφανειών και των διατάξεων που παρουσιάζονται στη διατριβή.Στο πλαίσιο της πρώτης κατεύθυνσης της διατριβής, στο Κεφάλαιο 4 παρουσιάζεται η κατάσκευήµέσω κατεργασίας µε πλάσµα, υπερυδρόφοβων και υπεραµφίφοβων επιφανειών τυχαίας τοπογραφίας σε πολυµερικά υποστρώµατα πολυ(µεθακρυλικού µεθυλεστέρα)(PMMA), πολυ(δαιθεροκετόνης) (PEEK), πολυµερούς κυκλοολεφίνης (COP) και πολυ-(διµεθυλοσιλοξάνης) (PDMS) καθώς και οργανωµένης τοπογραφίας σε υποστρώµατα πολυ-(µεθακρυλικού µεθυλεστέρα). Μετά την κατεργασία µε πλάσµα, πραγµατοποιήθηκε εναπόθεση ενός φθοριωµένου µονοστρώµατος µε δύο τρόπους (υγρή και αέρια εναπόθεση). Οι επιφάνειες τυχαίας τοπογραφίας που κατασκευάστηκαν εµφανίζουν γωνίες επαφής γιασταγόνες νερού και ελαίων που ξεπερνούν τις 150ο, Όλες οι επιφάνειες οργανωµένης τοπογραφίας εµφάνισαν πολύ µικρή υστέρηση που δεν ξεπερνάει τις 10ο (9ο για σταγόνες δεκαεξανίου), εκτός από το PDMS, στο οποίο για σταγόνες δεκαεξανίου, η υστέρηση ξεπέρασε το όριο των 10ο. Η στοιχειοµετρική ανάλυση των επιφανειών έγινε µεφασµατοσκοπία ακτινών Χ τόσο πριν όσο και µετά την εναπόθεση του φθοριωµένου µονοστρώµατος. Ταυτόχρονα, παρουσιάζεται το φαινόµενο της υδροφοβικής αποκατάστασης για το πολυµερές κυκλοολεφίνης µε στόχο την κατασκευή υπερυδρόφοβων επιφανειών χωρίς τη χρήση υδρόφοβου υµενίου. Έτσι παρουσιάζεται µια υπερυδρόφοβη επιφάνεια απόπολυµερές κυκλοολεφίνης που κατασκευάστηκε µετά από κατεργασία πλάσµατος για χρόνο>4 min µετά από γήρανση 60 ηµερών. κεφάλαιο αυτό και µέρη του επόµενου κεφαλαίου δηµοσιεύτηκαν ως τµήµα της εργασίας: «Plasma Micro-Nano-textured, Scratch, Water andHexadecane Resistant, Superhydrophobic and Superamphiphobic Polymeric Surfaces withPerfluorinated Monolayers», Kosmas Ellinas, Sidharam P. Pujari, Dimitrios A. Dragatogiannis,Constantinos A. Charitidis, Angeliki Tserepi, Han Zuilhof, and EvangelosGogolides, ACS Appl. Mater. Interfaces, 2014, 6 (9), pp 6510–6524,DOI: 10.1021/am5000432. Η εργασία αυτή ήταν µια από τις πρώτες εργασίες που δηµοσιέυτηκαν σε αυτή τη θεµατική περιοχή και παρουσίασαν υπεραµφίφοβες πολυµερικές επιφάνειες. Ένα κοµµάτι του Κεφαλαίου 4 θα χρησιµοποιηθεί σε µια δηµιοσιέυση για τις ιδιότητες διαβροχής του πολυµερούς κυκλοολεφίνης µετά απο κατεργασία πλάσµατος που είναι υπό συγγραφή µε τίτλο: «Three-dimensional Plasma Micro- Nano-textured Cyclo-Olefin-Polymer Surfaces for Biomolecule Immobilization or Environmentally StableSuperamphiphobicity».Στο Κεφάλαιο 5 παρουσιάζονται τα αποτελέσµατα από τον αναλυτικό χαρακτηρισµό που πραγµατοποιήθηκε στις υπεραµφίφοβες επιφάνειες που κατασκευάστηκαν. Ένας τέτοιος ολοκληρωµένος χαρακτηρισµός είναι απαραίτητος για τη χρήση των υπεραµφίφοβων επιφανειών σε απαιτητικές εφαρµογές. Ο χαρακτηρισµός περιλαµβάνει θερµοδυναµικό και µηχανικό χαρακτηρισµό, καθώς και µελέτη της αντοχής των επιφανειών σε εµβάπτιση σε νερό και οργανικούς διαλύτες (δεκαεξάνιο). Τέλος, έγινε µελέτη της κλιµατιστικής γήρανσης των επιφανειών. Για να µελετηθεί τόσο η συµπεριφορά του φθοριωµένου µονοστρώµατος που προκύπτει µετά την αέρια ή την υγρή εναπόθεση των φθοριωµένων µονοστρωµάτων στις επιφάνειες, όσο και των ίδιων των επιφανειών, όλα τα τεστ καταπόνησης έγιναν τόσο σε επίπεδα όσο και σε υποστρώµατα µε τοπογραφία. Η θερµοδυναµική σταθερότητα των επιφανειών, µελετήθηκε µε πειράµατα πρόσκρουσης διάφορων σταγόνων υγρών στις επιφάνειες. Τα πειράµατα αυτά έδειξαν ότι οι βελτιστοποιηµένες επιφάνειες οργανωµένης τοπογραφίας έχουν µεγάλη αντοχή στη πίεση, και εµφάνισαν πίεση κατωφλίου που φτάνει τις 36 atm. Η τιµή αυτή είναι η µεγαλύτερη που έχει αναφερθεί ποτέ στην βιβλιογραφία για υπευδρόφοβες επιφάνειες. Ταυτόχρονα, µελετήθηκε για πρώτη φορά η θερµοδυναµική σταθερότητα για υγρά µε επιφανειακή τάση µικρότερη του νερού και βρέθηκε ότι για υγρό µε επιφανειακή τάση 36 mN/m η πίεση κατωφλίου είναι ίση µε 7 atm. Η µηχανική αντοχή µελετήθηκε µε πειράµατα χάραξης µε νανοακίδα. Τα πειράµατα αυτά έδειξαν µείωση του συντελεστή τριβής µετά την εναπόθεση του υδρόφοβου µονοστρώµατος κατα 50%, ενώ οιοργανωµένες δοµές έδειξαν µεγάλη αντοχή για χαράξεις µε δυνάµεις µέχρι 80 µN. Τα υδρολυτικά πειράµατα πραγµατοποιήθηκαν σε δυο υγρά, ένα µεγάλης (νερό) και ένα µικρής επιφανειακής τάσης (νερό και δεκαεξάνιο αντίστοιχα). Όλες οι επιφάνειες εκτός απο το PEEK έδειξαν µεγάλη αντοχή στην υδρόλυση για περίοδο µεγαλύτερη των 40 ηµερών για εµβάπτιση σε νερό και µεγαλύτερη των 14 ηµερων για εµβάπτιση σε δεκαεξάνιο. Η µελέτη της κλιµατιστικής γήρανσης έδειξε οτι οι επιφάνειες παραµένουν υπερυδρόφοβες µε γωνίες επαφής µεγαλύτερες των 155ο ακόµα και µετά από 60 συνεχόµενους κύκλους του προτύπουASTM G154-06. Το κεφάλαιο αυτό δηµοσιεύτηκε ως µέρος των εργασιών:α) Plasma Micro-Nano-textured, Scratch, Water and Hexadecane Resistant, Superhydrophobicand Superamphiphobic Polymeric Surfaces with Perfluorinated Monolayers, KosmasEllinas, Sidharam P. Pujari, Dimitrios A. Dragatogiannis, Constantinos A. Charitidis,Angeliki Tserepi, Han Zuilhof, and Evangelos Gogolides, ACS Appl. Mater.Interfaces, 2014, 6 (9), pp 6510–6524, DOI: 10.1021/am5000432 (βλέπε και Κεφάλαιο 4). β) Superamphiphobic Polymeric Surfaces Sustaining Ultra-High Impact Pressures of AqueousHigh and Low-Surface Tension Mixtures, Tested with Laser-Induced Forward Transfer ofDrops, Kosmas Ellinas, Marianneza Chatzipetrou, Ioanna Zergioti, Angeliki Tserepi, andEvangelos Gogolides, Adv Mater 27(13): 2231-2235.Στα Κεφάλαια 6 και 7 επιχειρείται η ενσωµάτωση των µικρο και νανοϋφασµένων επιφανειών σε διατάξεις ελέγχου ροής και βιοχηµικής ανάλυσης. Στο Κεφάλαιο 6 παρουσιάζεται ο τρόπος κατασκευής µικρο και νανοϋφασµένων υπερυδρόφοβων βαλβίδων και µια εύκολη εφαρµογή τους σε ένα παθητικό διακόπτη ροής. Οι βαλβίδες έχουν διαφορετικές πιέσεις κατωφλίου (50-110mbar) που µπορούν να προσαρµοστούν ανάλογα µε την εφαρµογή, είτε µε αλλαγή των γεωµετρικών διαστάσεων είτε µε αλλαγή του χρόνου κατεργασίας µε πλάσµα. Οι βαλβίδες εµφανίζουν σταθερή και επαναλήψιµη συµπεριφορά και µπορούν να επαναχρησιµοποιηθούν. Ως εφαρµογή τους, αναπτύχθηκε µια διάταξη διακόπτη ροής µε τρεις εξόδους που ελέγχει τη ροή και επιτρέπει τη διέλευση των υγρών στη διάταξη µε µια προκαθορισµένη σειρά. Η τεχνολογία που παρουσιάζεται είναι ευέλικτη, ταχεία και µπορεί εύκολα να προσαρµοστεί ανάλογα µε την εφαρµογή. Το κεφάλαιο αυτό δηµοσιεύτηκε ως τµήµα της εργασίας: «Superhydrophobic, passive microvalves with controllable opening threshold:Exploiting plasma nanotextured microfluidics for a programmable flow switchboard»,Kosmas Ellinas, Angeliki Tserepi, Evangelos Gogolides, Microfluidics and Nanofluidics,2014, 17(3), 489-498. Η εργασία αυτή είναι µια από τισ λίγες εργασίες που παρουσιάζουν παθητικές υπερυδρόφοβες βαλβίδες µε µεγάλο εύρος πίεσεων κατωφλίου και πολύ καλή επαναληψιµότητα. Τέλος, στο Κεφάλαιο 7 παρουσιάζεται ένας ανοσοπροσδιορισµός πάνω σε µαγνητικά σωµατιδιαστο εσωτερικό µιας πρότυπης µικρορευστονικής διάταξης. Η διάταξη χρησιµοποιεί υπερυδρόφοβες, παθητικές βαλβίδες στην είσοδο και την έξοδο για να απλοποιήσει και να βελτιστοποιήσει τον τρόπο λειτουργίας της. Για την αξιολόγηση της απόδοσής της δοκιµάστηκαν τρία διαφορετικά πρωτόκολλα (ένα απλό και δύο πολυπλοκότερα για την ανίχνευσητων πρωτεϊνών IL6 και PDGF-2). Η ανάλυση ωφελείται σηµαντικά από τα πλεονεκτήµατα της σµίκρυνσης, ενώ οι υπερυδρόφοβες παθητικές βαλβίδες συµβάλλουν στη µικρότερη κατανάλωση των ακριβών αντιδραστηρίων και δειγµάτων, σε µικρότερες απώλειες σωµατιδίων, στην ταχύτητα των αντιδράσεων καθώς και στην ενίσχυση του σήµατος σε σύγκριση µε τις συµβατικές µεθόδους που πραγµατοποιούνται σε µαγνητικά σωµατίδια µέσα σε πλάκες. Πιο αναλυτικά, έγινε ανίχνευση της πρωτεΐνης IL6 χρησιµοποιώντας το 1/10 του όγκου που χρησιµοποιείται στις συµβατικές µεθόδους και σε χρόνο ίσο µε το 1/4 του χρόνου που χρησιµοποιείται µε τις συµβατικές µεθόδους, ενώ για την πρωτεΐνη PDGF-2 χρειάστηκετο 1/8 του χρόνου που χρησιµοποιείται µε τις συµβατικές µεθόδους. Η ανίχνευση των σωµατιδίων πραγµατοποιήθηκε εκτός της διάταξης (off-chip) χρησιµοποιώντας το σύστηµα της εταιρίας Luminex, xMAP 3D. Το κεφάλαιο αυτό θα αποτελέσει µια µελλοντική δηµοσίευση µε τίτλο: «Micro-bead Immunoassay on a Novel Microfluidic Platform,Incorporating Superhydrophobic Passive Valves».Στο τέλος της διδακτορικής διατριβής παρουσιάζονται τα βασικά συµπεράσµατα πουπροέκυψαν και η προοπτική συνέχισης της διατριβής.