Tytu\u0142: O przep\u0142ywach w mikroskali, czyli zabawy z kropelkami<\/strong><\/p>\n\n\n\n Opis prezentacji:<\/p>\n\n\n\n Mikrofluidyka to dziedzina nauki, po\u015bwi\u0119cona przep\u0142ywom cieczy i gaz\u00f3w w kana\u0142ach o wymiarach rz\u0119du 10-100 \u00b5m. Na aren\u0119 bada\u0144 wkroczy\u0142a w ko\u0144c\u00f3wce lat 70-tych XX w. Od tamtego czasu sta\u0142a si\u0119 p\u0142aszczyzn\u0105 rozwoju dla miniaturowych uk\u0142ad\u00f3w o szeregu zastosowa\u0144, takich jak: szybkie sekwencjonowanie DNA, wczesne wykrywanie i identyfikacja patogen\u00f3w i toksyn, badania stopnia zanieczyszczenia \u015brodowiska, detekcja pojedynczych moleku\u0142 czy modelowanie przep\u0142yw\u00f3w cieczy fizjologicznych w \u017cywych organizmach. Warunki panuj\u0105ce wewn\u0105trz uk\u0142ad\u00f3w mikrofluidycznych eksponuj\u0105 zjawiska i oddzia\u0142ywania, kt\u00f3re w makroskali s\u0105 istotne jedynie na granicach pomi\u0119dzy r\u00f3\u017cnymi o\u015brodkami, np. napi\u0119cie powierzchniowe czy si\u0142y kapilarne. Daje to zupe\u0142nie inny wgl\u0105d w wiele proces\u00f3w fizycznych. Spo\u015br\u00f3d nich chcieliby\u015bmy bli\u017cej przyjrze\u0107 si\u0119 emulgacji, czyli powstawaniu emulsji z dw\u00f3ch niemieszaj\u0105cych si\u0119 ze sob\u0105 cieczy. W szczeg\u00f3lno\u015bci poka\u017cemy, jak przy u\u017cyciu technik mikrofluidycznych kontrolowa\u0107 to zjawisko.<\/p>\n\n\n\n W czasie przygotowania pokazu wykorzystali\u015bmy nast\u0119puj\u0105ce urz\u0105dzenia dost\u0119pne w laboratoriach Nanotech:<\/p>\n\n\n\n a tak\u017ce aparatur\u0119 i akcesoria udost\u0119pnione dzi\u0119ki uprzejmo\u015bci dra in\u017c. Tomasza Kami\u0144skiego z Wydzia\u0142u Biologii Uniwersytetu Warszawskiego<\/p>\n\n\n\n Historia zaczyna si\u0119 w 2025 r., kiedy to skontaktowa\u0142 si\u0119 z nami dr in\u017c. Tomasz Kami\u0144ski z Wydzia\u0142u Biologii naszego uniwersytetu. Poszukiwa\u0142 on laboratorium, w kt\u00f3rym razem ze swoimi wsp\u00f3\u0142pracownikami m\u00f3g\u0142by wytwarza\u0107 kluczowe komponenty uk\u0142ad\u00f3w do\u015bwiadczalnych, w jakich prowadz\u0105 swoje badania.<\/p>\n Grupa Tomasza Kami\u0144skiego dysponowa\u0142a grantem, w ramach kt\u00f3rego mo\u017cliwy by\u0142 zakup nowych urz\u0105dze\u0144 technologicznych. Biolodzy nie dysponowali jednak przestrzeni\u0105 laboratoryjn\u0105, kt\u00f3ra tym urz\u0105dzeniom gwarantowa\u0142aby prac\u0119 w optymalnych warunkach. Po\u0142\u0105czyli\u015bmy zatem si\u0142y i tak oto w naszym laboratorium pojawi\u0142a si\u0119 nowa dziedzina, jak\u0105 jest mikrofluidyka.<\/p>\n\n\n W ramach grantu zosta\u0142y zakupione 2 urz\u0105dzenia. Jako pierwszy w naszym laboratorium pojawi\u0142 si\u0119 profilometr optyczny<\/strong>, a wi\u0119c uk\u0142ad, kt\u00f3ry w oparciu o zjawisko interferencji \u015bwiat\u0142a, umo\u017cliwia badania topografii powierzchni z nanometrow\u0105 rozdzielczo\u015bci\u0105 w kierunku pionowym.<\/p>\n Drugim urz\u0105dzeniem jest natomiast uk\u0142ad do bezmaskowej litografii laserowej<\/strong> w zakresie UV, stanowi\u0105cy doskona\u0142e uzupe\u0142nienie mo\u017cliwo\u015bci, jakie do tej pory oferowa\u0142 posiadany ju\u017c wcze\u015bniej w laboratorium uk\u0142ad do bezmaskowej litografii projekcyjnej.<\/p>\n Obydwa te urz\u0105dzenia zosta\u0142y zakupione z projektu, kt\u00f3rego celem jest opracowanie szybkiej i multipleksowej metody oznaczania lekooporno\u015bci bakterii za pomoc\u0105 technologii mikroprzep\u0142yw\u00f3w kroplowych.\u00a0<\/p>\n\n\n Szeroko\u015bci kana\u0142\u00f3w mikrofluidycznych s\u0105 tego samego rz\u0119du wielko\u015bci co \u015brednice ludzkich w\u0142os\u00f3w. Wygl\u0105d typowych kana\u0142\u00f3w mikrofluidycznych pokazuje zdj\u0119cie, kt\u00f3re zosta\u0142o wykonane skaningowym mikroskopem elektronowym.<\/p>\n\n\n Wytwarzanie uk\u0142ad\u00f3w mikrofluidycznych odbywa si\u0119 najcz\u0119\u015bciej technikami tzw. mi\u0119kkiej litografii, kt\u00f3rej uproszczony przebieg pokazany jest na schemacie. Na pocz\u0105tku pokryte \u017cywic\u0105 \u015bwiat\u0142oczu\u0142\u0105 pod\u0142o\u017ce poddawane jest na\u015bwietleniu promieniowaniem UV przez mask\u0119 ze wzorem uk\u0142adu mikrofluidycznego. Ze wzgl\u0119du na typowe rozmiary kana\u0142\u00f3w mikrofluidycznych, do ich wytwarzania wykorzystuje si\u0119 \u017cywice negatywowe, czyli takie, kt\u00f3re po wywo\u0142aniu pozostaj\u0105 na pod\u0142o\u017cu w miejscach na\u015bwietlonych, gdzie wskutek kontaktu z promieniowaniem UV dochodzi do utwardzenia \u017cywicy. Tak otrzymany negatyw uk\u0142adu mikrofluidycznego jest nast\u0119pnie zalewany odpowiednio grub\u0105 warstw\u0105 polimeru, najcz\u0119\u015bciej polidimetylosiloksanu, w skr\u00f3cie PDMS. Po odgazowaniu w niskiej pr\u00f3\u017cni i st\u0119\u017ceniu, w warstwie tej powstaje replika formy z \u017cywicy negatywowej, kt\u00f3r\u0105 dzi\u0119ki w\u0142a\u015bciwo\u015bciom lepkospr\u0119\u017cystym PDMS mo\u017cna \u0142atwo odczepi\u0107 od pod\u0142o\u017ca. Z jednej formy mo\u017cna uzyska\u0107 bardzo wiele replik. Przedostatnim etapem jest zamkni\u0119cie kana\u0142\u00f3w mikrofluidycznych w warstwie PDMS czwart\u0105 \u015bciank\u0105, kt\u00f3rej rol\u0119 mo\u017ce pe\u0142ni\u0107 np. druga warstwa PDMS, albo p\u0142aska powierzchnia szklana, krzemowa, czy kwarcowa. Finalny krok to wykonanie przepust\u00f3w, kt\u00f3re umo\u017cliwiaj\u0105 pod\u0142\u0105czenie do uk\u0142adu mikrofluidycznego rurek doprowadzaj\u0105cych i odprowadzaj\u0105cych p\u0142yny oraz przy\u0142\u0105czy na inne akcesoria, np. \u015bwiat\u0142owody. Nasi koledzy z Wydzia\u0142u Biologii wykorzystuj\u0105 do tego celu tzw. sztance biopsyjne.<\/p>\n Technika wytwarzania urz\u0105dze\u0144 mikrofluidycznych za pomoc\u0105 masek litograficznych dobrze sprawdza si\u0119 w przypadku produkcji na masow\u0105 skal\u0119. Do bada\u0144 o charakterze prototypowym du\u017co lepiej nadaj\u0105 si\u0119 uk\u0142ady do litografii bezmaskowej, takie jak zakupiony niedawno do naszego laboratorium, w kt\u00f3rym zapisany w pliku elektronicznym wz\u00f3r jest na\u015bwietlany przez wi\u0105zk\u0119 laserow\u0105, pod kt\u00f3r\u0105 porusza si\u0119 pokryte \u017cywic\u0105 pod\u0142o\u017ce.\u00a0<\/p>\n\n\n R\u00f3\u017cnego rodzaju urz\u0105dzenia mikrofluidyczne s\u0105 wykorzystywane do wytwarzania emulsji, a wi\u0119c uk\u0142ad\u00f3w z\u0142o\u017conych z dw\u00f3ch niemieszaj\u0105cych si\u0119 ze sob\u0105 p\u0142yn\u00f3w. W zastosowaniach makroskopowych precyzyjna kontrola rozmiar\u00f3w i jednorodno\u015bci kropel, kt\u00f3re tworz\u0105 tak zwan\u0105 faz\u0119 rozproszon\u0105 w emulsji, na og\u00f3\u0142 nie jest konieczna. Zupe\u0142nie inaczej wygl\u0105da to w przypadku mikrofluidyki kroplowej, gdzie sterowanie przebiegiem procesu emulgacji, czyli powstawania emulsji, odgrywa kluczow\u0105 rol\u0119.<\/p>\n Jako przyk\u0142ad mo\u017cemy poda\u0107 tutaj badania kinetyki reakcji chemicznych, w kt\u00f3rych ka\u017cda kropla, w jakiej dana reakcja zachodzi, pe\u0142ni funkcj\u0119 osobnego mikroreaktora. Zagwarantowanie, \u017ce krople maj\u0105 ten sam rozmiar i obj\u0119to\u015b\u0107 jest w takim przypadku niezb\u0119dne do zapewnienia, \u017ce reakcja w ka\u017cdej z nich b\u0119dzie przebiega\u0142a tak samo.<\/p>\n Wytwarzanie kropli w uk\u0142adach mikrofluidycznych odbywa si\u0119 technik\u0105 nazywan\u0105 ogniskowaniem przep\u0142ywu. Po raz pierwszy zosta\u0142a ona zaproponowana nieco ponad 20 lat temu w urz\u0105dzeniu przedstawionym na slajdzie. Sk\u0142ada\u0142o si\u0119 ono z trzech wej\u015b\u0107, przew\u0119\u017cenia i jednego wsp\u00f3lnego wyj\u015bcia. Do dw\u00f3ch zewn\u0119trznych kana\u0142\u00f3w wprowadzany by\u0142 olej ze \u015brodkiem powierzchniowo czynnym, a centralnym kana\u0142em wp\u0142ywa\u0142a woda, pe\u0142ni\u0105ca funkcj\u0119 fazy rozproszonej. Autorzy tej pracy pokazali, \u017ce w zale\u017cno\u015bci od tego, jak dobierze si\u0119 szybko\u015b\u0107 przep\u0142ywu oleju i wody, mo\u017cna uzyska\u0107 krople o takich samych lub r\u00f3\u017cnych rozmiarach, regulowa\u0107 ich \u015brednic\u0119, cz\u0119stotliwo\u015b\u0107 wytwarzania, a tak\u017ce zmienia\u0107 miejsce powstawania w urz\u0105dzeniu.\u00a0<\/p>\n\n\n W celu opisu fizycznego procesu wytwarzania kropel w z\u0142\u0105czach mikrofluidycznych, rozwa\u017cmy z\u0142\u0105cze o nast\u0119puj\u0105cej geometrii: bocznymi kana\u0142ami wprowadzana jest faza ci\u0105g\u0142a, a g\u0142\u00f3wnym kana\u0142em z lewej strony faza rozproszona. Na pocz\u0105tku warto zastanowi\u0107 si\u0119, czym cechuj\u0105 si\u0119 mikroprzep\u0142ywy w takich kana\u0142ach. Okazuje si\u0119, \u017ce opisuj\u0105ce je liczby Reynoldsa, gdzie \u03c1<\/em> oznacza g\u0119sto\u015b\u0107 p\u0142ynu, U<\/em> \u2013 szybko\u015b\u0107, z jak\u0105 si\u0119 porusza, \u03b7<\/em> jest lepko\u015bci\u0105 dynamiczn\u0105, a h<\/em> to charakterystyczny wymiar kana\u0142u, przyjmuj\u0105 ma\u0142e warto\u015bci. Wynika st\u0105d, \u017ce s\u0105 to przep\u0142ywy laminarne, w kt\u00f3rych dominuj\u0105c\u0105 rol\u0119 odgrywaj\u0105 si\u0142y lepko\u015bci. Chc\u0105c otrzyma\u0107 wiarygodny model procesu wytwarzania kropel, a tym samym u\u017cyteczne wyniki opartych na nim symulacji, nie mo\u017cna jednak pomin\u0105\u0107 innych oddzia\u0142ywa\u0144, tzn. ci\u015bnienia wywieranego przez jedn\u0105 faz\u0119 na drug\u0105 i napi\u0119cia powierzchniowego. Nie mo\u017cna zatem pos\u0142ugiwa\u0107 si\u0119 uproszczonymi r\u00f3wnaniami ruchu p\u0142yn\u00f3w, tylko trzeba si\u0119gn\u0105\u0107 po pe\u0142ne r\u00f3wnania Naviera-Stokesa i rozwi\u0105za\u0107 je technikami numerycznymi.\u00a0<\/p>\n\n\n Przyk\u0142adowe wyniki takich oblicze\u0144 przedstawione zosta\u0142y na rysunku, kt\u00f3ry pokazuje, jak zmienia si\u0119 kszta\u0142t kropel, cz\u0119stotliwo\u015b\u0107 ich wytwarzania oraz miejsce, w kt\u00f3rym powstaj\u0105 w analizowanym z\u0142\u0105czu, w zale\u017cno\u015bci od tego, jak\u0105 warto\u015b\u0107 ma napi\u0119cie powierzchniowe fazy rozproszonej.<\/p>\n\n\n Do przeprowadzenia pokazu pos\u0142u\u017cyli\u015bmy si\u0119 uk\u0142adem, przedstawionym na zdj\u0119ciu, wypo\u017cyczonym z Wydzia\u0142u Biologii UW dzi\u0119ki uprzejmo\u015bci Tomasza Kami\u0144skiego i jego grupy.<\/p>\n Obserwacj\u0119 tego, co dzia\u0142o si\u0119 w kana\u0142ach urz\u0105dzenia mikrofluidycznego, umo\u017cliwi\u0142 nam odwr\u00f3cony mikroskop optyczny. Jego obiektywy znajduj\u0105 pod stolikiem, a obrazowanie odbywa si\u0119 w \u015bwietle przechodz\u0105cym.<\/p>\n Do mikroskopu pod\u0142\u0105czona jest bardzo szybka kamera. Umo\u017cliwia ona rejestrowanie nawet 170\u00a0000 klatek na sekund\u0119.<\/p>\n\n\n Chip mikrofluidyczny umieszczony zosta\u0142 na stoliku mikroskopu, a od g\u00f3ry pod\u0142\u0105czono do niego cztery teflonowe rurki, spo\u015br\u00f3d kt\u00f3rych trzy doprowadza\u0142y p\u0142yny do poszczeg\u00f3lnych kana\u0142\u00f3w wej\u015bciowych, a jedna odprowadza\u0142a wynikow\u0105 emulsj\u0119 do plastikowej prob\u00f3wki.\u00a0<\/p>\n\n\n Precyzyjne dozowanie p\u0142yn\u00f3w, kt\u00f3rymi w naszym przypadku by\u0142y: czysta woda, woda z dodatkiem barwnika spo\u017cywczego i perfluorowany olej, umo\u017cliwia\u0142y nam sterowane komputerowo pompy strzykawkowe.<\/p>\n Zabaw\u0119 z kropelkami przedstawiaj\u0105 za\u0142\u0105czone poni\u017cej filmy.<\/p>\n\n\n Film 1A.<\/strong> olej: 20 ul\/min, woda: 1 ul\/min, woda z barwnikiem: 1 ul\/min, z\u0142\u0105cza<\/a><\/p>\n Film 1B.<\/strong> olej: 20 ul\/min, woda: 1 ul\/min, woda z barwnikiem: 1 ul\/min, kana\u0142 wyj\u015bciowy<\/a><\/p>\n\n\n Film 2A.<\/strong> olej: 20 ul\/min, woda: 10 ul\/min, woda z barwnikiem: 10 ul\/min, z\u0142\u0105cza<\/a><\/p>\n Film 2B.<\/strong> olej: 20 ul\/min, woda: 1 ul\/min, woda z barwnikiem: 1 ul\/min, kana\u0142 wyj\u015bciowy<\/a><\/p>\n\n\n Film 3A.<\/strong> olej: 20 ul\/min, woda: 30 ul\/min, woda z barwnikiem: 10 ul\/min, z\u0142\u0105cza<\/a><\/p>\n Film 3B.<\/strong> olej: 20 ul\/min, woda: 30 ul\/min, woda z barwnikiem: 10 ul\/min, kana\u0142 wyj\u015bciowy<\/a><\/p>\n\n\n Na zdj\u0119ciu przedstawiamy przyk\u0142ad zaawansowanego urz\u0105dzenia, zaprojektowanego, wykonanego i przetestowanego przez naszych koleg\u00f3w z Wydzia\u0142u Biologii. G\u0142\u00f3wnym zastosowaniem tego konkretnego uk\u0142adu jest aktywna selekcja szczep\u00f3w bakterii, kt\u00f3re s\u0105 zdolne do przetwarzania celulozy.\u00a0<\/p>\n\n
\n
![\"\"](\"http:\/\/nanotech.fuw.edu.pl\/wp-content\/uploads\/2026\/07\/day1_XT509393-1024x682.jpg\")
<\/figure>\n\n\n\n![\"\"](\"http:\/\/nanotech.fuw.edu.pl\/wp-content\/uploads\/2026\/07\/day1_XT509360-1024x682.jpg\")
<\/figure>\n\n\n\n![\"\"](\"http:\/\/nanotech.fuw.edu.pl\/wp-content\/uploads\/2026\/07\/day1_XT509380-1024x682.jpg\")
<\/figure>\n\n\n\n![\"\"](\"http:\/\/nanotech.fuw.edu.pl\/wp-content\/uploads\/2026\/07\/day1_XT509292-1024x682.jpg\")
<\/figure>\n\n\n\n![\"\"](\"http:\/\/nanotech.fuw.edu.pl\/wp-content\/uploads\/2026\/07\/slajd-1-1024x576.jpg\")
<\/figure>\n\n\n![\"\"](\"http:\/\/nanotech.fuw.edu.pl\/wp-content\/uploads\/2026\/07\/slajd-2-1024x576.jpg\")
<\/figure>\n\n\n![\"\"](\"http:\/\/nanotech.fuw.edu.pl\/wp-content\/uploads\/2026\/07\/slajd-4-1024x576.jpg\")
<\/figure>\n\n\n![\"\"](\"http:\/\/nanotech.fuw.edu.pl\/wp-content\/uploads\/2026\/07\/slajd-6-1024x576.jpg\")
<\/figure>\n\n\n![\"\"](\"http:\/\/nanotech.fuw.edu.pl\/wp-content\/uploads\/2026\/07\/slajd-7-1024x576.jpg\")
<\/figure>\n\n\n![\"\"](\"http:\/\/nanotech.fuw.edu.pl\/wp-content\/uploads\/2026\/07\/slajd-8a-1024x576.jpg\")
<\/figure>\n\n\n![\"\"](\"http:\/\/nanotech.fuw.edu.pl\/wp-content\/uploads\/2026\/07\/slajd-8b-1024x576.jpg\")
<\/figure>\n\n\n![\"\"](\"http:\/\/nanotech.fuw.edu.pl\/wp-content\/uploads\/2026\/07\/slajd-9a-1024x576.jpg\")
<\/figure>\n\n\n![\"\"](\"http:\/\/nanotech.fuw.edu.pl\/wp-content\/uploads\/2026\/07\/slajd-9b-1024x576.jpg\")
<\/figure>\n\n\n![\"\"](\"http:\/\/nanotech.fuw.edu.pl\/wp-content\/uploads\/2026\/07\/slajd-9c-1024x576.jpg\")
<\/figure>\n\n\n![\"\"](\"http:\/\/nanotech.fuw.edu.pl\/wp-content\/uploads\/2026\/07\/slajd-d4-1024x576.jpg\")
<\/figure>\n\n\n![\"\"](\"http:\/\/nanotech.fuw.edu.pl\/wp-content\/uploads\/2026\/07\/slajd-d5-1024x576.jpg\")
<\/figure>\n\n\n![\"\"](\"http:\/\/nanotech.fuw.edu.pl\/wp-content\/uploads\/2026\/07\/slajd-d6-1024x576.jpg\")
<\/figure>\n\n\n![\"\"](\"http:\/\/nanotech.fuw.edu.pl\/wp-content\/uploads\/2026\/07\/slajd-10a-1024x576.jpg\")
<\/figure>\n\n\n
![\"\"](\"http:\/\/nanotech.fuw.edu.pl\/wp-content\/uploads\/2026\/07\/slajd-10b-1024x576.jpg\")
<\/figure>\n\n\n![\"\"](\"http:\/\/nanotech.fuw.edu.pl\/wp-content\/uploads\/2026\/07\/slajd-10c-1024x576.jpg\")
<\/figure>\n\n\n![\"\"](\"http:\/\/nanotech.fuw.edu.pl\/wp-content\/uploads\/2026\/07\/slajd-10d-1024x576.jpg\")
<\/figure>\n\n\n![\"\"](\"http:\/\/nanotech.fuw.edu.pl\/wp-content\/uploads\/2026\/07\/slajd-d1-1024x576.jpg\")
<\/figure>\n\n\n\n![\"\"](\"http:\/\/nanotech.fuw.edu.pl\/wp-content\/uploads\/2026\/07\/slajd-d2-1024x576.jpg\")
<\/figure>\n\n\n\n![\"\"](\"http:\/\/nanotech.fuw.edu.pl\/wp-content\/uploads\/2026\/07\/slajd-d3-1024x576.jpg\")
<\/figure>\n\n\n\n![\"\"](\"http:\/\/nanotech.fuw.edu.pl\/wp-content\/uploads\/2026\/07\/slajd-K-1024x576.jpg\")
<\/figure>\n\n\n\n