Creating microchannels by Proton Beam Writing and their applications in Lab-on-a-chip devices  Page description

Help  Print 
Back »

 

Details of project

 
Identifier
108366
Type K
Principal investigator Rajta, István
Title in Hungarian Mikrocsatornák készítése protonnyalábos mikromegmunkálással és alkalmazásuk Lab-on-a-chip eszközökben
Title in English Creating microchannels by Proton Beam Writing and their applications in Lab-on-a-chip devices
Keywords in Hungarian Lab-on-a-chip alkalmazások, Mikrofluidika, Szilícium, Polimerek
Keywords in English Lab-on-a-chip applications, Microfluidics, Silicon, Polymers
Discipline
Material Science and Technology (engineering and metallurgy) (Council of Physical Sciences)40 %
Ortelius classification: Nanotechnology (Materials technology)
Material Science and Technology (physics) (Council of Physical Sciences)40 %
Ortelius classification: Microsystems
Analytical Chemistry (Council of Physical Sciences)20 %
Ortelius classification: Chemical and biosensors
Panel Engineering, Metallurgy, Architecture and Transport Sciences
Department or equivalent Laboratory of Ion Beam Physics (Institute for Nuclear Research, Hungarian Academy of Sciences)
Participants Erdélyiné Dr. Baradács, Eszter
Fekete, Zoltán
Fürjes, Péter
Guttman, András
Huszánk, Róbert
Nagy, Gyula
Patai, Zoltán
Szabó, Attila
Szilasi, Szabolcs Zoltán
Vajda, István
Starting date 2013-09-01
Closing date 2018-08-31
Funding (in million HUF) 34.418
FTE (full time equivalent) 19.63
state closed project
Summary in Hungarian
A kutatás összefoglalója, célkitűzései szakemberek számára
Itt írja le a kutatás fő célkitűzéseit a témában jártas szakember számára.

Protonnyalábos mikromegmunkálás (proton beam writing, PBW) során néhány MeV energiájú mikron illetve szubmikron méretre fókuszált ionnyalábot egy alkalmas (reziszt) anyagon pásztázunk, majd az ionok által létrehozott primer roncsolási képet kimaratva 3-dimenziós mikrostruktúrákat készíthetünk. Többféle litográfiás technika létezik, az ionok és az anyag közötti kölcsönhatások különböző jellegét kihasználva egy-egy adott feladathoz mindig megtalálható a legoptimálisabb módszer. A PBW módszert a Si egykristály szelektív elektrokémiai marásával kombinálva újszerű mikrofluidikai és optikai elemek állíthatók elő. Az előző évek tapasztalatára alapozva a mintamozgatási / vezérlési funkciók integrálására szilícium alapú hordozón számos lehetőség kínálkozik, amelyek közül ígéretes a PBW és a pórusos szilícium mikromegmunkálási technika ötvözése. Az előzetes FEM (finite element method) modellekkel támogatott tervezés során mikroreaktorok, keverők, szelepek, mikromotorok megvalósítása reális célkitűzésnek mutatkozik.
A potenciális alkalmazási lehetőségek rendkívül széles területet ölelnek fel. Elsősorban mikrocsatornák, mikrofluidikai és lab-on-a-chip eszközök készítését tervezzük, majd ezek alkalmazását a biotechnológia, diagnosztika, gyógyszerfejlesztés, kombinatorikai kémia területén, kihasználva az integrált multifunkcionális lab-on-a-chip lehetőségeket és az egyes integrált egységek multiplikálhatóságát. Gyakorlati megvalósítás terén komplex szénhidrátok vizsgálatára alkalmas multifunkcionális mikrofluidikai eszközt, valamint monoklonális antitest felismerésen alapuló point-of-care klinikai diagnosztikai eszközt tervezünk készíteni.

Mi a kutatás alapkérdése?
Ebben a részben írja le röviden, hogy mi a kutatás segítségével megválaszolni kívánt probléma, mi a kutatás kiinduló hipotézise, milyen kérdéseket válaszolnak meg a kísérletek.

Mikrofluidikai eszközök készítésére többféle mikromegmunkálási módszer kínálkozik. A PBW módszer jellemzőiből adódóan a kereskedelemben kapható eszközöknél jobb minőségű, kisebb méretű mikrocsatornákat hozhatunk létre, ezáltal a bennük megvalósított kémiai kísérletek új eredményekre vezethetnek. A bioaktív szilárd felületek létrehozása nagy kihívást jelent. Mi ezt a munkafolyamatot optimalizáljuk oly módon, hogy a mikrocsatornák belsejébe antitesteket rögzítünk, és az így megalkotott eszközt használjuk a klinikai diagnosztikában. A szilárd fázisú környezet megfelelő bioaktivitást, stabilitást és reprodukálhatóságot biztosít a diagnosztikailag fontos antigének elvesztése vagy nagy háttérzaj nélkül.

Mi a kutatás jelentősége?
Röviden írja le, milyen új perspektívát nyitnak az alapkutatásban az elért eredmények, milyen társadalmi hasznosíthatóságnak teremtik meg a tudományos alapját. Mutassa be, hogy a megpályázott kutatási területen lévő hazai és a nemzetközi versenytársaihoz képest melyek az egyediségei és erősségei a pályázatának!

A PBW módszer előnyei más mikromegmunkálási módszerekhez képest: az ionok az anyagban csupán kismértékű oldalirányú szóródást szenvednek, ezáltal éles nagy oldalarányú mikrostruktúrák hozhatók létre. Az ionok az energiájuktól függő véges behatolási mélységig jutnak el az anyagban, így a megmunkált mélység az energiával hangolható.
A tervezett új mikrofluidikai eszköz-gyártási stratégia jelentősége, hogy a három fő alkotórészt összefogja egy „lab-on-a-chip” készülékbe, melyek az immunaffinitási befogó valamint enzimatikus emésztő egységekkel összekötött kapcsolóelem a nagyfelbontású tömegspektrométerhez.

A kutatás összefoglalója, célkitűzései laikusok számára
Ebben a fejezetben írja le a kutatás fő célkitűzéseit alapműveltséggel rendelkező laikusok számára. Ez az összefoglaló a döntéshozók, a média illetve az adófizetők tájékoztatása szempontjából különösen fontos az NKFI számára.

A projekt keretében proton mikronyalábbal és szelektív elektrokémiai marási módszerekkel újszerű mikrofluidikai eszközök előállítását tervezzük. A potenciális alkalmazási lehetőségek rendkívül széles területet ölelnek fel. Elsősorban mikrocsatornák, mikrofluidikai eszközök készítését tervezzük, majd ezek alkalmazását a biotechnológia, diagnosztika, gyógyszerfejlesztés, kombinatorikai kémia területén, kihasználva az integrált multifunkcionális lehetőségeket és az egyes integrált egységek multiplikálhatóságát. Gyakorlati oldalról megközelítve, először egy sokfunkciós mikrofluidikai eszköz megalkotását tervezzük monoklonális antitesteket felismerő „point-of-care” klinikai diagnosztikai eszközhöz azáltal, hogy a reagenseket a mikroeszköz csatornarendszerében rögzítjük, az analitmolekulákat megkötjük, melyeket aztán specifikus lehasítás után emésztünk, és tömegspektrométerrel analizálunk.
Summary
Summary of the research and its aims for experts
Describe the major aims of the research for experts.

Proton beam writing (PBW) is a novel 3-dimensional lithographic method, whereby microstructures can be fabricated by scanning a fine focused few MeV energy ion beam over a suitable resist material, and subsequently apply a selective chemical etch on the primary defect image. The interactions between the ions and the material are different in other lithographic methods; therefore there are niche application areas where each method is applicable. Combining PBW with the selective electrochemical etching of Si, novel microfluidic and optical structures can be formed. Based on our preliminary investigations, the functions of sample preparation / control integrated on silicon substrate can be achieved by the combination of PBW and porous silicon micromachining. Design phase of microreactors, mixers, valves or micromotors supported by FEM (finite element method) calculations is an established objective of the project.
The potential application areas are extremely wide. Primarily, we are planning to produce prototype microstructures of microchannels, microfluidic and lab-on-a-chip devices, then the application of these in biotechnology, the diagnostic field, drug discovery, combinatorial chemistry, exploiting the multifunctional characteristics of the lab-on-a-chip approach and its multiplicability. From the practical point of view, we first plan to build a multifunctional microfluidics device for the analysis of complex carbohydrates as well as a point-of-care clinical diagnostic device based on monoclonal antibody recognition.

What is the major research question?
Describe here briefly the problem to be solved by the research, the starting hypothesis, and the questions addressed by the experiments.

There are a few methods to produce microfluidic devices. The PBW method, due to its characteristic parameters, is able to provide better quality, smaller size microchannels than the commercially available ones. Thus the chemical experiments can lead to new scientific results. The challenging task of generating bioactive solid surfaces through immobilization of antibodies inside the microchannels will be optimized and the resulting device will be employed in clinical diagnostics screening. The solid-phase environment provides sufficient bioactivity, stability and reproducibility without loss of the antigens of diagnostic interest, or high background.

What is the significance of the research?
Describe the new perspectives opened by the results achieved, including the scientific basics of potential societal applications. Please describe the unique strengths of your proposal in comparison to your domestic and international competitors in the given field.

The PBW method has several unique features compared to other micromachining methods: the ions suffer only very small amount scattering in material, thus sharp, high aspect ratio microstructures can be produced. The ions have a well defined penetration depth depending on their energy, thus the machined volume can be adjusted.
The significance of the novel fabrication strategy of the planned novel microfluidic structures with the integration of three major parts into one lab-on-a-chip assembly, i.e., the immunoaffinity trapping chamber, the digestion chamber and the interface to high-resolution mass spectrometers.

Summary and aims of the research for the public
Describe here the major aims of the research for an audience with average background information. This summary is especially important for NKFI in order to inform decision-makers, media, and the taxpayers.

In this project proton microbeam and selective electrochemical etching methods will be used to create novel microfluidic structures. The potential application areas are extremely wide. Primarily, we are planning to produce prototype microstructures of microchannels, microfluidic devices, then the application of these in biotechnology, the diagnostic field, drug discovery, combinatorial chemistry, exploiting the multifunctional characteristics and multiplicability. From the practical point of view, we first plan to build a multifunctional microfluidics device for a point-of-care clinical diagnostic device based on monoclonal antibody recognition in a format that the reagents are immobilized within the channel system of the microdevice, bind the analyte molecules which after specific release are digested and analysed by mass spectrometry.





 

Final report

 
Results in Hungarian
A projekt fő célkitűzését megvalósítottuk: kifejlesztettünk egy olyan mikrofluidikai eszközt, amellyel vérből kiszűrhetők a cirkuláló ráksejtek (CTC). A mikrofluidikai sejtbefogó chipek (MCCDs) különleges 3D geometriával rendelkeznek, ezért alkalmasak a ritka sejtek csapdázására és dúsítására. A mikrofluidikai eszközök nagy felület/térfogat arányuk miatt különleges a fizikai tulajdonságokkal rendelkeznek, amelyek nagyon különbözőek a makroszkopikus világra jellemző jelenségektől. Egy ígéretes kombinációval - a protonnyalábos írás (PBW) és a hagyományos UV litográfia alkalmazásával - komplex mikrofluidikai eszköz készítését terveztük és valósítottuk meg. A tervezéshez nagyszámú numerikus áramlástani modellt (CFD) készítettünk, melyek segítségével jelenősen felgyorsítottuk a mikrofluidikai eszközök prototipizálását valamint nagymértékben csökkentettük a fejlesztési folyamatok költségeit. A PBW - direkt írásos litográfiai módszer lévén - lehetőséget nyújt a kialakítandó mintázat egyszerű módosítására, és egyedi módon döntött struktúrák készítését is lehetővé teszi (ezzel megnövelve a felületet és a keveredést). Az UV litográfiával kialakítható nagy felületű chip lehetővé teszi a makroszkopikus csatlakozásokat. A működést először festett vízzel és élesztősejtekkel validáltuk, majd vérrel és CTC sejtekkel is demonstráltuk. A jelen projekttel együttműködésben folyó Lendület projekt - MTA-PE Transzlációs Glikomika Kutatócsoport, #97101 - is lezárult, értékelése kiváló.
Results in English
We have achieved the main goal of the project: developed a microfluidic device that is applicable to filter circulating tumor cells (CTCs) out of blood. Microfabricated cell capture devices (MCCDs) with special 3D geometry are able to satisfy the requirements of rare cell capture and enrichment. Microfluidic devices have large surface/volume ratio thus offer unique physical characteristics, very different than the governing phenomena dominating the macroscopic world. A promising new combination of proton beam writing (PBW) and conventional UV lithography allowed us to design and fabricate a complex microfluidic device. For the design we used computational fluid dynamics (CFD) simulations, which speeded up the prototyping and reduced the cost of development. PBW, being a direct write lithographic method, allows quick modification of the pattern and uniquely able to produce tilted structures (which increases the surface and enhances the fluid mixing). UV lithography is capable to integrate the PBW-made central piece of the device into the larger area chip and couple it to the macroscopic connectors. The device was validated using tinted water and yeast cells, and then blood and CTCs were used to demonstrate the operation. The present project was completed in close collaboration with the Momentum grant #97101 (MTA-PE Translational Glycomics), which was evaluated with “excellent” final report.
Full text https://www.otka-palyazat.hu/download.php?type=zarobeszamolo&projektid=108366
Decision
Yes





 

List of publications

 
Járvás Gabor, Varga Tamas, Szigeti Marton G, Hajba Laszlo, Fürjes Peter, Rajta Istvan, Guttman Andras: Tilted pillar array fabrication by the combination of proton beam writing and soft lithography for microfluidic cell capture Part 2: Image sequence analysis based evaluation and biological application, ELECTROPHORESIS 39: (3) pp. 534-539., 2018
Robert Huszank, Attila Bonyár, Judit Kámán, Enikő Furu: Wide range control in the elastic properties of PDMS polymer by ion beam (H+) irradiation, Polymer Degradation and Stability 152 (2018) 253-258, 2018
Nagy GUL, Lavrentiev V, Bányász I, Szilasi SZ, Havranek V, Vosecek V, Huszánk R, Rajta I: Compaction of polydimethylsiloxane due to nitrogen ion irradiation and its application for creating microlens arrays, THIN SOLID FILMS 636: 634-638, 2017
Huszánk R., Csedreki L., Török Zs.: Direct trace element analysis of liquid blood samples by in-air ion beam analytical techniques (PIXE-PIGE)., Analytical Chemistry 89 (2017)1558-X./ 6.3202016, 2017
I. Rajta, R. Huszánk, A.T.T. Szabó, G.U.L. Nagy, S. Szilasi, P. Fürjes, E. Holczer, Z. Fekete, G. Járvás, M. Szigeti, L. Hajba, J. Bodnár and A. Guttman: Fabrication of a microfluidic cell capture device by the combination of proton beam writing and soft lithography: 1. design and feasibility, ELECTROPHORESIS 37 (2016)3:498-503., 2016
I. Rajta, R. Huszánk, A.T.T. Szabó, G.U.L. Nagy, S. Szilasi, P. Fürjes, E. Holczer, Z. Fekete, G. Járvás, M. Szigeti, L. Hajba, J. Bodnár and A. Guttman: Fabrication of a microfluidic cell capture device by the combination of proton beam writing and soft lithography: 1. design and feasibility, ELECTROPHORESIS Accepted manuscript online: 23 JUN 2015, 2015
Huszank Robert, Rajta István, Cserháti Csaba: Proton beam lithography in negative tone liquid phase PDMS polymer resist, NUCL INSTRUM METH B 348: 213-217, 2015
Huszank Robert, Rajta István, Cserháti Csaba: Direct formation of high aspect ratio multiple tilted micropillar array in liquid phase PDMS by proton beam writing, EUR POLYM J 69: 396-402, 2015
I. Rajta, G.U.L. Nagy, R. Huszánk, A.T.T. Szabó, P. Fürjes, Z. Fekete, G. Járvás, M. Szigeti, A. Guttman: Proton beam micromachining, microfluidical applications, 15th Joint Vacuum Conference. JVC 15. 15-20 June 2014, Vienna, Austria, (Abstr.: p. 191). Invited talk at the International Vacuum Conference, 2014
R. Huszank, I. Rajta, C. Cserháti: Proton beam lithography in a new, liquid phase negative resist material, 14th International Conference on Nuclear Microprobe Technology and Applications, ICNMTA2014, 6-11 July 2014, Padova, Italy, (Abstr.: p. 36). Contributed talk, 2014
I. Rajta, A.T.T. Szabó, G.U.L. Nagy, R. Huszánk, E. Baradács, P. Fürjes, Z. Fekete, G. Járvás, M. Szigeti, L. Hajba, J. Bodnár, S.Z. Szilasi, A. Guttman: Creation of double tilted pillar structures for microfluidic applications, 14th International Conference on Nuclear Microprobe Technology and Applications, ICNMTA2014, 6-11 July 2014, Padova, Italy, (Abstr.: p. 70). Conference poster, 2014
I. Rajta: Closing remarks, ICNMTA2014, The organizers of the International Microprobe Conference asked me to give the closing talk of the conference: a prestigious task, so I was happy to accept., 2014
I. Rajta, A.T.T. Szabó, G.U.L. Nagy, R. Huszánk, E. Baradács, P. Fürjes, Z. Fekete, G. Járvás, M. Szigeti, L. Hajba, J. Bodnár, S.Z. Szilasi, A. Guttman: Development of improved high efficiency cell capture device and fabrication by proton beam writing, Submitted to Nuclear Instruments and Methods B, 2014
I. Bányász, I. Rajta, G.U.L. Nagy, Z. Zolnai, V. Havranek, S. Pelli, M. Veres, S. Berneschi, G. Nunzi-Conti, G.C. Righini: Fabrication of optical channel waveguides in crystals and glasses using macro- and micro ion beams, Nuclear Instruments and Methods in Physics Research Section B: Beam Interactions with Materials and Atoms Volume 331, 15 July 2014, Pages 157–162, 2014
Bányász I, Rajta I, Nagy Gy, Zolnai Z, Havranek V, Pelli S, Veres M, Himics L, Berneschi S, Nunzi-Conti G, Righini GC: Ion beam irradiated optical channel waveguides, PROCEEDINGS OF SPIE 8988: Paper 898814. 10 p. , 2014
Rajta I, Vajda I, Gyürky Gy, Csedreki L, Kiss ÁZ, Biri S, van Oosterhout HAP, Podaru NC, Mous DJW: Accelerator characterization of the new ion beam facility at MTA Atomki in Debrecen, Hungary, NUCL INSTRUM METH A 880: 125-130, 2018
Ponomarov A, Rajta I, Nagy G, Romanenko OV: Single-stage quintuplet for upgrading triplet based lens system: Simulation for Atomki microprobe, NUCL INSTRUM METH B 404: pp. 34-40., 2017
L. Csedreki, I. Vajda, I. Rajta, Gy. Gyürky, R. Huszánk, Á.Z. Kiss: Differential cross sections of proton induced reactions on 14N and 28Si and recommended resonances for accelerator energy calibration, NUCL INSTRUM METH B (közlésre elküldve), 2018
I. Rajta, G.U.L. Nagy, I. Vajda, S.Z. Szilasi, G.W. Grime, F. Watt: First resolution test results of the Atomki nuclear nanoprobe, NUCL INSTRUM METH B (közlésre elküldve), 2018





 

Events of the project

 
2015-09-28 14:31:10
Résztvevők változása
2014-04-04 09:40:41
Résztvevők változása




Back »