Folyadékdinamikai jelenségek modellezése és vizsgálata kétfázisú cseppes mikrofluidikai rendszerekben
Napjainkban egyre nagyobb teret nyer a kompakt diagnosztikai eszközök fejlesztése és alkalmazása olyan bonyolult feladatok esetén is, melyek hagyományosan nagylaboratóriumi berendezéseket igényeltek. Ehhez kapcsolódóan egyre szerteágazóbb a mikrofluidikai és integrált Lab-on-a-Chip rendszerek alkalmazása, amelyek jelentősége kiemelkedő a bioanalitikai / sejtanalitikai eszközök miniatürizálása terén.
Számos olyan problémával szembesülhetünk, ahol sejtek vagy ezekkel összemérhető részecskék tervezett mozgatása, manipulálása, kiválogatása, számlálása, illetve lokalizált vizsgálata a cél. Az egyedi sejtek kémiai és fizikai hatásokra adott válaszai célzottan vizsgálhatók a sejtmérettel összemérhető mikrokörnyezetben. Ilyen mikrokörnyezet kontrolált létrehozására adnak lehetőséget a kétfázisú mikrofluidikai rendszerek, amelyek monodiszperz mikroemluziók generálásával képesek célzott méretű sejtcsapdák előállítására. Kutatásaink távlati célja olyan mikrofluidikai rendszer tervezése és kialakítása, amely célzott kémiai körülmények létrehozására képes sejtméretnek megfelelő csapdázó konténerekben.
A mikroszkópikus mérettartományban lejátszódó fizikai jelenségek megértése és pontos tervezése azonban kihívást jelenthet, így a folyadékok ilyen környezetben való viselkedésének mélyebb tanulmányozása elengedhetetlen. Munkám során olyan mikrofluidikai eszköz tervezésével, megvalósításával és elemzésével foglalkoztam, mely egy kétfázisú rendszerben képes cseppek kontrolált létrehozására valamint a cseppeken belüli kémiai környezet változtatására.
A mikrofluidikai rendszereket az Energiatudományi Kutatóközpont Mikrorendszerek Laboratóriumában készítettem el lágy litográfiás módszerek alkalmazásával PDMS polimerben. Az általam tervezett kétfázisú rendszerben olaj és vizes fázisok keverésével stabil emulziót létrehozva, a monodiszperz cseppek létrejöttét és a cseppméretet befolyásoló geometriai és hidrodinamikai paraméterek hatását elemeztem. A laboratóriumi vizsgálatok eredményeit összehasonlítottam végeselem módszert alkalmazó számítógépes szimulációval. Sikerült a cseppgenerálás jelenségét időlépéses modellben reprodukálni, és a mikrofluidikai környezet paramétereinek hatásait megjeleníteni a szimuláció során. Azonosítottam a különböző geometriával rendelkező struktúrák működési előnyeit és hátrányait.
A mikrofluidikai rendszer továbbfejlesztésével alkalmassá tehető cseppekbe juttatott kétféle folyadék keveredés dinamikájának elemzésére, mely a cseppen beüli kémiai reakciók lefolyásának vizsgálata során játszik fontos szerepet. Munkám során kísérleti és szimulációs módszerekkel vizsgáltam a mikroméretű cseppekben lejátszódó keveredési folyamatokat. Nagy sebességű kamera felvételeinek segítségével elemeztem fluoreszcens folyadékok keveredését a zárt térfogatban.
A jövőbeli célom a rendszer alkalmassá tétele arra, hogy a cseppekbe részecskéket illetve sejteket csapdázva elemezhető legyen a kialakuló kémiai környezet hatása.
szerző
-
Szomor Zsombor Ifj.
Villamosmérnöki szak, alapképzés
alapképzés (BA/BSc)
konzulensek
-
-
Dr. Fürjes Péter
tudományos főmunkatárs, MTA Természettudományi Kutatóközpont - Műszaki Fizikai és Anyagtudományi Intézet - MEMS LAB (külső) -
Dr. Hajnal Zoltán
tudományos főmunkatárs, MTA EK MFA (külső)
