Este trabalho de doutorado apresenta o desenvolvimento de novas tecnologias para fabricação de microsistemas analíticos e detecção eletroquímica. Primeiramente, a poliuretana elastomérica, derivada de uma fonte renovável, o óleo de mamona, foi utilizada como um novo e alternativo material para fabricação de microdispositivos. Foram avaliadas as características físicas dos microcanais formados por moldagem, a compatibilidade química com solventes e eletrólitos, as características de superfície através dos ângulos de contato, o EOF em diferentes pHs e a performance analítica em experimentos de eletroforese com detecção eletroquímica. A segunda parte do trabalho apresenta o desenvolvimento de um método para a determinação simultânea de azo-corantes comumente usados na indústria alimentícia. Amaranto, amarelo crepúsculo FCF, amarelo sólido AB, ponceu 4R e vermelho 2G, foram separados e quantificados através de eletroforese em microdispositivos com detecção eletroquímica. Foram estudados e otimizados vários parâmetros que influenciaram a separação eletroforética e detecção eletroquímica, em experimentos realizados usando microdispositivos de vidro e eletrodo de trabalho de carbono vítreo. Finalmente, a terceira parte desse trabalho apresenta o uso das propriedades magnéticas e eletrocatalíticas de nanofios de níquel no desenvolvimento de um detector adaptativo magneticamente modulável para eletroforese em microdispositivos. / The development of microfluidic analytical systems has witnessed an explosive growth during the last 15 years. Particular attention has been given to microchip electrophoresis because of their fast and efficient separation capabilities. Electrochemistry detection offers considerable promise for such microfluidic systems, with features that include remarkable sensitivity, inherent miniaturization and portability, low cost, and high compatibility with microfabrication technologies. This thesis shows the development of new fabrication technologies for miniaturized analytical systems with electrochemical detection and it is presented in four chapters, Chapter I shows an introductory view of the main aspects related to miniaturization of analytical systems and amperometric detection configurations commonly coupled to microchip electrophoresis. In Chapter II, the use of elastomeric polyurethane (PU), derived from castor oil (CO) biosource, as a new material for fabrication of microfluidic devices by rapid prototyping is presented. Including the irreversible sealing step, PU microchips were fabricated in less than 1 h by casting PU resin directly on the positive high-relief molds fabricated by standard photolithography and nickel electrodeposition. Physical characterization of microchannels was performed by scanning electron microscopy (SEM) and profilometry. Polymer surface was characterized using contact angle measurements and the results showed that the hydrophilicity of the PU surface increases after oxygen plasma treatment. The polymer surface demonstrated the capability of generating an electroosmotic flow (EOF) of 2.6 × 10-4 cm2 V-1 s-1 at pH 7 in the cathode direction, which was characterized by current monitoring method at different pH values. The compatibility of PU with a wide range of solvents and electrolytes was tested by determining its degree of swelling over a 24 h period of contact. The performance of microfluidic systems fabricated using this new material was evaluated by fabricating miniaturized capillary electrophoresis systems. We used catecholamines as model analytes that were separated in aqueous solutions and detected with end-channel amperometric detection. In Chapter III, a method based on microchip electrophoresis with electrochemical detection has been developed for the simultaneous determination of Yellow AB, Red 2G, Sunset Yellow, Ponceu 4R, and Amaranth which are azo-dyes frequently added to foodstuffs. Factors affecting both separation and detection processes were examined and optimized, with best performance achieved by using a 10 mM phosphate buffer (pH 11) as running buffer and applying a voltage of 2500 V both in the separation and in the electrokinetic injection (duration 4 s). Under these optimal conditions, the target dye analytes could be separated and detected within 300 s by applying a detection potential of -1,0 V (vs. Ag/AgCl) to the glassy carbon (GC) working electrode. The recorded peaks were characterized by a good repeatability (RSD = 1,8 - 3,2%), high sensitivity, and a wide linear range. Detection limits of 3.8, 3.4, 3.6, 9.1, 15.1 ?M were obtained for Yellow AB, Red 2G, Sunset Yellow, Ponceu 4R, and Amaranth, respectively. Fast, sensitive, and selective response makes the new microchip protocol very attractive for the quantitative analysis of commercial soft drinks and candies Finally, in Chapter IV, we demonstrate for the first time the use of adaptive functional nickel nanowires for switching on demand operation of microfluidic devices. Controlled reversible magnetic positioning and orientation of these nanowires at the microchannel outlet offers modulation of the detection and separation processes, respectively. The former facilitates switching between active and passive detection states to allow the microchip to be periodically activated to perform a measurement and reset it to the passive (\"off\") state between measurements. Fine magnetic tuning of the separation process (post channel broadening of the analyte zone) is achieved by reversibly modulating the nanowire orientation (i.e., detector alignment) at the channel outlet. The concept can be extended to other microchip functions and stimuli-responsive materials and holds great promise for regulating the operation of microfluidic devices in reaction to specific needs or unforeseen scenarios.

Orientador: Ioshiaki Doi / Tese (doutorado) - Universidade Estadual de Campinas, Faculdade de Engenharia Elétrica e de Computação / Made available in DSpace on 2018-08-20T21:32:16Z (GMT). No. of bitstreams: 1 Neli_RobertoRibeiro_D.pdf: 20995056 bytes, checksum: 0072f9af377dc8c222632b4d9608b5b0 (MD5) Previous issue date: 2012 / Resumo: Este trabalho tem como objetivo a fabricação e caracterização de sensores térmicos descritos como bolométricos, que são dedicados a detecção da radiação infravermelha distante. Estes sensores são construídos a partir de técnicas de microfabricação, utilizando filmes finos seletivos a corrosão úmida. Estas microestruturas mecânicas são formadas sobre laminas de silício a partir de um ataque químico úmido sobre a superfície da mesma. Como estas estruturas são obtidas utilizando-se técnicas convencionais de fabricação de circuitos integrados, torna-se possível a integração monolítica de circuitos eletrônicos e dispositivos mecânicos, permitindo o desenvolvimento de microssistemas integrados. O ouro poroso ou "ouro negro" foi estudado e caracterizado, sendo utilizado como absorvedor de radiação e apresentou neste trabalho índices de absorção superiores a 80%. Foi desenvolvido também um processo para integrar este filme ao dispositivo. O silício policristalino, submetido a dopagem de boro, foi desenvolvido para se obter valores de TCR próximos a -2%K-1 e resistências abaixo de 1k'ômega'. Finalmente, foram desenvolvidos os layouts, fabricadas e testadas as microestruturas de diversas geometrias, como pontes, vigas, membranas, espiras, entre outras. Os dispositivos bolométricos testados apresentaram TCR de -2,54%K-1 , um tempo de resposta de aproximadamente 2 ms, uma responsividade de 0,35 V/W e uma detectividade específica de 6,04.109 mHz1/2W-1, quando submetido a uma radiação de 0,85 THz / Abstract: This work has as a main goal the fabrication and characterization of thermal sensors, described as bolometrics, which are dedicated to detection of far infrared radiation. These sensors are fabricated using microfabrication techniques and the thin films are selectives to wet etching. These mechanical microstructures are formed on silicon wafers using a surface wet etching. As these structures are obtained using conventional techniques for CI's manufacturing, it becomes possible perform a monolithic integration of electronics and mechanical devices, allowing the integrated microsystems development. The porous gold or "gold black" used as a radiation absorber, was studied and characterized, and this study showed absorption index greater than 80%. Was developed a process to integrate this film to device. The doped polycrystalline silicon was performed to obtain TCR values near to -2% K-1 and resistance less than 1k'omega'. Finally, the layouts are designed, performed and tested the microstructure of various geometries such as bridges, beams, membranes, coils, among others. The devices tested presented TCR about -2.54% K-1, a response time of approximately 2 ms, responsivity about 0.35 V / W and specific detectivity about 6.04x109 mHz1/2W-1 when subjected to a 0,85 THz radiation / Doutorado / Eletrônica, Microeletrônica e Optoeletrônica / Doutor em Engenharia Elétrica

Orientador: Eurípedes Guilherme de Oliveira Nóbrega / Dissertação (mestrado) - Universidade Estadual de Campinas, Faculdade de Engenharia Mecânica / Made available in DSpace on 2018-08-18T17:03:25Z (GMT). No. of bitstreams: 1 Campos_CamilaDalbenMadeira_M.pdf: 9869401 bytes, checksum: bc1789824b2736168f866a07630a3abc (MD5) Previous issue date: 2011 / Resumo: Este trabalho teve como objetivo o desenvolvimento de uma microbomba de membrana acionada eletromagneticamente, tornando possível sua utilização futura em dispositivos que reúnam de maneira eficiente diversos processos microfluídicos. Para atingir este objetivo foi necessário o desenvolvimento do atuador, composto de uma membrana flexível e uma microbobina, e do modelo, aqui desenvolvido utilizando a técnica de grafos de conexão, que permita o planejamento futuro das aplicações deste dispositivo. A membrana flexível foi fabricada utilizando-se resina fotocurável de poliuretano-acrilato ou silício corroído em banho KOH e recebeu filmes de níquel puro, depositados por processo à vácuo e eletroquímico e filmes depositados eletroquimicamente da liga CoNiMnP. Tais membranas atingiram deslocamentos próximos a 1?m frente a campos magnéticos de aproximadamente 250 G. As microbobinas, produzidas por meio de deposição eletrolítica de ouro sobre alumina, foram capazes de gerar campos magnéticos ao redor de 50 G. A microbomba com câmara de bombeamento de 10 mm, fabricada com corpo em poliuretano-acrilato e com o atuador descrito apresentou um bom fluxo de líquido nos testes com água. / Abstract: This investigation was conducted to develop a new membrane micropump, magnetically actuated, able to be used in lab-on-a-chip devices. To reach this target, a new actuator was eloped, containing a microcoil and a flexible diaphragm covered with metallic film, and a bond-graph model, leading future applications planning. The diaphragm was made using photocurable polyurethane acrylate resin or silicon etched in KOH bath, covered with pure nickel films, deposited by sputtering and electroplating techniques and electroplated CoNiMnP films. Diaphragms reached 1 ?m displacement facing 250G magnetic fields. Microcoils, obtained by electroplating over alumina surfaces, produced magnetic fields close to 50G. Micropump pumping chamber diameter of 10 mm, made using polyurethane acrylate and using the described actuator produced good water flow in the tests / Mestrado / Mecanica dos Sólidos e Projeto Mecanico / Mestre em Engenharia Mecânica

Orientadores: Roberto Ricardo Panepucci, Roberto José María Covolan / Dissertação (mestrado) - Universidade Estadual de Campinas, Instituto de Física Gleb Wataghin / Made available in DSpace on 2018-08-30T01:13:32Z (GMT). No. of bitstreams: 1 BenavidesGuevara_JesusArbey_M.pdf: 3401823 bytes, checksum: 461e1559d0928ed82b7c63870d75a3e5 (MD5) Previous issue date: 2015 / Resumo: O desenvolvimento de novas tecnologias aplicadas à pesquisa da atividade elétrica do cérebro é um dos tópicos de vanguarda na atualidade em neurociências. Nas últimas décadas, dispositivos denominados sondas neurais têm sido desenvolvidos, baseados nas técnicas atuais de produção e fabricação de biomedical (ou biological) microelectromechanical systems (Bio-MEMS). Estes dispositivos permitem registrar ou estimular eletricamente diferentes regiões do cérebro in vivo, ou conjuntos de células de cultura, in vitro. A consolidação desta nova tecnologia fornece uma ferramenta de alta precisão para pesquisa em neurociência, além de permitir seu uso clínico em condições patológicas tais como lesão medular, acidente vascular cerebral e distúrbios neurológicos, entre outras. O desenvolvimento de sondas neurais tem-se dado através de estudos que exploram diferentes possibilidades de desenho, fabricação e utilização de novos materiais, orientado pelas possíveis vantagens biológicas, de custo e de fabricação que possam ter. De particular interesse nesta área, é o entendimento dos mecanismos subjacentes ao comportamento eletroquímico durante estimulação e registro de atividade neuronal por microeletrodos do dispositivo, assim como a investigação de materiais que forneçam uma alta densidade de carga durante este processo. Neste projeto, foram fabricadas e caracterizadas sondas neurais baseadas no polímero SU-8, tanto quanto se saiba, as primeiras desenvolvidas no Brasil. Apresenta-se as metodologias empregadas nos processos de fabricação, em que foram testados diferentes protótipos de sondas e sondas funcionais com diferentes geometrias. Metais como Ti/Au, Ti, Cr/Au e TiN foram depositados por meio de sputtering e eletrodeposição. As propriedades eletroquímicas destes materiais condutores foram determinadas por técnicas de voltametria cíclica e espectroscopia de impedância eletroquímica. As sondas de Ti/Au foram as que apresentaram os melhores resultados em nossa pesquisa, tendo em vista a metodologia de fabricação utilizada, que manteve a integridade física dos microeletrodos e do dispositivo em geral, não obstante certas inomogeneidades apresentadas em diferentes etapas da fabricação, que ainda demandam um maior entendimento. Em conclusão, as sondas funcionais de Ti/Au produzidas e caracterizadas neste trabalho se apresentam como um dispositivo potencialmente adequado para registro da atividade neural em modelos animais / Abstract: The development of new technologies applied to the research of the cerebral electrical activity is one of the leading topics in neuroscience today. In recent decades, the so-called neural probe devices have been developed, based on current production and manufacturing techniques of biomedical (or biological) microelectromechanical systems (BioMEMS). These devices allow one to record or electrically stimulate different brain regions in vivo, or systems of cultured cells in vitro. The consolidation of this new technology provides a highly accurate tool for research in neuroscience, and allows their clinical use in pathological conditions such as spinal cord injury, stroke and neurological disorders, among others. The development of neural probes have been given through studies exploring different possibilities of design, manufacture and use of new materials, guided by the possible advantages they might have in terms of biology, manufacturing process and costs. Of particular interest in this area is the understanding of the mechanisms underlying the electrochemical behavior during stimulation and recording of neuronal activity by the microelectrodes of the device, as well as the research of materials providing a high density of charge during this process. In this project, were manufactured and characterized neural probes based on SU-8 polymer, to our knowledge the first developed in Brazil. The methods used in the manufacturing processes are presented for the various tested prototypes of probes and functional probes with different geometries. Metals such as Ti/Au, Ti, Cr/Au and TiN were deposited by sputtering and electrodeposition. The electrochemical properties of these conducting materials were determined by cyclic voltammetry and electrochemical impedance spectroscopy. Probes of Ti/Au showed the best results in our research, taking into consideration the manufacturing methodology, which kept the physical integrity of microelectrodes and the device in general, despite certain inhomogeneities presented in different stages of the manufacturing process, which still demand a greater understanding. In conclusion, the functional Ti/Au probes produced and characterized in this work have shown to be a potentially suitable device for recording neural activity in animal models / Mestrado / Física / Mestre em Física / 2012/151275-2 / CNPQ

Este trabalho tem como objetivo a confecção e caracterização de guias de onda de GeO2-PbO e TeO2-ZnO. Os guias de onda foram produzidos a partir de filmes finos e vidros usando diferentes procedimentos. Os filmes foram produzidos usando a técnica de RF \"magnetron sputtering\" e foram caracterizados por meio de várias análises. Em especial, a microscopia eletrônica de varredura foi indispensável para definição dos melhores processos para a construção dos guias de onda, o maior desafio do trabalho, pois não havia na literatura trabalhos desta natureza com os materiais em questão. Os guias nos filmes foram construídos sobre substratos de silício, utilizando-se os processos convencionais de microeletrônica: limpeza química, oxidação térmica, deposição por \"sputtering\", litografia óptica e corrosões úmidas e por plasma. Os diversos testes realizados com estes processos permitiram encontrar as melhores condições (corrosão por plasma de SF6, resiste AZ-5214 e remoção com microstripper 2001) para a implementação de guias de onda \"rib\" com largura de 1 à 10 m usando profundidades de 70 nm para o guia de GeO2-PbO e de 90 nm para o guia de TeO2-ZnO. Os guias de ondas rib de PbO-GeO2 e TeO2-ZnO foram analisados opticamente quanto às perdas por propagação. Ambos apresentaram guiamento multimodo (TE) e os valores de atenuação experimentais obtidos foram de 2,2 dB/cm para o guia de GeO2-PbO e 1,5 dB/cm para o guia de TeO2-ZnO em 633 nm. Estes valores dependem da rugosidade superficial e lateral dos guias de ondas, da uniformidade dos filmes empregados e da diferença entre os índices de refração. Realizamos simulações do guiamento óptico em estruturas planares e tipo rib, para obter as atenuações no guiamento. Os resultados calculados foram compatíveis aos encontrados experimentalmente Os guias de onda feitos com vidros de GeO2-PbO-Ga2O3 e TeO2-GeO2-PbO utilizaram a técnica de escrita direta de laser de femtosegundos. Os melhores parâmetros de escrita dos guias produzidos foram para a velocidade de 0,05 mm/s e potência do laser de 10W. Para esta condição, o vidro de TeO2-GeO2-PbO apresentou perdas de 6,8 dB (para comprimento de 0,75 cm) e o vidro de GeO2-PbO-Ga2O3, 7,0 dB (para comprimento de 0,9 cm), em 633 nm. Este trabalho apresentou o desenvolvimento da tecnologia adequada para a produção de guias de onda formados por novos materiais, teluretos e germanatos, promissores para a optoeletrônica e fotônica. / The objective of this work is the production and characterization of GeO2-PbO and TeO2-ZnO waveguides. The waveguides were produced using thin films and glasses by means of different procedures. The films were produced using the RF magnetron sputtering method and characterized by a variety of techniques. In particular, scanning electron microscopy was essential to optimize the processes involved in producing the waveguides. This was one the fundamental challenge of this work since there are no reports in the literature describing these processes on such materials. The thin film waveguides were produced on top of a silicon substrate using conventional microelectronic procedures: chemical cleaning, thermal oxidation, sputtering deposition, optical lithography and wet chemical corrosion or plasma etching. Several tests performed using these processes enabled the determination of the best condition (SF6 etching, AZ-5214 resist and resist removal with microstripper 2001) for the implementation of rib waveguides with 1 to 10 m width and average depth of 70 nm for GeO2-PbO and 90 nm for TeO2-ZnO. For the rib waveguides of PbO-GeO2 and TeO2-ZnO the propagation losses were optically measured. Both systems presented a multimode (TE) guiding with attenuation values of 2.2 dB/cm for PbO-GeO2 and 1.5 dB/cm for TeO2-ZnO at 633 nm. These values depend heavily on the surface and lateral roughness, on the uniformity of the films and on the difference between the refractive index. We conducted computer simulations of optical guiding in planar and rib structures in order to estimate the guiding losses. The calculated values were compatible with the experimental results. Glasses waveguides of GeO2-PbO-Ga2O3 and TeO2-GeO2-PbO were produced using the direct writing technique with a femtosecond laser. The structures were analyzed optically in order to determine the overall propagation losses. The optimized writing parameters were 0.05 mm/s speed with 10 W laser power. Using these parameters we obtained for the propagation losses at 633 nm, 6.8 dB (for 0.75 cm length) and 7.0 dB (for 0.9 cm length) for TeO2-GeO2-PbO and GeO2-PbO-Ga2O3, respectively. This work presents the development of an adequate technology for the production of waveguides composed of new materials with promising applications for optoelectronics and photonics.

Este trabalho tem como objetivo a confecção e caracterização de guias de onda de GeO2-PbO e TeO2-ZnO. Os guias de onda foram produzidos a partir de filmes finos e vidros usando diferentes procedimentos. Os filmes foram produzidos usando a técnica de RF \"magnetron sputtering\" e foram caracterizados por meio de várias análises. Em especial, a microscopia eletrônica de varredura foi indispensável para definição dos melhores processos para a construção dos guias de onda, o maior desafio do trabalho, pois não havia na literatura trabalhos desta natureza com os materiais em questão. Os guias nos filmes foram construídos sobre substratos de silício, utilizando-se os processos convencionais de microeletrônica: limpeza química, oxidação térmica, deposição por \"sputtering\", litografia óptica e corrosões úmidas e por plasma. Os diversos testes realizados com estes processos permitiram encontrar as melhores condições (corrosão por plasma de SF6, resiste AZ-5214 e remoção com microstripper 2001) para a implementação de guias de onda \"rib\" com largura de 1 à 10 m usando profundidades de 70 nm para o guia de GeO2-PbO e de 90 nm para o guia de TeO2-ZnO. Os guias de ondas rib de PbO-GeO2 e TeO2-ZnO foram analisados opticamente quanto às perdas por propagação. Ambos apresentaram guiamento multimodo (TE) e os valores de atenuação experimentais obtidos foram de 2,2 dB/cm para o guia de GeO2-PbO e 1,5 dB/cm para o guia de TeO2-ZnO em 633 nm. Estes valores dependem da rugosidade superficial e lateral dos guias de ondas, da uniformidade dos filmes empregados e da diferença entre os índices de refração. Realizamos simulações do guiamento óptico em estruturas planares e tipo rib, para obter as atenuações no guiamento. Os resultados calculados foram compatíveis aos encontrados experimentalmente Os guias de onda feitos com vidros de GeO2-PbO-Ga2O3 e TeO2-GeO2-PbO utilizaram a técnica de escrita direta de laser de femtosegundos. Os melhores parâmetros de escrita dos guias produzidos foram para a velocidade de 0,05 mm/s e potência do laser de 10W. Para esta condição, o vidro de TeO2-GeO2-PbO apresentou perdas de 6,8 dB (para comprimento de 0,75 cm) e o vidro de GeO2-PbO-Ga2O3, 7,0 dB (para comprimento de 0,9 cm), em 633 nm. Este trabalho apresentou o desenvolvimento da tecnologia adequada para a produção de guias de onda formados por novos materiais, teluretos e germanatos, promissores para a optoeletrônica e fotônica. / The objective of this work is the production and characterization of GeO2-PbO and TeO2-ZnO waveguides. The waveguides were produced using thin films and glasses by means of different procedures. The films were produced using the RF magnetron sputtering method and characterized by a variety of techniques. In particular, scanning electron microscopy was essential to optimize the processes involved in producing the waveguides. This was one the fundamental challenge of this work since there are no reports in the literature describing these processes on such materials. The thin film waveguides were produced on top of a silicon substrate using conventional microelectronic procedures: chemical cleaning, thermal oxidation, sputtering deposition, optical lithography and wet chemical corrosion or plasma etching. Several tests performed using these processes enabled the determination of the best condition (SF6 etching, AZ-5214 resist and resist removal with microstripper 2001) for the implementation of rib waveguides with 1 to 10 m width and average depth of 70 nm for GeO2-PbO and 90 nm for TeO2-ZnO. For the rib waveguides of PbO-GeO2 and TeO2-ZnO the propagation losses were optically measured. Both systems presented a multimode (TE) guiding with attenuation values of 2.2 dB/cm for PbO-GeO2 and 1.5 dB/cm for TeO2-ZnO at 633 nm. These values depend heavily on the surface and lateral roughness, on the uniformity of the films and on the difference between the refractive index. We conducted computer simulations of optical guiding in planar and rib structures in order to estimate the guiding losses. The calculated values were compatible with the experimental results. Glasses waveguides of GeO2-PbO-Ga2O3 and TeO2-GeO2-PbO were produced using the direct writing technique with a femtosecond laser. The structures were analyzed optically in order to determine the overall propagation losses. The optimized writing parameters were 0.05 mm/s speed with 10 W laser power. Using these parameters we obtained for the propagation losses at 633 nm, 6.8 dB (for 0.75 cm length) and 7.0 dB (for 0.9 cm length) for TeO2-GeO2-PbO and GeO2-PbO-Ga2O3, respectively. This work presents the development of an adequate technology for the production of waveguides composed of new materials with promising applications for optoelectronics and photonics.

Este trabalho demonstra o uso da fotopolimerização via absorção de dois fótons na produção de microestruturas dopadas com compostos orgânicos e nanopartículas de Au. A capacidade de produção de microestruturas com propriedades variadas é extremamente relevante, pois viabiliza o desenvolvimento de uma nova geração de dispositivos ópticos. Além disso, realizamos a conexão entre as microestruturas fabricadas e fontes de excitação, por meio de nanofibras de vidro. A integração entre essas estruturas, e destas com meios externos de excitação e detecção, é um passo essencial para o desenvolvimento de microcircuitos fotônicos, que podem representar uma nova revolução tecnológica, a exemplo do que foram os microcircuitos eletrônicos. Exploramos as possibilidades de dopagem da resina usando: (i) um composto fluorescente, (ii) um composto com birrefringência fotoinduzida e (iii) nanopartículas de ouro. Microestruturas contendo Rodamina B apresentaram boa integridade estrutural e fluorescência, tendo sido usadas para demonstrar a conexão dos microelementos com meios externos de excitação. Através de nanofibras e de micromanipuladores, comprovamos a capacidade de excitação seletiva de microestruturas através do guiamento da luz de um laser de Ar+. Estruturas birrefringentes foram obtidas pela dopagem com o azopolímero HEMA-DR13. Montamos um aparato que permite a observação da dinâmica de indução de birrefringência nas microestruturas, o qual representa um grande passo na caracterização deste tipo de microelementos. Com base nesse estudo, foi possível alcançar uma fração de birrefringência residual nas microestruturas de 35%. Por fim, propomos um método para a dopagem de microestruturas poliméricas com nanopartículas de ouro. Por se tratar de um método de dopagem indireta, ele evita interferências das nanopartículas no processo de microfabricação. Dessa forma, este trabalho abre possibilidades para a fabricação de microdispositivos funcionais com diversas propriedades especiais, bem como a integração desses microdispositivos em circuitos fotônicos. / This work demonstrates the use of two-photon photopolymerization in the fabrication of microstructures doped with organic compounds and gold nanoparticles. The ability to produce microstructures with different properties is extremely relevant, because it opens the possibility for the development of a new generation of optical devices. Besides, we have accomplished the connection between fabricated microstructures and excitation sources by means of silica nanowires. The connection among structures and with external means of detection and excitation is an essential step towards the development of new technological breakthrough in photonic microcircuits. We have explored the resin doping possibilities by using: (i) a fluorescent compound, (ii) a photoinduced birefringent compound and (iii) gold nanoparticles. Rhodamine B doped microstructures present good structural integrity and fluorescence, and were able to demonstrate the connection of microelements with external means of excitation. Through the use of nanofiber tapers and micromanipulators, we have shown the selective excitation capability of this method by guiding Ar+ laser light onto one single microstructure. Birefringent samples were obtained by doping the resin with the azopolymer HEMA-DR13. We have assembled an apparatus that allows observing the photoinduced birefringence dynamics, which represents a great step towards a better characterization of these kinds of microelements. Based on this study we were able to achieve a residual birefringence fraction of 35% in microscopic samples. Finally, we have proposed a new method for the doping of polymeric microstructures with gold nanoparticles. Because it is an indirect doping technique, it prevents gold nanoparticles from interfering with the microfabrication process. Thus, the work presented here paves the way for the fabrication of functional microdevices with a wide range of special properties, as well as for the connection of these microstructures for photonic microcircuit.

O projeto de novos materiais para aplicações tecnológicas em biomateriais e bioengenharia é altamente dependente de como as células aderem à superfície de um material. A adesão e crescimento em biomateriais depende de propriedades do substrato, tais como molhabilidade da superfície, a topografia e a composição química de superfície. O objetivo deste estudo foi investigar as interações de diversos materiais com culturas celulares de células epitelial CHO (Ovário de Hamster Chinês). Os materiais utilizados foram SU-8 2005 (elétron-resiste, Microchem), PDMS (Poli (dimetil siloxano), Down Corning), DLC (Diamond-like Carbon) e vidro foi utilizado como referência. Superfícies de vidro, SU-8, PDMS e DLC lisas (planas) e isentas de modificação ou tratamento específico foram avaliadas quanto ao cultivo de células CHO. Valores médios dos fatores de forma (Ff) de 450 células foram calculados para cada uma das culturas realizadas sobre os 4 substratos. Foram obtidos Ff próximos a 0,52 para o vidro, o SU-8 liso e o DLC, demonstrando um bom espraiamento das células nessas superfícies. A superfície de PDMS apresentou valor unitário para o fator de forma (Ff), que está relacionado a um baixo espraiamento das células. A energia de superfície (ES) obtida para o PDMS é compatível com o resultado de fator de forma (Ff), uma vez que o menor valor para ES é coerente com a baixa adesão celular, o que gerou células com elevado fator de forma (Ff). O SU-8 foi modificado por implantação iônica com uma dose de 1,2x1016 átomos/cm2 e a energia de implantação foi de 8 keV, como referência foi utilizada uma superfície lisa de SU-8 sem implantação. Os resultados mostraram que o número de células vivas por unidade de área foi superior na superfície de SU-8 com prata implantada, mostrando o bom desempenho da cultura nesse substrato. As superfícies de DLC modificadas por tratamento com plasma de oxigênio (DLC-O) e com plasma de hexafluoreto de enxofre (DLC-F) foram utilizadas para cultura celular, os resultados de três experimentos independentes de contagem de número de núcleos (marcados com DAPI) por unidade de área confirmaram os resultados obtidos através do teste de viabilidade (marcados com trypan blue). A superfície de DLC-O, apresentou um maior número de núcleos por unidade de área, quando comparado à superfície DLC-F, da mesma forma que nos resultados obtidos pelo teste de viabilidade. As energias de superfície para as amostras de DLC-F e DLC-O indicaram que a superfície DLC-O é mais hidrofílica do que a superfície DLC-F, que está coerente com o que é conhecido da literatura e com os resultados obtidos em nosso trabalho. Cultura de células CHO foram realizadas em superfícies litografadas com estruturas hexagonais periódicas com o parâmetro 2R (diâmetro do círculo inscrito) sendo 12 µm, 30 µm, 80 µm, 280 µm, 560 µm e também em SU-8 liso. Estas superfícies foram caracterizadas por microscopia óptica de fluorescência com relação ao número de núcleos (marcados com o fluoróforo DAPI) por unidade de área, isto é, núcleos/mm2. Obteve-se histogramas com o número médio de núcleos por mm2 em três experimentos independentes, onde o número núcleos/mm2 foi consideravelmente maior para 80 µm. As superfícies contendo cavidades periódicas de 12 µm e 30 µm apresentaram dificuldade para as células CHO aderirem à superfície. Em uma outra etapa realizou-se culturas celulares em triplicata dos substratos com as superfícies 12 µm, 80 µm, 280 µm, 560 µm e também em SU-8 liso. As células em cada uma das superfícies foram analisadas por microscopia óptica (MO) para avaliação da viabilidade celular, utilizando marcador trypan blue. Obteve-se histogramas com os valores médios para o número de células vivas/mm2 para as culturas celulares que corrobora os resultados obtidos no histograma da cultura celular que tiveram os núcleos marcados pelo fluoróforo DAPI. Assim, fica confirmado o melhor desempenho da cultura celular no substrato 80 µm que apresentou o maior número de células vivas/mm2 As micrografias obtidas através de marcação por DAPI foram analisadas através da função de correlação com intuito de se entender como as células estavam organizadas. Isso foi feito para cada uma das superfícies litografadas, 12 µm, 30 µm, 80 µm, 280 µm, 560 µm e também em SU-8 liso. As superfícies dos substratos 80 µm apresentaram os menores valores de distâncias para primeiros e segundos vizinhos, ou seja, as células estão mais próximas umas das outras. As demais superfícies tendem a separar mais as células. Obteve-se também os valores de raio de aglomerado (rc), distância entre os aglomerados (dc) e o número de primeiros vizinhos (Np) através do ajuste da função de correlação. A análise de correlação mostrou com clareza o que não era evidenciado apenas visualizando-se as imagens. Ela mostra que as células, mesmo em SU-8 liso tem a forte tendência de formar aglomerados de células com raio de aproximadamente 45 µm. No caso de substratos lisos, células CHO apresentaram a melhor adesão na superfície do SU-8, seguido do DLC, enquanto que o PDMS foi a pior situação, devido à baixa molhabilidade do material. No caso de superfícies com microestrutura, SU-8 contendo microcavidades hexagonais de 12 e 30 µm mostraram ser as situações mais adversas para o crescimento de células CHO, provavelmente por causa da topografia das cavidades serem de menor tamanho quando comparadas ao tamanho das células CHO. Em vez disso, SU-8, contendo microcavidades hexagonais de 80 µm foi a superfície mais favorável para o crescimento de células CHO. / The design of new materials for technological applications in biomaterials and bioengineering is highly dependent on how the cells adhere to the material surface. The cells adhesion and growth on biomaterials depends on substrate properties such as surface wettability, topography and the chemical composition. The aim of this study was to investigate the interactions of various materials with cell cultures of epithelial cells CHO (Chinese Hamster Ovary). The materials used were SU-8 2005 (electron resists, Microchem), PDMS (poly (dimethyl siloxane), Dow Corning), DLC (Diamond-like Carbon) and glass was used as reference. Unmodified and flat surfaces of glass, SU-8, PDMS and DLC were evaluated for the culture of CHO cells. Form factor (Ff) values were calculated as average of 450 cells for each of the cultures performed on the four substrates. Ff close to 0.52 was obtained for flat surfaces of glass, SU-8 and DLC, showing a good cell spreading on these surfaces. The surface of PDMS presented a form factor (Ff) near unity, which is related to low spreading cell. The surface energy (ES) obtained for the PDMS is coherent with the Ff result, since the smallest value of ES is consistent with the low cell adhesion, which resulted in cells with a high Ff. The SU-8 was modified by ion implantation using a dose of 1.2x1016 atoms/cm2 and an implantation energy of 8 keV, unmodified flat SU-8 was used as a reference. The cell culture results showed that the number of live cells per unit area was greater in the SU-8 surface implanted with silver, showing a good performance in the culture substrate. The DLC surfaces modified by plasma treatment with oxygen (DLC-O) and sulfur hexafluoride (DLC-F) were used for cell culture. The results of three independent experiments, counting the number of nuclei (marked with DAPI) per unit area, confirmed the results obtained by the viability test (marked with trypan-blue). The surface of the DLC-O had higher number of nuclei per unit area when compared to the surface of the DLC-F, similarly to the results obtained for the viability test. The surface energies of the DLC-F and DLC-O samples indicated that the DLC-O surface is more hydrophilic than the DLC-F surface, which is consistent with results obtained with our work and with the literature. CHO cell culture were performed on surfaces with periodic hexagonal structures with the diameter of inscribed circle (2R) given by 12 µm, 30 µm, 80 µm, 280 µm, 560 µm and also on flat SU-8. These surfaces were characterized by fluorescence optical microscopy with respect to the number of nuclei (marked with fluorophore DAPI) per unit area, i.e. nuclei/mm2. Histograms were obtained for the average number of nuclei per mm2 in three independent experiments, where the substrate with periodic hexagonal structures with 2R = 80 µm presented considerably higher nuclei/mm2. Surfaces containing periodic cavities of 2R =12 µm and 30 µm were adverse for CHO cells adhesion. In another approach, cell culture were analyzed by light microscopy (LM) for evaluation of cell viability using trypan-blue marker. This was carried out in triplicate cell culture on substrates with surfaces 12 µm, 80 µm, 280 µm, 560 µm and also on flat SU-8. Histograms were generated for average number of living cells/mm2 for each substrate, which corroborates with the results obtained for the cell culture marked with fluorophore DAPI. Thus, it is confirmed the better performance of the cell culture on substrates with 2R = 80 µm, presenting the highest number of living cells/mm2. The micrographs obtained with cells marked with DAPI were analyzed through the correlation function with the aim of understanding how the cells were organized. This was performed for each of the lithographed surfaces 12 µm, 30 µm, 80 µm, 280 µm, 560 µm and also flat SU-8. The surfaces of the substrates with 2R = 80 µm had the lowest values for length between its neighbors, that is, the cells are closer to each other. The remaining surfaces tend to separate the cells. Also were obtained the cluster radius values (rc), the distance between the clusters (dc) and the number of nearest neighbors (Np) through the correlation function fitting. The correlation analysis clearly showed what was not possible to observe by viewing the images. It shows that the cells, even in flat SU-8, have a strong tendency to form clusters of cells within about 45 micrometers. In the case of flat substrates, CHO cells exhibited better adhesion to the surface of SU-8, followed by the DLC, while the PDMS was worse due to low wettability of the material. In the case of surfaces with microstructures, SU-8 containing hexagonal microstructures of 12 and 30 µm showed to be the most adverse conditions for the CHO cell growth, probably because of the topography of the cavities being smaller in size compared to the size of CHO cells. SU-8 with 80 µm hexagonal microstructures was more favorable surface for the growth of CHO cells.

Made available in DSpace on 2015-05-14T13:21:46Z (GMT). No. of bitstreams: 1 parte1.pdf: 2204692 bytes, checksum: df26e8eadaeacfb0702b39229f465ea2 (MD5) Previous issue date: 2010-03-17 / Coordenação de Aperfeiçoamento de Pessoal de Nível Superior - CAPES / This work describes the construction of a new flow-batch analyzer (FB) in micro scale (micro Flow-Batch-μFBA) using the technique of deep ultraviolet photolithography with commercial resin based in urethane acrylate oligomers (UA). The device was constructed from the union of two layers of pre-polymerized resin of 3.4 mm thick each, thus forming a single structure. The main feature of the new device is the small volume of its analysis chamber, which can be 100-200 μL, allowing the homogenization of reagent solutions in a time of 2.s. In this sense, the decrease in reagents consumption and hence generation of waste (ten times smaller than a conventional FB), wich is in line with the requirements of green chemistry and with the new position of the eco-efficiency. The system offers the following progress in relation to micro fabrication with urethane acrylate resin: (i) depth control of the channels during photolithography; (ii) axial mixer incorporated; (iii) LED - Light emitting diode (530 nm) and detector (photodiode) coupled to the device body; The depth control of the channels allows adjustment of the volume of the chamber and the LED to the mixing chamber. The LED and detector connector pins is the elements that makes the device fixed on its box. In this first assembly, system were used in photometric determination of Fe (II) in pharmaceuticals. The model for the calibration curve was validated by analysis of variance (ANOVA), and their analytical results were compared with those obtained in batch by the reference method, the application of paired t-test found no statistically significant differences at a confidence level of 95%. / No presente trabalho é descrita a construção de um novo analisador Flow- Batch (FB) em escala micro (micro Flow-Batch - μFBA) utilizando a técnica de fotolitografia profunda no ultravioleta com resina comercial à base de oligômeros uretano e acrilato (UA). O dispositivo foi construído a partir da união de duas camadas da resina pré-polimerizada de 3,4 mm de espessura cada uma, formando assim uma estrutura única. A característica principal do novo dispositivo é o pequeno volume da câmara de análise, que pode ser de 100 a 200 μL, permitindo a homogeneização das soluções reagentes em um tempo de 2.s. Nesse sentido, a diminuição do consumo de reagentes e, conseqüentemente, de resíduos gerados (dez vezes menor que um FB convencional), apontam na direção dos requisitos da química verde e se alinham com a nova postura da ecoeficiência. O sistema apresenta os seguintes avanços em relação à microfabricação com resina uretanoacrilato: (i) controle da profundidade dos canais durante a fotolitografia; (ii) agitador do tipo axial incorporado; (iii) LED emissor de luz (530nm) e detector (fotodiodo) acoplados ao corpo do dispositivo. O controle da profundidade permitiu o ajuste do volume da câmara e do LED à câmara de mistura. Os próprios pinos conectores do LED e do detector foram utilizados como elementos de fixação da peça em sua caixa. Nesta primeira montagem, o sistema foi empregado na determinação fotométrica de Fe (II) em medicamentos. O modelo para a curva de calibração foi validado através da Análise de Variância (ANOVA), e seus resultados analíticos foram comparados com aqueles obtidos em análises de referência através da aplicação do teste-t emparelhado, não apresentando diferenças estatísticas significativas a um nível de confiança de 95%.

Este trabalho demonstra o uso da fotopolimerização via absorção de dois fótons na produção de microestruturas dopadas com compostos orgânicos e nanopartículas de Au. A capacidade de produção de microestruturas com propriedades variadas é extremamente relevante, pois viabiliza o desenvolvimento de uma nova geração de dispositivos ópticos. Além disso, realizamos a conexão entre as microestruturas fabricadas e fontes de excitação, por meio de nanofibras de vidro. A integração entre essas estruturas, e destas com meios externos de excitação e detecção, é um passo essencial para o desenvolvimento de microcircuitos fotônicos, que podem representar uma nova revolução tecnológica, a exemplo do que foram os microcircuitos eletrônicos. Exploramos as possibilidades de dopagem da resina usando: (i) um composto fluorescente, (ii) um composto com birrefringência fotoinduzida e (iii) nanopartículas de ouro. Microestruturas contendo Rodamina B apresentaram boa integridade estrutural e fluorescência, tendo sido usadas para demonstrar a conexão dos microelementos com meios externos de excitação. Através de nanofibras e de micromanipuladores, comprovamos a capacidade de excitação seletiva de microestruturas através do guiamento da luz de um laser de Ar+. Estruturas birrefringentes foram obtidas pela dopagem com o azopolímero HEMA-DR13. Montamos um aparato que permite a observação da dinâmica de indução de birrefringência nas microestruturas, o qual representa um grande passo na caracterização deste tipo de microelementos. Com base nesse estudo, foi possível alcançar uma fração de birrefringência residual nas microestruturas de 35%. Por fim, propomos um método para a dopagem de microestruturas poliméricas com nanopartículas de ouro. Por se tratar de um método de dopagem indireta, ele evita interferências das nanopartículas no processo de microfabricação. Dessa forma, este trabalho abre possibilidades para a fabricação de microdispositivos funcionais com diversas propriedades especiais, bem como a integração desses microdispositivos em circuitos fotônicos. / This work demonstrates the use of two-photon photopolymerization in the fabrication of microstructures doped with organic compounds and gold nanoparticles. The ability to produce microstructures with different properties is extremely relevant, because it opens the possibility for the development of a new generation of optical devices. Besides, we have accomplished the connection between fabricated microstructures and excitation sources by means of silica nanowires. The connection among structures and with external means of detection and excitation is an essential step towards the development of new technological breakthrough in photonic microcircuits. We have explored the resin doping possibilities by using: (i) a fluorescent compound, (ii) a photoinduced birefringent compound and (iii) gold nanoparticles. Rhodamine B doped microstructures present good structural integrity and fluorescence, and were able to demonstrate the connection of microelements with external means of excitation. Through the use of nanofiber tapers and micromanipulators, we have shown the selective excitation capability of this method by guiding Ar+ laser light onto one single microstructure. Birefringent samples were obtained by doping the resin with the azopolymer HEMA-DR13. We have assembled an apparatus that allows observing the photoinduced birefringence dynamics, which represents a great step towards a better characterization of these kinds of microelements. Based on this study we were able to achieve a residual birefringence fraction of 35% in microscopic samples. Finally, we have proposed a new method for the doping of polymeric microstructures with gold nanoparticles. Because it is an indirect doping technique, it prevents gold nanoparticles from interfering with the microfabrication process. Thus, the work presented here paves the way for the fabrication of functional microdevices with a wide range of special properties, as well as for the connection of these microstructures for photonic microcircuit.