MİNYATÜR LABORATUVARLAR – 2

Geçen ay mikro-akışkanlar teknolojileri ile üretilen minyatür laboratuvarların avantajlarından ve tasarımında göz önünde bulundurulması gereken kriterlerden bahsetmiştik. Bu yazımızda ise basitçe minyatür laboratuvarların üretim yöntemlerinden ve popüler bir minyatür laboratuvar hammaddesi olan PDMS’den (polidimetilsiloksan) bahsedeceğiz. Yazı dizimizin üçüncü bölümünde ise tamamen mikro akışkanlar teknolojileri ile üretilmiş minyatür laboratuvar uygulamalarını inceleyeceğiz.

Minyatür Laboratuvarları Üretmek
Her yıl µBA (mikro bütüncül analiz) sistemleri üzerinde yayınlanan binlerce yayın bir kaç cm² boyutlarında bir çip üzerinde bir çok kimyasal, biyolojik testin yapılması fikrinin araştırmacılar için heyecan verici yeni bir alan olduğunu gösteriyor. Ancak nanolitre (10^-9) ya da pikolitre (10^-12) miktarlarında sıvıların hareket ettirilmesine olan ihtiyacın tarihi 1950’lere kadar gidiyor. İlk mikro akışkan teknolojisi ile üretilen sistemler bugün hepimizin kullandığı mürekkep püskürtme sistemlerinin ataları olan uygulamalar. Mikro akışkan uygulamalarının önemli bir dönüm noktası 1979 yılında silikon yonga (wafer) üzerinde mikro kanallar kullanılarak üretilen gaz kromatografı. 1980 ve 1990’lı yıllar ise mikro üretim tekniklerinin geliştiği, silikon kullanılarak mikro pompaların, mikro valflerin(vana) üretiminin başladığı ve günümüzdeki heyecan verici minyatür laboratuvar uygulamalarının önünün açıldığı yıllar. Anahtarlar, kapasitör, motor gibi elektrik ve mekanik bileşenlerin mikro boyutlarda bulunduğu sistemlere Mikro Elektro-Mekanik Sistemler (MEMS) adı veriliyor. Bu sistemler günümüzde bir çok yerde kullanılıyorlar. Biz sıradan insanlara en yakın örnek olarak arabamızın hava yastığını tetikleyen sistem ya da Sony Playstation’ın joystick açısını ölçen sistem ya da projektörlerin içerisindeki mikro ayna sistemleri gösterilebilir^[1,2,3].

Mikro elektro-mekanik sistemler ile mikro akışkanlar teknolojilerini birleştiren ilk minyatür laboratuvar uygulamaları silikon ve cam yongalar üzerinde gerçekleştirilmiş. Silikon ve cam üzerinde mikro kanalların, kamaraların üretimi dağlama ya da oymabaskı adı verilen bir teknikle yapılıyor. Dağlama işlemi ıslak (güçlü asit ya da bazlarla) ve kuru (iyonize edilmiş gazlarla) olarak yapılabiliyor. Şekil 1’de dağlama işleminin çok basit anlatımını görebilirsiniz. Alt tabaka (silikon ya da cam) önce dağlama sırasında zarar görmemesi amacı ile koruyucu malzeme ile kaplanıyor(a). Daha sonra bu tabakanın üzerine ışığa duyarlı bir malzeme uygulanıyor(b). Işığa duyarlı tabaka, elde edilecek şekle uygun olarak şeffaf ve ışık geçirmeyen alanları önceden tasarlanmış bir maske üzerinden ultraviyole(UV) ışınlarına tabi tutuluyor. Karanlık odada fotoğraf bastı iseniz maskeyi negatif fotoğraf, ışığa duyarlı tabakayı ise fotoğraf kağıdı olarak düşünebilirsiniz. Negatifi agrandizöre bağladıktan sonra uyguladığınız ışık ise UV ışınları oluyor bu durumda(c). Bir sonraki aşamada ise ışığa duyarlı tabaka banyo ediliyor ve ışığa maruz kalmış kısımlar tabakanın üzerinden temizleniyor(d). Işığa maruz kalan kısımların temizlenmesi ile ortaya çıkan koruyucu tabaka (genelde bir tür oksit) dağlanarak alt tabakada (cam, silikon) işlem uygulanacak kısımlar açığa çıkarılıyor(e). Işığa duyarlı tabakanın kalıntılarının temizlenmesinin ardından(f) açığa çıkan yonga yüzeylerinin dağlanması ile tasarımı yapılan sistemin yonga üzerine gravür baskısı yapılmış oluyor(g). İstenilen sistemin elde edilmesi başarıldıktan sonra koruyucu tabakanın kaldırılması ile işlem tamamlanıyor(h)^[3].

µBA sistemlerinde silikon kullanılmasının çeşitli dezavantajları var. Mikro bütüncül analiz sistemlerinin işlevlerini yerine getirmesi için kanallar içerisinde hareket eden sıvıların ayrıştırılması gerekiyor. Analizi yapılacak sıvılar kapiler elektroforez adı verilen ve iyonların elektrik alan altındaki hareket özelliklerinden faydalanan bir yöntemle ayrıştırılıyorlar. Silikonun dağlanması ile yapılan biyoçipler kapiler elektrofez sırasında kullanılan yüksek potansiyel farkları ile uyumlu değiller. Ayrıca ışığın görünür dalga boylarında silikon ışığı geçirmeyen karaktere sahip. Bu nedenle biyoçiplerde silikon kullanımı hareket eden sıvıların dışarıdan gözlemlenmesinde ya da analizin yapılmasında sorunlar çıkarabiliyor. Cam silikona göre daha iyi optik ve elektrik özelliklere sahip olduğunda sıklıkla kullanılıyor^[3]. Ancak günümüzün en popüler malzemesi olan polimerler bir çok alanda olduğu gibi bu alanda da baş köşeye oturmuş durumdalar. Mikro akışkanlar uygulamalarında sıklıkla kullanılan polimerlerden bazıları Tablo 1’de gösterilmiştir.

Minyatür laboratuvarlar üretiminde polimerlerin kullanılabilmesi için geliştirilen birbirinden farklı teknikler ve üretim süreçleri var. Sıcak gofre baskı (Şekil 2), enjeksiyon baskı, termal şekillendirme bunlardan bazıları. En sık kullanılan üretim yöntemi ise PDMS (polidimetilsiloksan – detaylı bilgi birazdan) olarak adlandırılan polimerin dökümü. Döküm deyince hemen aklınıza erimiş metallerin devasa potalarda taşındığı, kumdan maçaların, ağır kalıpların kullanıldığı üretim süreçleri gelmesin. Mantık benzer olsa da ürünlerin ölçeği, teknolojik zorlukların türü, kullanılan malzemeler oldukça farklı. Yukarıda adı geçen bütün üretim yöntemlerinin hepsi aslında bir tür kopyalama işlemi. Üretilecek parçanın negatifi olan kalıbın üretilmesi ile başlayan kopyalama süreçleri polimerin kalıplar kullanılarak şekillendirilmesi ile devam ediyor. İstenen formu alan polimer tabaka kalıptan alınıyor ve ihtiyaç duyulan diğer montaj işlemleri yapılarak minyatür laboratuvar hazır hale getiriliyor. Üç boyutlu karmaşık sistemlerin üretilmesi için sistem katmanlara ayrılıyor. Her katman özel olarak üretilen kalıplarla yukarıda anlatıldığı gibi şekillendiriliyor. Daha sonra bu katmanlar istenilen geometriyi verecek şekilde bir araya getiriliyorlar. Kalıpların üretiminde dağlama ya da fotolitografik teknikler kullanılıyor^[3]. Şekil 3’te PDMS kullanılarak üretilen bir mikro yapının mastar üretiminden PDMS katmanının şekillendirilmesine kadar geçen üretim süreci görülebilir.

PDMS
PDMS (polidimetilsiloksan) minyatür laboratuvar uygulamalarında en yaygın olarak kullanılan silikon tabanlı organik polimer (Şekil 4). PDMS’in kullanım alanı oldukça geniş. Günlük hayatımızda kullandığımız bir çok ürününün içinde yer alıyor. Kontak lensler, şampuanlar, bazı yiyecekler, endüstriyel yağlar, seramik karolar, bit ilaçları, silikon meme implantları PDMS’in kullanıldığı tüketici ürünlerinden sadece bir kısmı. PDMS’in biyoçip üretiminde tercih edilmesinin nedenleri olarak aşağıda bahsedeceğim özellikleri gösteriliyor.

• 240 nanometre – 1100 nanometre dalga boyları arasında (görünür ışık da bu aralığa düşüyor) şeffaf olması üretilen mikro kanalların, kamaraların çıplak gözle ya da mikroskoplar ile görünmesine olanak sağlıyor^[4]. Özellikle üç boyutlu uygulamalarda farklı katmanların doğru ve hassas olarak hizalanabilmesi için mikroskop altında görülebilmeyi sağlayacak optik özellikler çok önemli^[3].
• PDMS belli sınırlar içerisinde biyo-uyumlu bir malzeme olarak kabul ediliyor^[4]. Biyo-uyumluluk özellikle doku ve hücre kullanılacak uygulamalarda tercih edilen bir özellik.
• PDMS’nin cam ya da aynı malzemeden üretilmiş farklı katmanlarla bağlanması oldukça kolay^[4]. Bu özelliği PDMS’yi farklı teknolojik uygulamalar için avantajlı hale getiriyor. Ayrıca karmaşık sistemlerin daha basit katmanlara ayrılarak üretilmesine ve bu katmanların kolayca bir araya getirilmesine olanak sağlıyor.
• PDMS visko-elastik bir malzeme. Diğer bir deyişle yüksek sıcaklıklarda ya da uzun süre kendi haline bırakıldığında ağdalı bir sıvı gibi davranıyor. Balı masaya döküp bir kahve içmeye balkona çıktığınızda balın nasıl dağıldığını ve masayı berbat ettiğini düşünün. PDMS de aynı şekilde bir yüzey üzerinde kendi haline bırakıldığında yüzeyi kaplıyor^[5]. Azıcık bir yardımla yüzey üzerindeki nano seviyedeki boşlukları bile PDMS ile doldurmak mümkün^[4]. Dolayısı ile bir kalıp kullanılarak istenilen şekli vermek diğer malzemelere göre oldukça kolay. Öte yandan PDMS düşük sıcaklıklarda ya da yüzeyle kısa süreli temas durumlarında elastik bir katı gibi davranıyor, tıpkı lastik bir top gibi^[5]. Elastik katı gibi davranabilmesi sayesinde kalıplardan kolayca ayrılabiliyor (bkz. Şekil 3). Ayrıca PDMS üzerinde oluşturulan kanalların içerisine mikro valflerin, mikro motorların kolaylıkla yerleştirilmesine olanak tanıyor^[4].
• Gaz geçirgenliği nedeni ile hücre kültürü uygulamaları için üretilen minyatür laboratuvar çiplerinde kullanımını tercih edilir hale getiriyor. Ayrıca mikro kanallara analiz edilecek sıvı doldurulmaya başlandığında kanallar içerisinde kalmış olan hava kabarcıkları PDMS içerisinden geçerek dışarı atılabiliyor^[4].

Farklı üretim süreçleri ile içli dışlı olan okuyucularımız her malzemenin artıları olduğu gibi eksileri olduğunu da bilirler. Bütün malzemeler gibi minyatür laboratuvar uygulamalarında tercih edilmesi için farklı nedenler olan PDMS her açıdan mükemmel değil. Örneğin üzerine metal bir elektrot ya da direnç bağlamak nerede ise imkansız. Ancak camla bağlanabilmesi bu problemi en aza indirebiliyor. Metal uygulamalar cam yüzey üzerinde yapılıp PDMS katmanla kapladığında mikro yapılar içerisinde elektrot ya da dirençleri yerleştirmek mümkün olabiliyor. Öte yandan bazı uygulamalarda avantajlı olan gaz geçirgenliği bazı uygulamalarda bir dezavantaja dönüşebiliyor^[4].

Minyatür Laboratuvar üretimi çok sayıda üretim yöntemi ve farklı özelliklere sahip malzemelerin arasından seçim yapmayı gerektiren, araştırmacıların yeni yöntemler, çözümler ve malzemeler üzerinde çalışmaya devam ettiği bir alan. Günümüzde üretilmiş çok sayıda farklı minyatür laboratuvar uygulaması var. Bunlardan bazıları son kullanıcılar tarafından sıklıkla kullanılıyor. Yazı dizimizin birinci bölümünde adı geçen yanal kapiler hareket prensibi ile çalışan hamilelik testleri son kullanıcıya ulaşanlardan. Ayrıca tüketiciye ulaşmamış araştırmacıların, ilaç ya da araştırma şirketlerinin kendi kullanımları için geliştirdikleri uygulamalar da var. Yukarıda üretim yöntemlerine, malzemelerine çok basitçe değindiğimiz minyatür laboratuvar uygulamalarının örneklerine yazı dizimizin üçüncü ve son bölümünde bakacağız.

Meraklısına

Stanford Microfluidics Foundry’den Michael Robles Çok Katmanlı Yumuşak Litografi işlemini anlatıyor. İngilizce.