Формирование матриц нанопористых микроплощадок на

III Научно-техническая конференция с международным участием «НАУКА НАСТОЯЩЕГО И БУДУЩЕГО» 12-13 марта 2015 г.
ФОРМИРОВАНИЕ МАТРИЦ НАНОПОРИСТЫХ
МИКРОПЛОЩАДОК НА ОСНОВЕ АНОДНОГО ОКСИДА
АЛЮМИНИЯ В КАЧЕСТВЕ СУБСТРАТОВ ДЛЯ
ВЫРАЩИВАНИЯ МИКРООРГАНИЗМОВ
Е. Е. Нестеров, Т. М. Зимина, М. Н. Серкова, С. А. Корлякова, Е. А. Севостьянов
Санкт-Петербургский государственный электротехнический университет «ЛЭТИ» им. В.И. Ульянова (Ленина)
(СПбГЭТУ «ЛЭТИ»)ё
Цель работы
Пример структуры с ростовыми порами
Формирование пористых структур с заданной морфологией и топологией
на основе анодного оксида алюминия (АОА) для создания ростовых
платформ, интегрированных в лабораторию на чипе (ЛНЧ) для
микробиологического анализа.
Поперечное сечение сэндвич-структуры для анодирования
алюминия с образованием ростовых площадок для
микробиологического анализа
Актуальность задачи
Нанопористые
биосреды
являются
быстро
развивающейся
областью
нанотехнологии с большим потенциалом развития и дальнейшего применения в
областях медицинской диагностики инфекционных заболеваний, что является очень
актуальным направлением в связи с рядом существующих на сегодня проблем. В
настоящее время из-за отсутствия информации об этиологии инфекционного
процесса, в подавляющем большинстве случаев лечение является неэффективным
или несвоевременным, что опасно для здоровья мн огих заболевших людей.
Разработка диагностических средств нового поколения на основе АОА позволит
решить многие из этих проблем.
1 – предметное стекло 28 х 75 мм,
2 – полимерная пленка с клеевым слоем,
3 – отверстие для подачи питательной среды, 4 – окно
ростовой площадки,
5 – алюминиевая фольга.
Постановка задачи
При создании миниатюрных диагностических средств для микробиологического
анализа одной из основных проблем является создание биосовместимых и
пригодных для интегрирования сред с заданной морфологией для формирования
ростовых платформ. Преспективным материалом, обладающим высокоаспектной
пористой структурой и экономически обоснованным, представляется АОА. Для
достижения цели данной работы необходимо решить следующие задачи:
разработать технологию создания пористых структур АОА с заданными свойствами,
интегрированных в аналитический чип в едином технологическом цикле; достич
гомогенности пористой структуры, позволяющей оптическую регистрацию кластеров
микроорганизмов, а так же прочности и надежности.
Реакция анодирования
В технологии производства интегральных
схем и элементов для ЛНЧ
широко
используется
метод
анодирования,
описываемый системой уравнений:
А
𝐌𝐞 + 𝐇𝟐 𝐎 → 𝐌𝐞𝐱 𝐎𝐲 + 𝟐𝐇 + + 𝐞, в области анода
e + 2 𝑯𝟐 𝑶 → 𝑯𝟐 ↑ + 2𝑶𝑯− (в области катода).
Фотографии миниатюрных ростовых платформ. Размер ростовой зоны 1 мм.
Толщина 100 мкм. Тип пленки определяется составом электролита и
параметрами процесса анодирования. Электролит на основе 5% серной
кислоты.
(А) Схематическое изображение фрагмента АОА пористого типа
На поверхности анода происходит окисление металла, а у катода –
выделение восстановленного из воды водорода. К металлам, которые
можно анодировать с образованием относительно толстой оксидной пленки,
относятся AL, Ta, Nb, Ti, Zr. Эти оксиды проявляют асимметрию
проводимости, т. е. обладают вентильными свойствами (образуются АОП с
хорошими диэлектрическими свойствами: электрическое
сопротивление ≥1014 Ом×м, электрическая прочность ≥108 В×м-1, ширина
запрещенной зоны >3эВ).
Огромные возможности открываются при оксидировании металлов в
растворах электролитов, поскольку применение различных электролитов
позволяет варьировать структуру и морфологию пленок и, как следствие,
их свойства.
В
С
Лабораториная установка для анодирования
Установка содержит источник тока, амперметр, ванну для анодирования.
Отличительной особенностью явлется анодирование ростовых площадок,
встроенных в сэндвич-структуру, которая далее используется для анализа.
В качестве катода использовали графитовый картон, встроенный в
сэндвич-структуру, симметричную анодируемому изделию. Для
преодоления краевых эффектов величины «апертуры» анода и катода
равны.
D
Изображения
фрагмента пористой
структуры АОА .
Размер пор 100 – 200
нм (В), 30-50нм (С).
(D) – схема
устройства ячейки
для выращивания
микроорганизмов
АОА мембраны как класс
самоорганизующихся материалов являются
высоко упорядоченным и биосовместимым
субстратом с регулярным размером пор, их
равномерной плотностью, высокой
пористостью и большой площадью
поверхности. Эти важные свойства
являются полезными для различных
применений АОА мембран в биотехнологии
и медицине, начиная от биофильтрации,
опорных конструкций, биодатчиков,
покрытий имплантов, системы доставки
лекарств и каркасов для тканевой
инженерии.
В данной работе рассматривается использование АОА в микробиологической
ЛНЧ в качестве субстрата для миниатюрной ростовой платформы. Это
позволит радикально сократить время микробиологического анализа,
повысить точность и, благодаря портативности, сделать его
децентрализованным и доступным для широкой врачебной практики. Это
внесет вклад в решение проблемы хронизации и носительства инфекций,
сократит срок временной нетрудоспособности, инвалидизации и смертности
населения из-за бактериальных инфекций, благодаря оперативной
постановке диагноза и эффективного использования антибиотиков.
Литература
1. Патент на изобретение № 2522005. Способ выращивания колоний микробных клеток
и устройство для его осуществления. Заявл. 30.12.2011. Заявитель: Санкт-Петерб. гос.
электротехн. ун-т. Авторы: Т.М. Зимина, А.В.Соловьев, В.В.Лучинин, Е.Н.Соколова,
Л.А.Краева, Г.Я. Ценева, Н.И.Мухуров.
2. Ingham CJ, Sprenkels A, Bomer J, et al. The micro-Petri dish, a million-well growth chip
for the culture and high-throughput screening of microorganisms / Proc Natl Acad Sci U S A.
2007. Vol. 104(46). P. 18217-22.
2. Т. М.Зимина, В. В. Лучинин, Е. Н. Муратова и др. Принципы создания гибридных
миниатюрных приборов для выращивания колоний микробных клеток на основе
пористого анодного оксида алюминия. / НМСТ. 2013. № 12. С. 19-33.