Aplicatii ale Micro-Nanotehnologiilor in bio-medicina

1
Institutul National de Cercetare Dezvoltare
pentru Microtehnologie (IMT Bucuresti)
Aplicatii ale Micro-Nanotehnologiilor in
bio-medicina
2
NANOBIOLAB Laborator de micro- nano- biotehnologii
Laboratorul NANOBIOLAB este instalat in
aria tehnologica a IMT-Bucuresti. Aici sunt
disponibile echipamente specifice, de ultima
generatie, care permit manipularea materialului
biologic. Activitatile desfasurate in cadrul
NanoBioLab sunt dedicate in principal realizarii
de chipuri tip microarray, cu aplicatii in
domeniul genomicii si proteomicii.
Recunoastere biomoleculara prin tehnologia
microarray aplicatii in domeniul terapiei si
diagnosticului. Este utilizata pentru
imobilizarea si caracterizarea (prin scanare si
citire) pe suprafete (de siliciu sau sticla)
functionalizate a ADN-ului precum si a altor
materiale bilogice (proteine).
Procese electrochimice caracterizari calitative
si cantitative ( CV- voltametrie ciclica si SWV-
voltametrie cu unda patrata), de filme
anorganice/organice subtiri sepuse pe suport
conductiv ( metal-Au, Ag, Pt etc dar si sliliciu)
ingrosari metalice. TraceLab VoltaLab 50 (PST050
VoltaMaster4) Aceste caracterizari
electrochimice ofera informatii asupra
morfologiei suprafetelor, dar si despre
conductanta locala, activitatea enzimelor sau a
centrilor catalitici, a ariilor active
electrochimic de pe o suprafata
Spectroscopia de impedanta electrochimica
VersaSTAT3 - analize de coroziune (ex studiul
Coroziunii unui implant metalic) - dezvoltare
de (bio)senzori.
Investigatiile recente sunt dedicate
functionalizarii de suprafete pentru atasarea
proteinelor la diverse tipuri de substrat (sticla
acoperita cu APS, NHS, ALD, poli-L-lysine, aur si
siliciu acoperit cu aur).

• EIProScan Electrochemical Probe Scanner
• analiza suprafetelor
• structucturarea suprafetelor depunerea de
  polimeri metalici la scara micro si nanometrica.

• Facilitati
• Gene Machines OmniGrid Micro-NanoPlotter,
  Genomic SolutionsLtd., UK, GeneTAC UC4
• Microarray Scanner, Genomic SolutionsLtd., UK

GeneMachines OmniGrid Micro - Nano-Plotter
3
Micro si nanoparticule de Si pentru eliberare
controlata de medicament
Siliciu nanoporos obtinut pe p Si (50 nm pore
size)
Impregnarea microparticulelor de PS cu oxizi de Fe
Scopul cercetarii (1) fabricare de membrane
nanostructurate de Si impregnare cu medicament
si testare in vitro in colaborare cu Institutul
de Biochimie (2) fabricare de microparticule
nanostructurate de Si, si testare in vivo in
colaborare cu Institutul de Oncologie si
Institutul de Stiinte Biologice
SEM images of iron oxide nanoparticles on PS and
EDAX analysis of the iron/iron oxide on the PS
substrate.
SEM images of nanostructured Si microparticles
(a) n-epi/p Si process and (b) n-diffusion in
pSi process.
Optical image of a Si microparticle obtained by
porosification process using Si3N4 layer as mask
PS multistraturi / p Si
Teste biologice preliminare in colaborare cu
Institutul de Biochimie
Biodegrabilitatea PS in SBF
Incarcarea cu molecule de interes terapeutic
Nbutyl-deoxynojirimycin (NB-DNJ)
Chondroitin sulfate (CS)
Lactoferrin
Dacarbazine
Ellipsometric parameters Delta and Psi for PS/Si,
APTS/PS/Si and NB-DNJ/APTS/PS/Si
Persoana de contact Dr. Irina Kleps
4
SILICIUL POROS MATRICE PENTRU IMOBILIZARE DE
ENZIME

• Cerinte impuse în miniaturizarea senzorilor si
  integrarea acestora în dispozitive electronice,
  impun compatibilizarea cu tehnologiile pe baza de
  Si.
• Aliniindu - ne acestei tendinte generale de
  dezvoltare a metodelor si tehnicilor de realizare
  a biosenzorilor, propunem utilizarea siliciului
  poros functionalizat cu diferite grupari active,
  ca matrice pentru imobilizarea enzimelor.
• Ca exemplu de aplicatie, prezentam tehnologia de
  realizare a unui senzor capacitiv pe siliciu
  macroporos cu proprietati bioactive, compatibil
  cu un material enzimatic (acetilcolinesteraza),
  pentru detectia pesticidelor reziduale.
• Imobilizarea enzimei pe siliciu macroporos s-a
  facut prin reticulare cu glutaraldehida, deoarece
  permite mentinerea cat mai multora dintre
  proprietatile specifice ale enzimei, mentinand
  disponibile situsurile active ale acesteia.
• Aceasta tehnologie poate fi dezvoltata si
  valoarificata prin realizarea unui sistem
  portabil pentru detectia contaminarii cu poluanti
  organici persistenti.

Electodul de referinta - TiAg/AgCl, a fost
realizat pe tehnologia planara a siliciului
Micrografie AFM a electrodului de AgCl
Persoana de contact Alina Popescu
5
Biosenzori pentru detectia pesticidelor
Senzorul prezinta doi microelectrozi
interdigitali, pe substrat de siliciu, amplasati
intr-un modul microfluidic.
Fotografie a electrozilor de Au
Biochip din siliciu in modulul microfluidic, cu
pompe si rezervor pentru detectia pesticidelor
Functioneaza si se poate vizita la et. 3, Lab. L2
Senzori de gaz (CO si NO2) Se bazeaza pe
structuri de tip ISFET si electrozi interdigitali
acoperiti cu straturi polimerice chemoactive.
Persoana de contact Dr. Carmen Moldovan
6
Platforma pentru monitorizare on-line a
toxicitatii

• Contributia IMT
• Senzori pentru monitorizarea celulelor vii
• Platforma de senzori implementarea de senzori
  de temperatura, pH, O2 si electrozi de
  referinta miniaturizati

Rezultate obtinute in proiectul TOXICHIP
(Development of a toxin screening
multi-parameter on line biochip system), FP6 IST
STREP, 2006-2009

• Canale microfluidice

• Sistem de incalzire
• Conexiuni PCB (printed circuit board)
• - Achizitie de date

Integrare completa Senzori, Microfluidica, PCB
Aplicatii Industria alimentara, industria
farmaceutica, statii de tratare a apei, industria
bauturilor racoritoare, analiza toxicitatii
nanomaterialelor etc.
Persoana de contact Dr. Carmen Moldovan
7
Sistem microfluidic pentru analize biochimice
Sistemul microfluidic incorporeaza module de
sortare, distribuire si livrare biocelule marcate
magnetic sau cu proprietati magnetice intrinseci.
Contine un vascosimetru pentru masuratori de
vascozitate microcanale cu reservoare de intrare
si iesire pentru transportul fluidelor o
micropompa, un micromixer, un microsplitter si o
platforma microfluidica pentru captarea,
masurarea, manipularea si sortarea biomoleculelor
marcate magnetic intr-o matrice magnetoforetica
de valve de spin.
Vom crea un dispozitiv portabil, cu consum mic si
usor de fabricat, capabil sa proceseze volume
mici de fluide biologice in situatii de urgenta.
Persoana de contact Dr. Marioara Avram
8
Sistem microfluidic integrat pentru analiza in
vitro a fluidelor biologice cu aplicatii in
diagnoza si tratament medical
Scopul principal realizarea unui
microviscozimetru integrat ce poate inlocui
dispozitivele conventionale folosite in biochimia
medicala, cu microsisteme programabile ce dau
informatii rapide din cantitati foarte mici de
fluide. Biologice
In cazul fluidelor newtoniene tensiunea de taiere
este direct proportionala cu viteza de alunecare,
coeficientul de proportionalitate fiind
coeficientul de vascozitate dinamica. Cand
dintele rotii dintate pe care se afla un
micromagnet se apropie de o pereche de rezistori
GMR sensitiva, rezistenta electrica a acestora
scade in timp ce rezistenta celeilalte perechi
creste, si astfel se obtine la iesirea puntii o
tensiune electrica direct proportionala cu
vascozitatea fluidului

• Sistemul microfluidic este compus din
• sistem de microcanale cu rezervoare de intrare si
  iesire,
• micromixer si microsplitter de fluide
• microviscozimetru rotational
• sistem de detectie electromagnetica bazata pe
  nanostructuri cu valva de spin (GMR)

Imagine SEM microviscozimetru rotational
Fotografii SEM ale sistemului de microcanale cu
rezervoare de intrare si iesire
Domenii de aplicatii Punerea la punct a unor
tehnologii de microprelucrare a siliciului in
vederea realizarii unor componente micromecanice
statice si dinamice pe siliciu, impreuna cu
sistemul de detectie magnetica deschide
posibiltati ample de realizare in viitor a unor
microsisteme micro-electromecanice cu aplicare in
domenii diverse medicina, biologie, farmacie,
imbunatatirea calitati vietii.

• Avantaje
• reducerea volumului reactivilor si a costurilor
  si reducerea timpului de raspuns datorita
  volumelor mici si concentratiilor mai mari
• posibilitatea de diagnosticare sigura
• posibilitatea de detectie multi agent

Microviscozimetrul rotational si sistemul
electromagneric de detectie a vascozitatii
fluidelor biologice
Persoana de contact Dr. Marioara Avram
9
Platforma cu valve de spin pentru separarea
biomoleculelor

• Detectia biomoleculelor atasate unor micro sau
  nano particule magnetice
• Separarea celulelor in functie de
  susceptibilitatea magnetica intrinseca
• Avantaje
• Se poate manipula un numar mare de biomolecule
  independent si simultan
• Se poate folosi pentru sortarea celulelor in
  gradienti mari de camp magnetic, care genereaza
  si miscari de rotatie a particulelor
• Se pot aplica forte electromagnetice de torsiune
  care induc tranzitii structurale astfel incat
  mecanismele biologice sa fie punctate (studiate)
  la nivel molecular

Platforma cu valve de spin contine 200 astfel de
structuri GMR
Dependenta GMR de intensitatea campului magnetic
pentru diverse procente de suprafete acoperite cu
biomolecule, campul magnetic fiind aplicat in
plan (a) paralel cu axa de usoara magnetizare
(b) perpendicular pe axa de usoara magnetizare
Persoana de contact Dr. Marioara Avram
10
Dispozitiv magnetoforetic pentru separarea
celulelor din sange
Imaginile au fost marite de 100 de ori. In aceste
poze se poat vedea clar valvele de spin
interconectate cu fire de aur.

• Dispozitivul de test
• magnet permanent de 2 T
• pompa peristaltica, rata de curgere intre 0.5
  and 0.6 ml/h
• microscop si hemacitometru pentru numararea
  celulelor.

• Rezultate
• Procentajul de celule rosii captate este de
  peste 93 pentru dispozitivul pe siliciu
• Procentajul de celule rosii captate este de
  peste 89 pentru dispozitivul pe sticla
• Cele mai bune rezultate obtinute in cazul
  structurilor feromagnetice de mici dimensiuni
• Rezultatele confirma simularile

Persoana de contact Dr. Marioara Avram