Villamosmérnöki Tudományok Doktori Iskola 

BME VIK, Elektronikai Technológia Tanszék

Témavezető: Dr. Fürjes Péter

Mikrotechnológia a biomedicinák szolgálatában 

A kutatási téma néhány soros bemutatása

A mikro-elektro-mechanikai rendszerek (MEMS) jellemzően szilícium és polimer alapú technológiáját széles körben alkalmazzák mikroméretű érzékelő, illetve beavatkozó egységek megvalósítására pl. az autóipari szenzorok területén. Ezen technológia adottságainak sokoldalúságát kihasználva azonban további lehetőség nyílik orvosbiológiai, ill. klinikai diagnosztikai célú komplex mikroanalitikai rendszerek tervezésére és kivitelezésére is.

 

A kutatóhely rövid bemutatása

A kapcsolódó kutatást az MTA TTK Műszaki Fizikai- és Anyagtudományi Intézete Mikrotechnológiai Osztályának MEMS Laboratóriumában végzem. Itt működik hazánk egyetlen félvezető tisztalaborja, mely 300 négyzetméteren ad helyet a fotolitográfiai, vékonyréteg-leválasztási és mikromegmunkálási műveletekhez kapcsolódó infrastruktúrának. A labor a BME több karának életében laborgyakorlatok, TDK- és diplomatémák vezetésében, továbbá hazai és nemzetközi kutatási együttműködések keretében is jelen van. 

 

 

Életképek a tisztalaborból

A kutatás történetének, tágabb kontextusának bemutatása

Az utóbbi években a labor nagy hangsúlyt fektet a nemzetközi szintű kutatások élvonalát képviselő mikro- és nanoméretű bioérzékelők, biointerfészek, ill. - az analitikai területeken intenzív fejlődést mutató - mikrofluidikai rendszerek fejlesztésére. A laborban folyó és a kapcsolódó kutatás-fejlesztési feladatok teret engednek az egyetemi tudásanyag interdiszciplináris területeken történő kreatív alkalmazásának. A kihívást jelentő kutatási feladatok többrétűek: egyrészt szükségszerű a mérnöki tudományok felhasználása, a mikrotechnológiai eszköztár innovatív alkalmazása, ill. fejlesztése, másrészt a fizikai-, kémiai-, biológiai- alapjelenségek mikroszintű tárgyalásán, megismerésén keresztül a mikrorendszerek működésének optimalizálása, új szenzorelvek kidolgozása és a megalkotott rendszerek karakterizálása.

 

A kutatás célja, a megválaszolandó kérdések

A MEMS Laboratóriumban folyó kutatási témák, így doktori témám közös jellemzője, hogy aktuális orvosdiagnosztikai problémákra - például stroke gyorsteszt miniatürizálására - igyekeznek választ adni, felhasználva a mikroméretekben lejátszódó fizikai jelenségekből származó előnyös tulajdonságokat, melyekkel gyorsan, hatékonyan és gazdaságosan tudunk bioanalitikai feladatokat megvalósítani és szakképzett személyzet nélkül objektíven kiértékelni. Célunk minden esetben olyan chip-szintű mikrolaboratóriumok (Lab-on-a-chip) létrehozása, melyek a biológiai minták előkészítésén, transzportján túl érzékelő, jelátalakító és akár kiértékelő funkcióval is rendelkeznek. Anyagválasztási és gyártástechnológiai szempontokat is figyelembe véve olyan olcsó, nagy tömegben gyártható és lehetőség szerint eldobható eszközök, mérőcellák tervezése a feladat, melyek végül komplex mérőrendszerekbe is integrálhatók.

 

Módszerek

A MEMS Laboratórium és környezetének infrastruktúrája lehetővé teszi, hogy mikrorendszereink fejlesztését az ötlettől a megvalósításon keresztül a kész eszköz demonstrációjáig akár saját kezűleg végezhessük. Rendelkezésre áll technológiai és multi-fizikai modellezési apparátus is, így szimulációk segítségével ellenőrizhetjük a megvalósítandó eszközt már a tervezési fázisban.

 

 

Az MTA MFA MEMS laborjában készült mikrostruktúrák

 

A realizációt egy komplett MEMS gyártósor támogatja, mellyel akár mikrométer alatti felbontással készíthetünk komplex érzékelő és beavatkozó elemeket. A mikrométer szintű fabrikációt vékonyréteg-leválasztó berendezések, fotolitográfiai labor és számos elérhető marási/rétegeltávolítási eljárás támogatja, melyek mind - az országban egyedülálló módon -  tisztatéri környezetben valósulnak meg. A labor továbbá lehetőséget nyújt funkcionális tesztekre, elektromos, mechanikai és fluidikai mérésekre, ill. akár atomi szintű strukturális és elemanalitikai mikroszkópos vizsgálatokra  is.

 

Eddigi eredmények

A Doktori Iskola évei alatt több területen is sikerült eredményesen bekapcsolódnom a laboratórium munkájába.

 

a.)                         b.)                                 c.)                         d.)

Polimer alapú mikrofluidikai rendszer (a), szilícium mikroturbina (b.), integrált mikrofluidikával rendelkező nanopórus érzékelő chip (c.), szilíciumalapú neurális elektródák (d.)

 

Részt vettem egy olyan üveg-szilícium heteroszerkezeten alapuló Lab-on-a-chip eszköz kifejlesztésében, mely egy nanopórusos érzékelő elemet és a biológiai minta (vér) preparációját megvalósító mikrofluidikai rendszert is tartalmaz. A projekt része a CAJAL4EU nemzetközi platformnak. A minta-előkészítő egység képes teljes vérből a specifikusan kardio-vaszkuláris katasztrófára utaló marker fehérjéket tartalmazó vérplazma folytonos leszeparálására. A kapcsolódó fizikai (pl. áramlástani, hidrodinamikai) és biokémiai (specifikus fehérjebekötődés) jelenségeket modell és mérési eredmények alapján sikerült optimalizálni. Az érzékelő elemet - szilárdtest nanopórus hálózatot tartalmazó vékonyréteg membrán – kombinált mikro- és nanotechnológiai eszközökkel, többek között fókuszált ionnyalábos technikával hoztuk létre. A szenzorszerkezetek biokémiai funkcionalizását a BME Szervetlen és Analitikai Kémia Tanszékének munkatársai (Gyurcsányi E. Róbert) végzik.

A P3SENS - nemzetközi közreműködéssel zajló - projekt keretében, polimeralapú multi-paraméteres fotonikus elvű bioszenzor fejlesztésében vettem részt. Olyan  mikrofluidikai környezetet sikerült kialakítanunk, mely képes az érzékenyített hullámvezetőt tartalmazó fotonikus chip befogadására, és amely mintaelőkészítő funkciók integrálásával egy újszerű mikroanalitikai rendszer részét képezheti.

Aktív résztvevője lehetek Si-alapú sokcsatornás kortikális és mélyagyi elektródák fejlesztésének is, mely témában egy benyújtott szabadalmam és több publikációm is született. Idegszövetbe implantált in vivo agyi elektródokkal nemcsak az agyi mezőpotenciálok mérésére, de lokális soksejt- és akár egysejtaktivitás mérésére is képesek vagyunk, így teljesebb és pontosabb információt gyűjthetünk be az idegrendszer helyi működéséről. Fejlesztéseim lehetővé tették monolitikusan integrált, eltemetett gyógyszeradagoló csatornák létrehozását is sokcsatornás tűkön. Csoportunk nevéhez fűződik az első Si-alapú, eltemetett gyógyszeradagoló csatornával rendelkező mélyagyi (20-70 mm hosszú) elektróda technológiájának kifejlesztése, megvalósítása és tesztelése is.

A MEMS-alapú mikrofluidikai lehetőségek sokoldalúságát bizonyítja az a - diplomamunkám keretében kidolgozott - kombinált technológia, mely pórusosszilícium-mikromegmunkálás és protonnyalábos direktírás ötvözésével komplex elemek (pl. mikroturbina) előállítását is lehetővé teszik. A mikrotechnológiai labor közreműködésével megvalósuló eszköz a Géniusz-Európa Nemzetközi Találmányi Vásár junior kategóriájában I. helyezést ért el.

Várható impakt, további kutatás

A laborban újonnan kifejlesztett orvosbiológiai chipek és bioinspirált mikrorendszerek további fejlődése várhatóan forradalmi eredményeket hoz a vérdiagnosztikában, ill. a hazai és nemzetközi szintű idegtudományi kutatások terén is. Célom, hogy a kidolgozott technológiai eljárások és méréstechnikai elvek optimalizálásán és a mikroszintű fizikai, kémiai, biokémiai és biológiai jelenségek mélyrehatóbb vizsgálatán keresztül újszerű eszközökkel támogassuk az alkalmazott orvostudományi területek fejlődését. Ezt szem előtt tartva a jövőben - a korszerű egyetemi oktatás  színvonalára is építve - újabb interdiszciplináris kutatócsoportok megjelenése várható.

 

Saját publikációk, hivatkozások, linkgyűjtemény

 

Kapcsolódó saját publikációk listája:

 

1. Z Fekete, P Nagy, G Huszka, F Tolner, A Pongrácz, P Fürjes, Performance characterization of micromachined particle separation system based on Zweifach-Fung effect, SENSORS AND ACTUATORS B-CHEMICAL 162 (2012) 89-94
2. Z Fekete, A Pongrácz, P Fürjes, G Battistig, Improved process flow for buried channel fabrication in silicon, MICROSYSTEM TECHNOLOGIES (2012) 353-358
3. Z Fekete, A Pongrácz, G Márton, P Fürjes, On the fabrication parameters of buried microchannels integrated in in-plane silicon microprobes, MATERIALS SCIENCE FORUM (2012), megjelenés alatt
4. Z. Fekete, G. Huszka, A. Pongrácz, Gy. Jágerszki, R.E. Gyurcsányi, E. Vrouwe, P. Fürjes, Integrated microfluidic environment for solid-state nanopore sensors, PROCEDIA ENGINEERING (2012), megjelenés alatt
5. Z Fekete, E G Holczer, E Tóth, K Iván, P Fürjes, Stochastic mixing in microfluidics integrable in bioanalytical systems, PROCEDIA ENGINEERING 25 (2011) 1229-1232
6. R E Gyurcsányi, I Makra, Gy Jágerszki, D T Bakk, Z Fekete, G Battistig, I Bársony, P Fürjes, Characterisation of solid-state gold nanopores applicable for biochemical sensing, PROCEDIA ENGINEERING 25 (2011) 904-907
7. Z Fekete, B Sinkovics, I Rajta, G Gál, P Fürjes, Characterisation of the end-of-range geometric effects in complex 3D silicon micro-components formed by proton beam writing,
8. JOURNAL OF MICROMECHANICS AND MICROENGINEERING 20 (2010) 064015
9. I Rajta, S Z Szilasi, P Fürjes, Z Fekete, Cs Dücső, Si micro-turbine by proton beam writing and porous silicon micromachining, NUCLEAR INSTRUMENTS & METHODS B 267 (2009) 2292-2295

 

Linkgyűjtemény:

 

1. A laboratórium bemutatása a Magyar Rádió: A hely című műsorában (videó)
2. Tapintásérzékelő rendszer fejlesztése (cikk) 
3. Szilícium MEMS mikroturbina demonstrálása (videó)
4. Hidrodinamikai fókuszáló polimer chip demonstrálása (videó) 
5. P3SENS (Polymer Photonic multiparametric biochemical SENSor for Point-of-care diagnostics) - a labor aktív részvételével megvalósuló nemzetközi projekt hivatalos weboldala  
6. CAJAL4EU (ENIAC project on Nanoelectronics-based biosensor technology platforms) - a labor aktív részvételével megvalósuló nemzetközi projekt hivatalos weboldala 
7. MTA MFA MEMS laboratórium weboldala