Mikroreaktory na míru: 3D tisk usnadnil vývoj polymerních kartáčů pro biosenzory

Jak zrychlit a zjednodušit přípravu polymerních kartáčů, které jsou základem moderních biosenzorů? Tým pod vedením Hany Lísalové ze Sekce optiky Fyzikálního ústavu AV ČR našel řešení: navrhl a vyrobil mikrofluidní reaktor pomocí 3D tisku. Nový způsob přípravy tenkých polymerních vrstev umožnuje lépe kontrolovat jejich vlastnosti a zároveň šetří čas i chemikálie. Výsledky výzkumu byly publikovány v prestižním časopise Chemical Engineering Journal.

3D tisk a mikrofluidika mění pravidla hry

Polymerní kartáče, ultratenké nanovrstvy polymerů navázané na povrch materiálů, hrají klíčovou roli v biosenzorech, diagnostických čipech i dalších bioanalytických technologiích. Dosavadní metody jejich výroby v klasických reaktorech jsou však málo efektivní. Tým Hany Lísalové proto využil 3D tisk k vytvoření mikrofluidního skládaného reaktoru, díky kterému je možné polymerovat desítky substrátů najednou s minimální spotřebou chemikálií.

Kartáče, které rostou rychleji a kvalitněji

Detailní charakterizace pomocí infračervené spektroskopie (IRRAS), spektroskopické elipsometrie, rentgenové fotoelektronové spektroskopie (XPS) a povrchové plazmonové rezonance (SPR) ukázala, že kartáče připravené v mikrofluidním reaktoru mají srovnatelné, a v některých ohledech dokonce i lepší vlastnosti, než kartáče vytvořené klasickými metodami. V mikrofluidním reaktoru rostou kartáče rychleji, dosahují vyšší hustoty a dají se snadněji ladit  jejich požadované vlastnosti. Nový přístup navíc otevírá cestu k přípravě složitějších vícevrstvých struktur a k výrobě povrchů s různými funkcemi na jednom čipu.

„Na začátku výzkumu nám několik lidí tvrdilo, že tímto způsobem polymerní kartáče vyrobit nepůjdou,“ říká N. Scott Lynn, který projekt vedl. „To nás donutilo být ještě důkladnější a měli jsme velkou radost, že mikroreaktory se nejen mnohem snadněji používají, ale také vytvářejí vrstvy tak vysoké kvality. 3D tisk nám pak pomohl přizpůsobit zařízení, aby dokázalo splnit náročné požadavky, které tento typ chemie vyžaduje.“

„Velké uznání patří Scottu Lynnovi, který mikrofluidní skládaný reaktor navrhl a vytiskl, a Markétě Vrabcové, která vedla přípravu a testování polymerních vrstev. Markéta je jedním z pilířů našeho týmu v oblasti syntetických metod – v tomto projektu skvěle uplatnila své dlouholeté zkušenosti nasbírané ve Fyzikálním ústavu. Její spolupráce se Scottem se ukázala jako mimořádně funkční spojení,“ doplňuje Hana Lísalová, vedoucí Laboratoře funkčních biorozhraní.

Výhled do budoucna: 3D tisk v materiálovém inženýrství

Význam výzkumu přesahuje oblast biosenzoriky a ukazuje nové možnosti pro využití 3D tisku v řízení chemických procesů. „Ve Fyzikálním ústavu máme dlouhodobou expertízu v oblasti 3D tisku pro vědecké i technologické aplikace. Tento výzkum krásně ilustruje, jak můžeme využít aditivní technologie k návrhu chytrých reaktorů a zařízení pro materiálové inženýrství, biofotoniku i medicínu," doplňuje Alexandr Dejneka, vedoucí Sekce optiky FZU.

Tým Laboratoře funkčních biorozhraní nyní připravuje polymerní vrstvy se složitějšími vzory. Tyto techniky umožňují nanášet různé složení polymerů na jediný povrch, což vědcům pomáhá zkoumat, jak molekulární struktura ovlivňuje vlastnosti materiálu. Kromě toho se týmu podařilo zvládnout polymeraci i v mikrolitrových objemech – což je v chemii velmi náročný úkol i při použití běžných metod. Nyní se výzkumníci pouštějí do další výzvy: syntézy polymerních vrstev v ještě menším měřítku – v nanolitrech, a dokonce i femtolitrech, tedy miliardkrát menších než mikrolitr. Na této práci tým úzce spolupracuje s Dioscuri Centrem jednomolekulární optiky, které vede Barbora Špačková.

Původní článek

Microfluidic stack reactors for the mass synthesis of polymer brushes

Markéta Vrabcová, Monika Spasovová, Volkan Cirik, Judita Anthi, Alina Pilipenco, Milan Houska, Oleksandr Romanyuk, Hana Vaisocherová-Lísalová, N. Scott Lynn Jr

Chemical Engineering Journal, Volume 508, 15 March 2025, 160914

https://doi.org/10.1016/j.cej.2025.160914

licensed under CC-BY 4.0

Abstrakt

Polymerní kartáčové (PB) povlaky představují účinnou metodu ladění fyzikálně-chemických vlastností povrchu v celé řadě oborů, včetně biosenzoriky, kde je často nutné syntetizovat PB na 10 až 100 či více substrátech denně. PB se obvykle připravují metodou povrchově iniciované radikálové polymerace s přenosem atomů (SI-ATRP) ve Schlenkových reaktorech, které vyžadují velké objemy roztoků. To přináší značné ekonomické výzvy při hromadné syntéze, protože během polymerace se obvykle přemění pouze 0,1 % nebo méně monomerů. Mikrofluidní syntéza nabízí slibnou alternativu ke snížení spotřeby chemikálií; přesto však zůstávají otázky, jak takovou syntézu provádět ve větším měřítku a zda výsledné PB dosahují srovnatelné kvality jako ty připravené konvenčními metodami.

V této práci představujeme mikrofluidní stohovací reaktor navržený pro efektivní a uživatelsky přívětivou hromadnou syntézu PB na rovných substrátech. Tento reaktor, vytištěný metodou stereolitografie, se skládá z opakujících se jednotek, které lze snadno vyrobit a které při stohování vytvářejí jedinou fluidní cestu spojující nastavitelný počet substrátů, čímž zvyšují účinnost polymerace více než stonásobně. Tyto stohovací reaktory jsme použili k syntéze různých struktur PB (homopolymerů, náhodných kopolymerů a blokových kopolymerů) kombinujících dva monomery běžně používané v biosenzorech, známé svými antifoulingovými vlastnostmi: zwitterionický poly(karboxybetain-methakrylamid) (pCBMAA) a neiontový poly[N-(2-hydroxypropyl)-methakrylamid] (pHPMAA). Charakterizace pomocí IRRAS, elipsometrie, XPS, měření kontaktního úhlu a SPR potvrdila, že PB syntetizované ve stohovacích reaktorech jsou srovnatelné, případně i kvalitnější než ty připravené standardní metodou SI-ATRP. Tyto reaktory proto představují slibný nástroj pro efektivní velkovýrobu PB povlaků a mají potenciál pro široké využití v mnoha aplikacích.