Neste trabalho são apresentados resultados relativos ao desenvolvimento de um processo de fabricação para a produção de sistemas de microcanais em vidro tipo borosilicato, 7059 Corning Glass. O objetivo do trabalho é implementar um processo básico, mas completo, de fabricação de sistemas microfluídicos em vidro, que possam futuramente ser aprimorados com a introdução de dispositivos ópticos e eletrônicos e de elementos microfluídicos ativos, como válvulas e microbombas, para sensoreamento e controle de fluxo. O processo de fabricação foi dividido em três grandes etapas, sendo a primeira delas, a produção dos microcanais, envolvendo processos como litografia e corrosão úmida. Nos estudos de corrosão procurou-se uma solução que permitisse a obtenção de canais com superfície uniforme e lisa, sem a produção de resíduos durante a corrosão do vidro. Os melhores resultados foram obtidos com a solução HF + HCl + H2O (1:2:3), com a possibilidade de produzir canais com até 150 µm de profundidade. A segunda etapa do processo de produção dos sistemas microfluídicos envolveu o encapsulamento dos microcanais, o que foi feito através de um processo de soldagem direta (vidro com vidro) à temperatura ambiente, com aplicação de pressão entre 0,1 a 1,0 MPa. Os melhores resultados nesta etapa envolveram pressões acima de 0,5 MPa, podendo-se obter cerca de 95 - 100% da área das lâminas soldadas. A terceira etapa do processo de fabricação engloba a interconexão com o meio externo, envolvendo a produção dos furos no vidro para entrada e saída de líquidos e a introdução dos tubos de acesso para o meio externo. Para a produção dos furos foi desenvolvido um sistema posicionador computarizado que movimenta o substrato de vidro nas direções x, y e z com precisão de alguns micrometros, garantindo o alinhamento necessário entre as duas lâminas de vidro que devem ser soldadas para encapsular os microcanais. Os furos foram feitos com broca diamantada de uso odontológico fixa em uma furadeira comum. Cateteres e scalps de uso médico foram empregados como tubos de acesso, sendo selados com resina epóxi. Os sistemas microfluídicos fabricados foram testados monitorando o fluxo de soluções aquosas de anilina, o qual foi mantido através de bomba peristáltica. Os resultados se mostraram reprodutíveis, tendo se obtido microcanais lisos e sem resíduos, sem apresentar vazamentos e exibindo regime de fluxo tipicamente laminar. Em conjunto, estes resultados mostraram-se muito promissores para desenvolvimento futuro de aplicações em áreas como Biotecnologia e Análises Químicas. / In this work, a process for the fabrication of microchannels over borlosilicate 7059 Corning Glass is presented. The main objective is to develop a simple and complete process for the fabrication of microfluidic systems over glass, that can be further improved in the future, with the integration of optical, electronic and active microfluidic devices such as valves and micropumps, for sensing and flow control. The fabrication process has three main parts. The first part is the microchannel production, which is achieved through contact-lithography and wet etching. In the etching studies, a solution that led to the fabrication of channels with uniform and smooth surfaces, without residue formation was sought. The best results were attained with a HF + HCl + H2O (1:2:3), which allow for the production of channels with depths of up to 150 µm. The second part of the fabrication process is the microchannels encapsulation, which is achieved through direct (glass-glass) bonding at room temperature, with applied pressure ranging from 0.1 to 1.0 MPa. The best results were obtained with pressure values above 0.5 MPa, which allowed for the bonding of up to 95 -100% of the glass sufaces. The third part of the fabrication process concerns the interconnection with the outside environment, which involves hole production and the introduction of tubes, to allow external access of liquids. For the hole production, a computer controlled positioning system was developed, for accurate positioning of the glass substrate in the x, y and z directions, with a precision of a few micrometers. This system guaranteed the necessary alignment of the upper and lower glass substrates, which were bonded for the encapsulation of the microchannels. The holes were made with diamond burs with a common drill. Medical catheters and scalps were used as access tubes, with epoxy resin. The characterization of the fabricated microfluidic systems was achieved by monitoring the flow of aniline aqueous solutions, which was maintained through a peristaltic pump. Reproducible results were obtained, with the production smooth and residue free microchannels, which did not present leakage and exhibited a laminar flow behavior. These results are very promising for the future application of this process in the fabrication of devices for areas such as biotechnology and chemical analysis, among others.

Neste trabalho são apresentados resultados relativos ao desenvolvimento de um processo de fabricação para a produção de sistemas de microcanais em vidro tipo borosilicato, 7059 Corning Glass. O objetivo do trabalho é implementar um processo básico, mas completo, de fabricação de sistemas microfluídicos em vidro, que possam futuramente ser aprimorados com a introdução de dispositivos ópticos e eletrônicos e de elementos microfluídicos ativos, como válvulas e microbombas, para sensoreamento e controle de fluxo. O processo de fabricação foi dividido em três grandes etapas, sendo a primeira delas, a produção dos microcanais, envolvendo processos como litografia e corrosão úmida. Nos estudos de corrosão procurou-se uma solução que permitisse a obtenção de canais com superfície uniforme e lisa, sem a produção de resíduos durante a corrosão do vidro. Os melhores resultados foram obtidos com a solução HF + HCl + H2O (1:2:3), com a possibilidade de produzir canais com até 150 µm de profundidade. A segunda etapa do processo de produção dos sistemas microfluídicos envolveu o encapsulamento dos microcanais, o que foi feito através de um processo de soldagem direta (vidro com vidro) à temperatura ambiente, com aplicação de pressão entre 0,1 a 1,0 MPa. Os melhores resultados nesta etapa envolveram pressões acima de 0,5 MPa, podendo-se obter cerca de 95 - 100% da área das lâminas soldadas. A terceira etapa do processo de fabricação engloba a interconexão com o meio externo, envolvendo a produção dos furos no vidro para entrada e saída de líquidos e a introdução dos tubos de acesso para o meio externo. Para a produção dos furos foi desenvolvido um sistema posicionador computarizado que movimenta o substrato de vidro nas direções x, y e z com precisão de alguns micrometros, garantindo o alinhamento necessário entre as duas lâminas de vidro que devem ser soldadas para encapsular os microcanais. Os furos foram feitos com broca diamantada de uso odontológico fixa em uma furadeira comum. Cateteres e scalps de uso médico foram empregados como tubos de acesso, sendo selados com resina epóxi. Os sistemas microfluídicos fabricados foram testados monitorando o fluxo de soluções aquosas de anilina, o qual foi mantido através de bomba peristáltica. Os resultados se mostraram reprodutíveis, tendo se obtido microcanais lisos e sem resíduos, sem apresentar vazamentos e exibindo regime de fluxo tipicamente laminar. Em conjunto, estes resultados mostraram-se muito promissores para desenvolvimento futuro de aplicações em áreas como Biotecnologia e Análises Químicas. / In this work, a process for the fabrication of microchannels over borlosilicate 7059 Corning Glass is presented. The main objective is to develop a simple and complete process for the fabrication of microfluidic systems over glass, that can be further improved in the future, with the integration of optical, electronic and active microfluidic devices such as valves and micropumps, for sensing and flow control. The fabrication process has three main parts. The first part is the microchannel production, which is achieved through contact-lithography and wet etching. In the etching studies, a solution that led to the fabrication of channels with uniform and smooth surfaces, without residue formation was sought. The best results were attained with a HF + HCl + H2O (1:2:3), which allow for the production of channels with depths of up to 150 µm. The second part of the fabrication process is the microchannels encapsulation, which is achieved through direct (glass-glass) bonding at room temperature, with applied pressure ranging from 0.1 to 1.0 MPa. The best results were obtained with pressure values above 0.5 MPa, which allowed for the bonding of up to 95 -100% of the glass sufaces. The third part of the fabrication process concerns the interconnection with the outside environment, which involves hole production and the introduction of tubes, to allow external access of liquids. For the hole production, a computer controlled positioning system was developed, for accurate positioning of the glass substrate in the x, y and z directions, with a precision of a few micrometers. This system guaranteed the necessary alignment of the upper and lower glass substrates, which were bonded for the encapsulation of the microchannels. The holes were made with diamond burs with a common drill. Medical catheters and scalps were used as access tubes, with epoxy resin. The characterization of the fabricated microfluidic systems was achieved by monitoring the flow of aniline aqueous solutions, which was maintained through a peristaltic pump. Reproducible results were obtained, with the production smooth and residue free microchannels, which did not present leakage and exhibited a laminar flow behavior. These results are very promising for the future application of this process in the fabrication of devices for areas such as biotechnology and chemical analysis, among others.

Orientador: Fabiano Fruett / Dissertação (mestrado) - Universidade Estadual de Campinas, Faculdade de Engenharia Elétrica e de Computação / Made available in DSpace on 2018-08-21T04:02:00Z (GMT). No. of bitstreams: 1 Ribeiro_LuizEduardoBento_M.pdf: 4022818 bytes, checksum: d2a40b9cee4f59bc80ec0b09a97c31a8 (MD5) Previous issue date: 2012 / Resumo: A integração de sistemas microeletrônicos em lab-on-a-chip está sendo cada vez mais necessária para concretizar novas aplicações dentro do emergente campo da microfluídica. Tanto na química quanto na bioquímica e até mesmo na medicina e bioengenharia, a microfluídica evolui conquistando um espaço crescente. Entretanto, desafios tecnológicos residem na sua complexa fabricação e integração com sistemas eletrônicos. Neste trabalho, foi desenvolvido um sistema sensor que emprega métodos de fabricação compatíveis tanto com a microeletrônica quanto com a microfluídica. Este sistema sensor é baseado em uma microponte de impedância composta por quatro capacitores interdigitados. Neste sistema, o fluido, guiado por um canal ou armazenado em um reservatório fabricado em polidimetilsiloxano (PDMS), passa sobre a microponte enquanto um termistor, fabricado no mesmo substrato, permite monitorar a temperatura do sistema durante a medida. A microponte é formada de eletrodos interdigitados arranjados de forma a permitir a utilização de um circuito eletrônico de condicionamento que pode ser construído bem próximo do elemento sensor. O trabalho foi validado comparando-se a função de transferência experimental do sensor, usando como analito a mistura etanol-água, com a função de transferência teórica obtida através de simulação baseada em elementos finitos. Identificamos a importância da deposição de um filme fino de boa qualidade para a proteção dos eletrodos de referência e sua influência na função de transferência experimental. Ainda, devido à utilização de materiais inertes como ouro, vidro e PDMS, o sistema sensor, com alguns ajustes, pode ser empregado para outras aplicações: desde o monitoramento da pureza e concentração de líquidos até a caracterização de filmes finos sensíveis a patógenos e fármacos / Abstract: The integration of microelectronic systems in lab-on-a-chip is being increasingly required to implement new applications on the emerging field of microfluidics. Both in chemistry and biochemistry, and even in medicine and bioengineering, microfluidics evolves gaining a growing space. However, technological challenges lie in its complex manufacturing and integration with electronic systems. In this work, we developed a sensor system that employs both fabrication methods compatible with microelectronics and with microfluidics. This sensor system is based on an impedance microbridge composed of four interdigitated capacitors. In this system, the fluid which is guided by a channel or is stored in a reservoir made of polydimethylsiloxane (PDMS), passes over the microbridge while a thermistor fabricated on the same substrate allows monitoring of the system temperature during the measurement. The microbridge is made of interdigitated electrodes arranged so as to allow the use of an electronic conditioning circuit that can be built very close to the sensor element. The study was validated by comparing experimental transfer function of the sensor, using the ethanol-water mixture as analyte, with the theoretical transfer function obtained by simulation based on finite element method. We identified the importance of depositing a good quality thin film for the protection of reference electrodes and its influence on experimental transfer function. Also, due to the use of inert materials such as gold, glass and PDMS, the sensor system, with some adjustments, can be used for other applications: from monitoring of the concentration and purity of liquid to the characterization of thin films sensitive to drugs and pathogenic agents / Mestrado / Eletrônica, Microeletrônica e Optoeletrônica / Mestre em Engenharia Elétrica

Orientadores: Rosiane Lopes da Cunha, Fernanda Yumi Ushikubo / Dissertação (mestrado) - Universidade Estadual de Campinas, Faculdade de Engenharia de Alimentos / Made available in DSpace on 2018-08-24T20:14:36Z (GMT). No. of bitstreams: 1 Oliveira_DaviRochaBernardesde_M.pdf: 18877035 bytes, checksum: 1668d21b0c81ea31f26e9d7c85a25644 (MD5) Previous issue date: 2014 / Resumo: A emulsificação em dispositivos microfluídicos destaca-se pela sua capacidade em gerar gotas de maneira individual em um processo totalmente controlado. Através dele, é possível a obtenção de emulsões com coeficientes de variação de tamanho de gotas inferiores a 5%. Soluções de glicerol (fluidos Newtonianos) com concentrações variando entre 10 e 75% (m/m) foram utilizadas como fase dispersa para obtenção de emulsões água em óleo em microcanais planares com junções do tipo T e Y. Como fase contínua foi utilizado óleo de soja contendo 5% (m/m) de emulsificante PGPR. Como condições de processo, quatro diferentes razões entre as vazões das fases contínua e dispersa foram avaliadas. Paralelamente, quatro soluções de goma xantana (fluidos não-Newtonianos) com concentrações variando de 0,05 a 0,50% (m/m) foram avaliadas como fase dispersa num microcanal com junção em Y, e submetidas às mesmas condições das soluções de glicerol. Em todos os sistemas avaliados, a razão entre as fases foi o fator de maior influência no tamanho das gotas formadas. Em relação aos fluidos Newtonianos, a emulsificação no canal em T se mostrou menos sensível às propriedades físicas dos fluidos, enquanto na geometria em Y, notou-se, através do cálculo dos números adimensionais de Weber e Capilar, grande influência da tensão interfacial sobre o tamanho das gotas formadas, superando a ação das forças viscosas. Em relação aos fluidos não-Newtonianos, foi observada grande diferença no processo de formação das gotas e nas características da emulsão. Gotas com elevada polidispersão foram obtidas, em especial nas soluções mais concentradas e nas maiores razões entre as vazões das fases. Esse fato se deu devido à formação das gotas ter ocorrido longe da junção dos canais, através da formação de um jato de fase dispersa. Esse jato foi intensificado nas soluções de goma xantana de maior concentração e nas condições de maiores velocidades da fase contínua. Ensaios reológicos extensionais confirmaram que, de fato, a viscosidade elongacional da solução de goma xantana aumenta com a concentração e também com a taxa de deformação elongacional, o que explicaria a formação do jato. Na solução de menor concentração de goma xantana foi possível a obtenção de gotas altamente monodispersas, embora tenha ocorrido a formação do jato no rompimento das gotas, estando essa solução numa região de transição do regime de jateamento para o regime de gotejamento. Dessa forma, pode-se verificar que no regime de gotejamento, típico dos fluídos Newtonianos, a monodispersão é uma característica bem definida. No caso do uso de fluídos viscoelásticos na fase dispersa, a obtenção de gotas monodispersas é um desafio, devido ao efeito da elevada viscosidade elongacional. Assim, torna-se necessária a avaliação de condições de processo e geometria de canal mais adequadas a esta situação de forma a diminuir a polidispersidade desses sistemas / Abstract: Emulsification in microfluidic devices is distinguished by its ability to generate droplets in a controlled and individual way, in which it is possible to obtain emulsions with polydispersity lower than 5%. Glycerol solutions (Newtonian fluids) at concentrations ranging from 10 to 75% (w/w) were used as dispersed phase in order to obtain water in oil emulsions, using Y - and T - junction microchannels. As continuous phase, soybean oil containing 5% (w/w) of emulsifier PRPG was used. Four different ratios of the flow rates of continuous and dispersed phases were evaluated in both microfluidic devices. Similarly, four xanthan gum solutions (non-Newtonian fluids) with concentrations ranging from 0,05 to 0,50% were evaluated as dispersed phase in a Y ¿ junction microchannel. In all systems, the ratio of the flow rates of the phases was the most influential factor in the size of the droplets. Regarding Newtonian fluids, the T ¿ junction microchannel was less sensitive to the fluids physical properties, while in Y ¿ junction geometry it was noted that the interfacial tensions played the main role in droplet size, overcoming the viscous forces. Regarding the non-Newtonian fluids, a large difference in the droplet generation was observed. Droplets with high polydispersity were obtained, especially in the most concentrated xanthan gum solution, when high shear forces were applied. This fact may have occurred due to the formation of a jet of the dispersed phase, from which droplets were detached without any control. This jet was intensified in xanthan solutions of higher concentration and under high velocities of the dispersed phase. Indeed, extensional rheology confirmed that the elongational viscosity of xanthan gum solution increases with concentration and also with the rate of elongational deformation, which would explain the formation of the jet. In the solution at lower concentration of xanthan, it was possible to obtain highly monodisperse droplets, although the droplets detachment still occurred in the jetting regime. This solution is herefore in a transition region between jetting and dripping regime. Thus, it was verified that the dripping regime, typical of Newtonian fluids, the monodispersity is a well-defined characteristic. On the other hand, when using viscoelastic fluids as dispersed phase, obtaining monodispersed droplets is still a challenge, due to the effect of high elongational viscosity of this fluids. In this way, it becomes necessary evaluate new process conditions and microchannel geometries in order to reach emulsions with low polydispersity / Mestrado / Engenharia de Alimentos / Mestre em Engenharia de Alimentos

Orientadores: Lucimara Gaziola de La Torre, Reinaldo Gaspar Bastos / Dissertação (mestrado) - Universidade Estadual de Campinas, Faculdade de Engenharia Química / Made available in DSpace on 2018-08-25T04:50:36Z (GMT). No. of bitstreams: 1 Oliveira_AlineFurtado_M.pdf: 2165174 bytes, checksum: d3aa7acdee3edc7f222daf3f7a82f910 (MD5) Previous issue date: 2014 / Resumo: A microfluídica é uma ciência que opera em pequenos volumes de fluídos dentro de canais em dimensões de micrômetros (10-6 m). Estes sistemas permitem controlar moléculas no espaço e no tempo, gerando resultados rápidos e confiáveis num sistema precisamente controlado e capaz de mimetizar ambientes celulares. Os dispositivos microfluídicos apresentam uma diversidade de geometrias aplicáveis para diversas áreas de pesquisas, sendo que a capacidade de formar gradientes permite avaliar as condições e o desempenho celular microbiano. Assim, este trabalho teve como objetivo desenvolver dispositivos microfluídicos capazes de formar gradiente de concentração difusivo e investigar sua aplicabilidade em bioprocessos. Diante disso, foram propostos três modelos de dispositivos usando materiais biocompatíveis: (i) dispositivo em base de vidro, denominado de Vidro-vidro; (ii) em base de vidro e poli dimetilsiloxano (PDMS), chamado de Vidro-PDMS e (iii) vidro e PDMS modificado quimicamente para tornar a superfície hidrofílica, Vidro-mPDMS. Os três dispositivos foram avaliados quanto à capacidade de formação de gradiente de concentração difusivo, os quais apresentaram um perfil linear. Além disso, validou-se o estudo do comportamento de Saccharomyces cerevisiae ATCC 7754 num gradiente de concentração de glicose de 0 a 40 g/L de glicose, sendo usado o dispositivo vidro-vidro. Foi observado que houve crescimento de células ao longo das câmaras microfluídicas, e isso possibilitou na determinação de parâmetros cinéticos, os quais não apresentaram diferença estatisticamente significativa com o cultivo em batelada convencional. As condições da microfluídica possibilitaram também a determinação da cinética de Monod, usando menores intervalos de gradiente. Portanto, este dispositivo microfluídico mostrou-se uma ferramenta com potencial para investigar comportamento celular frente à diferença de concentração e contribuirá para a otimização de bioprocessos através da determinação de parâmetros cinéticos / Abstract: Microfluidic is a science that operates in small amounts of fluids inside channels in dimensions of micrometers (10-6 m). These systems allow the precise control of molecules in space and time, generating fast and reliable results and it can also be used to mimics environment cellular . Microfluidic devices can be produced in diversity of geometries, it can be applied in several scientific areas and especially the formation of concentration gradients can be used to evaluate conditions and performance of microbial cell. Therefore, this work had the objective to develop microfluidic devices that are able to generate diffusive concentration gradients and investigate their applicability in bioprocesses. In this context, we propose three models of microfluidics devices using biocompatible materials: (i) Glass-based device, named glass-glass; (ii) glass and poli dimetilsiloxane (PDMS) based device, Glass-PDMS and (iii) glass and chemically modified PDMS (hydrophilic surface), Glass-mPDMS. The three devices were evaluated by their capacity of generating difusive concentration gradient, demonstrating linear concentration profile. Furthermore, the behavior of Saccharomyces cerevisiae ATCC 7754 inside of glucose concentration gradient ranging from 0 to 40 g/L were validated, using the glass-glass device . It was observed that cell growth along the microfluidic chambers, having determined the kinetic parameters, which was considered statistically similar to conventional batch cultivation. Conditions of microfluidics also allowed determination of the Monod kinetic, using smaller intervals gradient Therefore, the use of concentration gradient in microfluidic device is a potential tool for investigate of microbial cell behavior against the concentration difference and it can contribute to the optimization of bioprocesses through the determination of kinetic parameters / Mestrado / Desenvolvimento de Processos Biotecnologicos / Mestra em Engenharia Química

Orientador: José Alberto Fracassi da Silva / Dissertação (mestrado) - Universidade Estadual de Campinas, Instituto de Química / Made available in DSpace on 2018-08-20T05:22:01Z (GMT). No. of bitstreams: 1 Campos_RichardPifferSoaresde_M.pdf: 3349460 bytes, checksum: 5efdb4dd4409b9d1b6771593c8874edf (MD5) Previous issue date: 2012 / Resumo: Os micro sistemas de análise total consistem de dispositivos da ordem de centímetros que tem como objetivo a integração de várias etapas analíticas em um único chip, tais como etapas de tratamento de amostra, separação por eletroforese capilar, ou mesmo a integração de sensores em canais microfluídicos. O poli(dimetilsiloxano), PDMS, é um dos polímeros mais adotados para a fabricação destes microdispositivos, devido a suas propriedades elastoméricas, transparência óptica, permeabilidade gasosa, biocompatibilidade, fácil moldagem, relativa alta resistência química e baixo custo de fabricação, além de poder ser facilmente moldado e selado, resultando em microcanais com boa resolução. Além disso, é possível a fabricação de canais por ablação a laser sobre o polímero curado. Entretanto, a característica altamente hidrofóbica do PDMS faz com que sua aplicação para soluções aquosas seja problemática e analitos pouco polares possam sofrer forte adsorção nas paredes do canal, tornando pobre a reprodutibilidade do processo. Neste sentido, estratégias para modificar o material nativo ou mesmo a superfície dos canais vêm sendo estudadas. Neste trabalho, foi inicialmente estudada a modificação estrutural do PDMS, que consiste na utilização de um reticulante (contendo função orgânica polar metacrilato ou amina) na formação do substrato. Também foi realizada a modificação da superfície do substrato de PDMS por reação topológica, com a introdução de polietileno glicol, além da modificação do processo convencional de reticulação do PDMS Sylgard 184, pela adição do surfactante Silwet-L77 a este processo. O PDMS modificado foi avaliado quanto a sua hidrofobicidade, por medida do ângulo de contato com a água, em relação às propriedades do fluxo eletrosmótico gerado no microcanal e as modificações foram estudadas por métodos espectroscópicos. A reação de modificação de superfície do PDMS com divinil éter de polietileno glicol apresentou as melhores características hidrofílicas dentre as modificações estudadas e mobilidade do fluxo eletrosmótico com valor de 3,6x10 cm V s. Em adição, as modificações puderam ser caracterizadas por métodos de espectroscopia (IR e Raman), que se mostraram eficientes na avaliação tanto da rota de modificação quanto do produto final / Abstract: The micro total analysis systems consist of devices in the order of centimeters that aim to integrate several analytical steps on a single substrate, such as sample treatment, injection, or even integrated sensors on microfluidic channels. Poly(dimethylsiloxane), PDMS, is one of the most used polymers for microfabrication due to its elastomeric properties, optical transparency, gas permeability, biocompatility, relatively high chemical resistance and low fabrication costs. PDMS can also be easily cast and sealed, resulting in microchannels with good resolution. On top of that, it is possible to fabricate the microchannels using the lase ablation technique on the cured PDMS. However, the highly hydrophobic characteristic of PDMS makes its aqueous applications problematic. Moreover, non-polar analytes can adsorb on the channel walls, leading to poor reproducibility. In this sense, strategies to modify the raw material or channel surface have been proposed. In this work, the structural modification of PDMS, involving the use of a crosslinking agent (containing the methacrylate or amine polar functions) was studied. In addition, the surface modification of PDMS by topologic reaction with polyethylene glycol and the modification of the conventional PDMS Sylgard 184 crosslinking by the addition of Silwet-L77 surfactant were also performed. The hydrophobicity of modified PDMS was evaluated by water contact angle measurements and the modifications were studied by spectroscopic methods. The electroosmotic flow (EOF) generated in the microchannels was also evaluated. The best hydrophilic characteristic among the studied modifications were obtained with the polyethylene glycol divinyl ether PDMS modification. This device presented an EOF of 3,6x10 cm V s. In addition, the modifications could be characterized by spectroscopic methods (Raman and IR) and those techniques were efficient in the evaluation of the reaction routes as well as the final products / Mestrado / Quimica Analitica / Mestre em Química

Orientadores: Lucimara Gaziola de La Torre, Adriano Rodrigues Azzoni / Dissertação (mestrado) - Universidade Estadual de Campinas, Faculdade de Engenharia Química / Made available in DSpace on 2018-08-20T20:39:39Z (GMT). No. of bitstreams: 1 Balbino_TiagoAlbertini_M.pdf: 2581790 bytes, checksum: 674a2d22b439ef811cbfb642774f6d4d (MD5) Previous issue date: 2012 / Resumo: Esta pesquisa teve como objetivo o desenvolvimento tecnológico de processo microfluídico para a obtenção de vetores não virais, baseados na complexação eletrostática entre lipossomas catiônicos (LC) e DNA plasmideal (pDNA) destinados à terapia e vacinação gênica. O desenvolvimento desse processo foi comparado ao processo convencional "bulk", que, a partir da simples mistura manual entre as soluções ou em sistema de vórtice, gera dificuldade no controle do tamanho destas estruturas e pode produzir variações nos resultados biológicos e na estabilidade coloidal. Já o processo microfluídico, que utiliza dispositivos que processam pequenas quantidades de fluidos (10-9 a 10-18 litros), permite a complexação eletrostática em regime contínuo, com o controle das condições difusionais, o que também permite melhor controle do tamanho destes complexos. Metodologicamente, o trabalho foi dividido em três principais etapas: na primeira parte, foi realizado o estudo físico-químico, estrutural e biológico dos complexos pDNA/LC obtidos por processo "bulk". Nessa etapa, verificou-se a correlação das propriedades físico-químicas e estruturais dos complexos com o processo de transfecção in vitro em células HeLa. A segunda parte do trabalho visou à otimização da produção de lipossomas catiônicos em dois dispositivos microfluídicos, com uma única e com dupla focalização hidrodinâmica, de modo a se obter lipossomas similares aos estudados na primeira parte do trabalho. Na utilização do segundo dispositivo, foi possível operar em vazões volumétricas mais altas quando comparadas ao primeiro. Por fim, na terceira parte, foi realizado o estudo da complexação entre LC e pDNA por processo microfluídico também em dois diferentes dispositivos, um similar ao utilizado na segunda parte do trabalho, com focalização hidrodinâmica única, e outro com blocos regulares nas paredes do microcanal, o que aumenta a área de contato entre os fluidos. Os complexos formados no primeiro dispositivo apresentaram melhores respostas biológicas in vitro, as quais foram similares às do processo "bulk". No segundo dispositivo, ensaios de acessibilidade de sonda de fluorescencência ao DNA indicaram alteração na associação entre LC e DNA. Dessa forma, a partir dos resultados, conclui-se que os dispositivos microfluídicos estudados são uma alternativa promissora para a formação de LC e também sua complexão com pDNA em modo contínuo, tanto pela potencialidade tecnológica quanto biológica, o que contribui para o desenvolvimento de produtos farmacêuticos que veiculam DNA e que são destinados à terapia e vacinação gênica / Abstract: This research aimed at the technological development of microfluidic process for nonviral carriers production based on the electrostatic complexation between cationic liposomes (CL) and plasmidal DNA (pDNA) for gene and vaccine therapy applications. The development of this process was compared to the conventional bulk process, in which the solutions are mixed followed by the simple hand shaking or brief vortexing, what generates difficulties on the particles sizes control and can affect the biological functionality and colloidal stability of the formulations. In contrast, microfluidic process, which uses devices that manipulate small amounts of fluids (10-9 to 10-18 liters), allows the electrostatic complexation in continuous mode, controlling diffusion conditions, which also allows the colloidal control of the obtained formulations. Furthermore, microfluidic devices have minimum dimensions and operate with low energy consumption. Methodologically, the present work was carried out in three mean steps: in the first step, the physicochemical, structural and biological characteristics of the pDNA/CL complexes obtained by the bulk process were studied. In this step, it was possible to verify the correlation of physicochemical and structural properties with the transfection phenomenon in vitro of HeLa cells. The second part of this work focused the optimization of the production of CL through two microfluidic devices, with single and double hydrodynamic focusing, to obtain similar CL to those of the first step of this work. By employing the second device, it was possible to operate at higher volumetric flow rates than the first one. Finally, in the third step, it was explored the complexation between CL and pDNA via microfluidic process also in two different microfluidic devices; the first was similar to that employed in the second part of this work, with a single hydrodynamic focusing, and a second one with patterned microchannel walls, which increase the surface contact area between the fluids. The complexes formed in the first device showed better biological results in vitro, which were similar to the complexes formed in the bulk complexation method. In the patterned device, the experiments of the DNA accessibility to fluorescent probe pointed out modifications between the pDNA and CL association in the complexes. In conclusion, we showed that the studied microfluidic devices are a promising alternative for the production of CL and the complexation with pDNA in continuous mode, because of the technological and biological potentialities, which contributes to the development of feasible processes, for the production of new pharmaceutical products for gene and vaccine therapies / Mestrado / Desenvolvimento de Processos Biotecnologicos / Mestre em Engenharia Química

Orientador: Rosiane Lopes da Cunha / Dissertação (mestrado) - Universidade Estadual de Campinas, Faculdade de Engenharia de Alimentos / Made available in DSpace on 2018-08-27T01:07:13Z (GMT). No. of bitstreams: 1 Costa_AnaLeticiaRodrigues_M.pdf: 3081485 bytes, checksum: 44ad03cd2e14d1ef00c3251b254983eb (MD5) Previous issue date: 2015 / Resumo: A técnica de emulsificação em dispositivos de microfluídica é utilizada para a produção de gotas de diâmetro reduzido e distribuição de tamanho monodispersa. A gelificação da fase dispersa de emulsões água em óleo pode levar à formação de microgéis com elevado potencial para encapsulação de compostos ativos. Do ponto de vista tecnológico, a utilização de partículas de tamanho reduzido permite entrega mais fácil e liberação do bioativo de forma mais eficiente no local alvo. Este trabalho teve como objetivo estudar o processo de formação de microgéis de goma gelana em dispositivos de microfluídica utilizando a técnica de focalização hidrodinâmica. Foram avaliadas as concentrações da goma gelana de 0,5 a 0,7% (m/m) e do agente gelificante acetato de cálcio nas concentrações de 0,5 e 2,0% (m/m) para formação dos microgéis. Na primeira etapa, emulsões simples água em óleo, sendo a fase dispersa constituída de água ou dispersões aquosas de goma gelana e fase contínua constituída por uma mistura composta por óleo de soja e o emulsificante polirricinoleato de poliglicerol (PGPR), foram avaliadas quanto ao regime de formação de gotas em diferentes vazões das fases e razões entre as vazões das fases dispersa e contínua. Também foram determinadas as velocidades reais das fases dentro dos dispositivos de microfluídica e os números adimensionais de Reynolds, Capilar e Weber que descrevem o escoamento dos fluidos no microcanais. Com o controle da condição de processo, vazão de entrada das fases dispersa e contínua, foi possível observar as variações no regime de formação de gotas, que variou desde o gotejamento até o jateamento. Em geral, todas as vazões calculadas (reais) das fases foram menores do que aquelas aplicadas na bomba, sendo este resultado relacionado às limitações das dimensões dos canais e alta viscosidade das fases. Desta forma, os números de Reynolds, Capilar e de Weber calculados a partir das velocidades reais das fases foram menores quando comparados com os valores obtidos usando as velocidades impostas na bomba. Na etapa seguinte, microgéis de goma gelana foram produzidos nos microcanais e caracterizados pela distribuição de tamanho de gotas e microscopia ótica. Os microgéis possuíam formato regular e esférico e distribuição de tamanho altamente monodispersa. O potencial da utilização de microgéis de goma gelana na encapsulação de compostos ativos foi avaliado adicionando o corante hidrofílico Rhodamina B na fase aquosa. As partículas obtidas na saída do dispositivo possuíam coloração vermelha, referente à boa retenção do corante hidrofílico. Desta forma, conclui-se que os microgéis obtidos pela técnica da microfluídica poderão ser utilizados na encapsulação de compostos hidrofílicos, inclusive aqueles sensíveis à temperatura, como as vitaminas e probióticos, na imobilização de proteínas e enzimas, bem como, na entrega de drogas, pois além de apresentarem baixa polidispersidade na distribuição de tamanho das partículas mostraram elevada capacidade de retenção do corante utilizado para simular o composto ativo de interesse / Abstract: Emulsification in microfluidic devices is used for the production of droplets with reduced diameter and monodisperse particle size distribution. Gelation of the disperse phase of water in oil emulsions leads to formation of microgels with high potential for the encapsulation of active compounds. Small particle size allows more efficient release of the bioactive at the target site. This work aimed to study the production of gellan microgel using microfluidic devices through flow- focusing technique. Gellan gum concentration of 0.6% (w/w) and calcium acetate (gelling agent) in concentrations of 0.5 and 2.0% (w/w) were used for the formation of microgels. In the first step, it was evaluated of the droplets formation regime at different flow rates of the phases and flow rate ratio of the dispersed and continuous phases of water-in-oil emulsions, composed by dispersed phase of water or gellan aqueous solutions and continuous phase constituted of a mixture composed of soybean oil and the emulsifier polyglycerol polyricinoleate (PGPR). The real velocity of the phases within the microfluidic devices and dimensionless numbers of Reynols, Capilar and Weber that describe the flow of fluids in microchannels were also evaluated. By controlling the process conditions and the input flow rate of dispersed and continuous phases, variations in the drop formation regime were observed which varied from dripping to the jetting regime, such variation exerted strong influence on droplet size. In general, the real flow rate (calculated values) was lower than those applied by pump, which was related with limitations of the size of channels and high viscosity of the phases. Reynolds, Capilar and Weber numbers calculated from the real velocity were smaller compared with the values obtained using the speed imposed by pump. In the next step, gellan microgels were produced the microchannel and characterized by droplet size distribution and optical microscopy. The microgels exhibit uniform and spherical shape and highly monodisperse distribution size. Potential use as gellan microgels as encapsulating matriz of active compounds was evaluated by adding the hidrophilic dye, Rhodamine B, in the aqueous phase. Results showed a low polydispersity and high hidrophilic compound retention capacity, indicating that microgels obtained by microfluidic technique may be used for the encapsulation of hydrophilic compounds that are sensitive to temperature, such as vitamins, probiotics and immobilization of proteins and enzymes, as well as in drug delivery / Mestrado / Engenharia de Alimentos / Mestra em Engenharia de Alimentos

[pt] Devido à diminuição do número de descobertas de novas reservas de óleo e gás nas últimas décadas, as companhias de petróleo têm demonstrado um interesse cada vez maior em melhorar a eficiência dos processos de recuperação de óleo. Geralmente, após as fases de recuperação primário e secundário, uma grande quantidade de óleo permanece dentro do reservatório, pois a extração se torna não rentável. Assim, cresce o número de estudos voltados para a recuperação avançada de petróleo, com o objetivo de obter uma melhor fração de recuperação. O foco deste trabalho é estudar os fundamentos do deslocamento de óleo em meios porosos usando um microscópio confocal de varredura a laser, que possibilita visualizações 3D com boa resolução. A análise foi no deslocamento de óleo resultante da injeção de uma suspensão de capsulas de goma gelana em água após a injeção de água. Estas capsulas, movendo com a água, bloqueiam alguns dos caminhos preferenciais e forçam a água a deslocar uma parte do óleo preso. O resultado alcançado foi uma coleção de imagens 3D de meios porosos artificiais, nas quais foi possível distinguir a distribuição das fases (microcápsulas, fase aquosa e oleosa) dentro dos meios porosos, antes e após a injeção das microcápsulas. Essas imagens mostraram que as microcápsulas de goma gelana bloqueiam os caminhos preferenciais da água e que, após o bloqueio, alguns gânglios de óleo foram deslocados de suas posições originais. Esta tese aplica técnicas modernas de microscopia para examinar o conceito por trás da recuperação avançada de óleo usando microcápsulas. / [en] Thanks to decay of new discoveries of oil and gas reserves in the past decades, oil companies have a growing interest in the increase of oil recovery efficiency. Commonly, after primary and secondary recovery phases, a largeamount of oil remains inside the reservoir, as it becomes unprofitable to continue the extraction. Thus, the number of studies focused on enhanced oil recovery is growing, aiming to obtain a better recovery fraction. The focus of this work is to study the fundamentals of oil displacement in porous media using a confocal laser scanning microscope, which enables 3D visualization with a good resolution. The analysis was on oil displacement that results from the use of a suspension of gellan gum microcapsules in water injected after water injection. These microcapsules, moving along with the water, blocked some of the preferential paths and forced the water to displaces parcels of the trapped oil. The result achieved was a collection of 3D images from artificial porous media, in which it was possible to distinguish the distribution of phases (microcapsules, oil, and aqueous phases) inside the porous media, before and after the microcapsules injection. These images showed that indeed the gellan gum microcapsules blocked preferential water paths and that, after the blockage, some oil ganglia were displaced from their original positions. This thesis applies modern techniques of microscopy to investigate the concept behind enhanced oil recovery using microcapsules.

The main contribution of the present work is the proposition of a framework for analysis of active suspensions using the Caenorhabditis elegans nematode as the living model. To do so, five different perspectives are used: kinematics, macro-reological, numerical, theoretical and micro-reological. First, a theoretical and experimental analysis of the kinematic motion of the nematodes suspended in a biological fluid is presented. Two different populations are examined: starving and well fed nematodes. We show that the relationship between the length of an individual nematode and the wavelength of its movement is linear and can be adjusted by a theoretical prediction proposed in this work. A deep discussion on propulsive mechanics based on a scale analysis that identifies three major forces acting on an individual nematode is made. In addition, we investigated the shear viscosity of Caenorhabditis elegans suspensions. The oscillatory shear experiments revealed an anomalous viscosity behavior with the variation of the volumetric fraction of suspension, ?. The effective viscosity of the suspension decreased with increasing nematode volumetric fraction at low concentrations. Based on the experimental data, a phenomenological equation for the effective viscosity of the suspension as a function of the volumetric fraction of particles is proposed. The collective behavior of the nematodes is also observed in linear regime through the difference of normal stresses. Finally, step strain tests are conducted to obtain the relaxation times. The presence of a negative active stress due to the nematoid driving behavior persists for a period of time, leading to a negative undershoot and an oscillatory behavior in the relaxation function. In order to propose a rheological model, simplifications are made in the model and immersed boundary method simulations are conducted in a flexible filament, varying the type of movement that it performs. It is observed that the presence of asymmetries in its undulating movement generates drastic changes on its kinematic responses. A rheological model as a function of filament orientation is proposed and validated with experimental data in linear regime. After validation of the proposed constitutive equation, the model is observed under the nonlinear regime of oscillatory shear, in which the rheological characterizations are made based on existing frameworks using Lissajous-Bowditch curves and Pipkin diagrams. Finally, a protocol for analysis of suspensions in a microrheometer is presented. Particles are added and tracked as unidirectional oscillatory shear (pulsatile flow) is applied. The velocity and shear rate profiles are obtained, as well as the rheological signals equivalent to the strain rate and stress. Signal analysis tools are used and an artificial intelligence system is proposed to remove the component added to the signal by unidirectional shear, aiming to reconstruct the signal with null temporal average and allowing the application of well known rheological theories, such as the decomposition of stresses in coefficients of Chebyshev, for the calculation of viscommetric quantities of compliances and fluidities. The major contribution of the study concerns the observation, characterization, modeling and simulation of a microsized animal that moves in different fashion, depending on the environment, and the surrounding fluid. The rheological properties analyzed, simuations performed and model proposed can be used for both production of artifitial microorganisms and control of living organisms. Moreover, this combination of analyses and techniques can be used to study any type of passive and active suspension providing new and conclusive results regarding the rheological characterization and the physical behavior of the particles. / A principal contribuição do presente trabalho é a proposição de um framework de análise de suspensões ativas utilizando como modelo vivo o nematoide Caenorhabditis elegans. Para tanto, cinco perspectivas diferentes são utilizadas: cinemática, macrorreológica, numérica, teórica e microrreológica. Primeiramente, uma análise teórica e experimental do movimento cinemático das partículas ativas suspensas em um fluido biológico é apresentada. Duas populações diferentes são examinadas: na ausência de alimento e com nematoides bem alimentados. Mostramos que a relação entre o comprimento de um nematoide individual e o comprimento de onda de seu movimento é linear e pode ser ajustada por uma previsão teórica proposta neste trabalho. Uma profunda discussão sobre a mecânica de propulsão com base em uma análise de escala que identifica três forças principais que atuam em um nematoide individual é feita. Além disso, investigamos a viscosidade de cisalhamento das suspensões de Caenorhabditis elegans. Os experimentos em cisalhamento oscilatório revelaram um comportamento anômalo da viscosidade com a variação da fração volumétrica de suspensão, ?. A viscosidade efetiva da suspensão diminuiu com o aumento da fração volumétrica do nematoide para pequenas concentrações. Baseando-se nos dados experimentais, uma equação fenomenológica para a viscosidade efetiva da suspensão em função da fração volumétrica de partículas é proposta. O comportamento coletivo dos nematoides é também observado, em regime linear, pela diferença de tensões normais. Finalmente, o teste de step strain é conduzido para obter os tempos de relaxação. A presença de uma tensão ativa negativa devido ao comportamento impulsor do nematoide persiste por um certo período, levando a um undershoot negativo e a um comportamento oscilatório na função de relaxação. A fim de propor um modelo reológico, simplificações são efetuadas no modelo e simulações usando o método de fronteira imersa são conduzidas em um filamento flexível, variando o tipo de movimento que este realiza. Observa-se que a presença de assimetrias em seu movimento ondulatório gera drásticas mudanças em suas respostas cinemáticas. Um modelo reológico em função da orientação do filamento é proposto e validado com os dados experimentais em regime linear. Após a validação da equação constitutiva proposta, o modelo é observado sob o regime não-linear do cisalhamento oscilatório, no qual as caracterizações reológicas são feitas com base nos frameworks existentes, utilizando curvas de Lissajous-Bowditch e diagramas de Pipkin. Por fim, é apresentado um protocolo de análise de suspensões em um microrreômetro. Partículas são adicionadas e rastreadas à medida que um cisalhamento unidirecional (escoamento pulsátil) é aplicado. Os perfis de velocidade e taxa de cisalhamento são obtidos, assim como os sinais reológicos equivalentes à taxa de deformação e tensão. Ferramentas de análise de sinais são utilizadas e um sistema de inteligência artificial é proposto para remoção da componente constante do sinal adicionada pelo cisalhamento unidirecional, visando reconstruir o sinal com média temporal nula e possibilitando a aplicação de teorias reológicas já conhecidas, como a decomposição de tensões em coeficientes de Chebyshev para o cálculo das quantidades viscométricas de conformidade e fluidez. A principal contribuição do estudo diz respeito à observação, caracterização, modelagem e simulação de um animal microscópico que se movimenta de maneira diferente dependendo do ambiente e do fluido circundante. As propriedades reológicas analisadas, as simulações realizadas e o modelo proposto podem ser utilizados tanto para a produção de microorganismos artificiais quanto para o controle de organismos vivos. Além disso, essa combinação de análises e técnicas pode ser usada para estudo de qualquer tipo de suspensão ativa e passiva, fornecendo resultados novos e conclusivos em relação à caracterização reológica e ao comportamento físico das partículas.