Projekt inżynierski "Analiza warunków skuteczności embolitycznych mikrocząstek w terapii antynowotworowej"
"Analysis of the conditions of embolic microparticles effectiveness in the anticancer therapy"

I. TEORIA
  I.1. Angiogeneza w procesie  powstawania guzów nowotworowych
            I.1.1. Angiogeneza – definicja
            I.1.2. Etapy angiogenezy
            I.1.3. Czynniki indukujące i inhibujące proces angiogenezy
            I.1.4. Angiogeneza nowotworowa
            I.1.5.  Charakterystyka mikronaczyń krwionośnych guza nowotworowego
            I.1.6.  Modelowanie matematyczne procesu angiogenezy nowotworowej
            I.1.7.  Trójwymiarowe modelowanie angiogenezy
  I.2. Układy Lab-on-a-chip. Metody fabrykacji
            I.2.1. Charakterystyka i historia powstania LOC
            I.2.2. Ogólna budowa i materiały służące do preparacji LOC
            I.2.3. Tradycyjne metody fabrykacji mikrosystemów
            I.2.4. Wytwarzanie LOC metodą bezpośredniego grawerowania laserowego
 I.3. Zastosowania LOC
            I.3.1. Rodzaje mikrosystemów i ich zastosowania
            I.3.2. LOC a badania nad nowotworami i angiogenezą
            I.3.3. Zalety i wady stosowania mikrourządzeń

II. URZĄDZENIA I MATERIAŁY WYKORZYSTANE PODCZAS BADAŃ
  II.1. Sprzęt laboratoryjny
  II.2. Poli(dimetylosiloksan)
  II.3. Pozostałe materiały

III. PROJEKT
  III.1. Etapy pośrednie
  III.2. Projekt końcowy

IV. FABRYKACJA
  IV.1. Nakładanie PDMS-u przy użyciu spin coatera. Pomiary grubości utworzonych warstw
            IV.1.1. Materiały i sprzęt laboratoryjny
            IV.1.2. Przygotowanie polimeru
            IV.1.3. Metodyka badań
            IV.1.4. Wyniki
            IV.1.5. Wnioski
  IV.2. Dostosowanie parametrów lasera. Wypalanie struktur w PDMS-ie            
            IV.2.1. Materiały i sprzęt laboratoryjny
            IV.2.2. Dobranie materiału do badań
            IV.2.3. Metodyka badań
            IV.2.4. Wyniki
            IV.2.5. Wnioski
  IV.3. Przenoszenie utworzonych w polimerze struktur naczyń włosowatych
            IV.3.1. Materiały i sprzęt laboratoryjny
            IV.3.2. Dobranie materiału do badań
            IV.3.3. Metodyka badań
            IV.3.4. Wyniki i wnioski
  IV.4. Utworzenie gotowego chipa. Kontrola przepustowości kanałów i szczelności całego układu
            IV.4.1. Materiały i sprzęt laboratoryjny
            IV.4.2. Metodyka badań
            IV.4.3. Wyniki
            IV.4.4. Wnioski
            IV.4.5. Podsumowanie wszystkich etapów fabrykacji

V. BADANIA MIKROPRZEPŁYWÓW
  V.1. Charakterystyka mikroprzepływów
            V.1.1. Mikroprzepływy w LOC
            V.1.2 Cechy przepływu laminarnego
            V.1.3 Badania mikroprzepływów
  V.2. Badania prędkości mikroprzepływów w zbudowanym układzie LOC
            V.2.1. Materiały i sprzęt laboratoryjny
            V.2.2. Metodyka badań
            V.2.3. Wyniki
            V.2.4. Wnioski

VI. DYSKUSJA WYNIKÓW
  VI.1. Podsumowanie
  VI.2. Możliwości modyfikacji mikrosystemu
  VI.3. Możliwości przyszłych zastosowań mikrosystemu

W pracy zaprezentowano metodykę fabrykacji mikrosystemów z wykorzystaniem nowej metody bezpośredniego grawerowania laserowego TC&T. Metoda ta została wykorzystana do przygotowania oryginalnego układu LOC, który do tej pory nie został opisany w literaturze. Przeprowadzone eksperymenty zakończono zbudowaniem kompletnego i funkcjonalnego mikrourządzenia, będącego dwuwymiarowym modelem naczyń włosowatych guza nowotworowego.

Zalety mikrosystemu

            Mimo szybkiego rozwoju mikrosystemów nie istnieją prawie żadne standardy umożliwiające ich produkcję na szeroką skalę. Rodzi się przez to tzw. niekompatybilność technologiczna, polegająca na zbyt dużej ilości metod konstrukcyjnych, materiałów i komponentów. Uniemożliwia to ujednolicenie procesów i zastosowanie ich praktyce. Co znaczące, mimo iż PDMS jest najpopularniejszym materiałem budulcowym mikrourządzeń, nie opracowano do tej pory szeroko zakrojonych metod jego obróbki. Mikrosystemom potrzeba zatem standaryzacji. [Lim i in., 2010] Stosowanie technologii opartej na obróbce laserowej może usprawnić procesy związane z tworzeniem mikrokanałów, które obecne są w każdym chipie. W trakcie doświadczeń używano komercyjnego urządzenia, które z powodzeniem można wprowadzić do pracy na taśmie produkcyjnej. Inne techniki preparacji mikrosystemów są pod tym względem bardziej wymagające.

            Biorąc pod uwagę prace laboratoryjne i możliwość prowadzenia doświadczeń naukowych, metoda fabrykacji chipa prezentuje sobą wiele korzyści. Przede wszystkim
w porównaniu do technik fotolitograficznych i miękkiej litografii, sposób budowy mikrourządzenia jest dużo prostszy w wykonaniu. Nie wymaga preparacji matrycy czy specjalnej fotomaski. [Liu i in., 2009] Dzięki temu możliwe jest wprowadzanie szybkich poprawek do projektu, bądź łatwe tworzenie całkiem nowych koncepcji pracy doświadczalnej. W prosty sposób można zwiększać, bądź zmniejszać średnice kanałów lub komór. Obsługa stacji laserowej jest przyjazna dla użytkownika, a poruszanie się po interfejsie programu kierującego grawerowaniem nie sprawia większych trudności. Ponadto koszty związane z produkcją chipa są dużo mniejsze, a podczas prac nie wykorzystuje się zaawansowanego technologicznie sprzętu i drogich odczynników. Zredukowano je do zakupu samego PDMS-u i izopropanolu. To znaczne oszczędności
w porównaniu z cenami związków chemicznych potrzebnych podczas fotolitografii. Kolejną zaletą jest szybkość procesu. Wykonanie nowej matrycy zajmuje zwykle wiele dni [Luu i in., 2012]. Tymczasem opisana w pracy fabrykacja może być przeprowadzona w ciągu kilku godzin. Tego typu technika mogłaby z powodzeniem zastąpić, bądź częściowo usprawnić metody stosowane do tej pory. Rozdzielczość lasera byłaby bowiem wystarczająca dla preparacji wielu z układów LOC.

            Nowoczesne mikrosystemy, umożliwiające badania in vitro z zakresu biologii i biochemii są niezbędne w rozwoju medycyny, farmakologii i biotechnologii. Umożliwiają one obserwację reakcji fizjologicznych organów, tkanek i pojedynczych komórek na biofizyczne i biochemiczne czynniki. [Vickerman i in. 2008]  Rekonstrukcja modeli naczyń krwionośnych zyskała zatem dość dużą popularność w dziedzinie mikrosystemów. Stało się tak ze względu na to, że można w nich dość łatwo symulować kanały, które wyglądem i rozmiarem przypominają nasz układ krwionośny. Ponadto po wkroczeniu technologii wykorzystujących polimery, powstające naczynia są także elastyczne i przepuszczalne dla gazów. Bardzo często wykorzystuje się je do badań komórek śródbłonka i ich oddziaływań z komórkami nowotworowymi, lekami czy elementami układu immunologicznego. [Zhang i in., 2012] Zwykle PDMS opłaszcza się wówczas dodatkowo hydrożelami kolagenowymi, które doskonale symulują macierz zewnątrzkomórkową i są dobrym podłożem dla wzrostu komórek. [Price i in., 2010] Stworzony mikrosystem z powodzeniem mógłby zostać wykorzystany do tego typu badań. Zaprojektowana struktura wiernie symuluje rozmiary i geometrię sieci naczyń włosowatych. Parametry mikroprzepływów (prędkość i charakter przepływu) są zaś zgodne z obserwowanymi w naturze.

PDMS – Poli(dimetylosiloksan)
Wykorzystanie PDMS (Dow Corning, SYLGARD 184 SILICONE ELASTOMER KIT) w badaniach było umotywowane wieloma korzystnymi cechami, jakie reprezentuje sobą w/w polimer. Jest on materiałem odpowiednim do obróbki laserem CO2, pozwalającym odwzorować mikrokanały z dużą wiernością i dokładnością.  Ponadto jest on transparentny w świetle widzialnym, przez co umożliwia bezpośrednią obserwację mikroprocesów oraz badania fluorescencji, czy absorbancji próbek. Dodatkową, lecz równie istotną cechą, jest to, że sieciuje się w niskich temperaturach, co znacznie ułatwia prace laboratoryjne. PDMS jest także nietoksyczny i biokompatybilny, co umożliwia np. namnażanie w nim ludzkich kultur komórkowych.  Polimer ten można również łatwo formować, a także kontrolować właściwości powierzchniowe.