Simularea și Validarea Experimentală a unui Chip Termociclu SU-8 Bazat pe Reacția Polimerazică în Lanț

Tehnica PCR (Reacţia polimerazică în lanţ) este o metodă enzimatică de amplificare a ADN-ului(ADN-ul este un polimer, o moleculă foarte mare, cu o structură elicoidală, fiind alcătuită din două lanţuri de material genetic rulate unul în jurul celuilalt în spirală. Fiecare lanţ constă dintr-o succesiune de nucleotide, care sunt desemnate, conventional, prin literele ACGT: adenina, citozina, guarina şi tinina, grupate de-a lungul unei benzi răsucite, a cărei structură a fost desemnată cu numele de „dublă elice”) repetând o serie de paşi controlaţi prin reacţie termică.

Reacţia polimerazică în lanţ constă în amplificarea selectivă a unei secvenţe de ADN printr-o succesiune de cicluri de amplificare, fiecare ciclu având la randul său trei etape:

-denaturarea lanţurilor de ADN care în vivo se face enzimatic, în vitro se face termic prin încălzirea ADN la 96 ;

-delimitarea genei de amplificat cu ajutorul unor secvenţe scurte de aproximativ 20-25 perechi de baze de ADN complementar numite primer sens şi antisens care are loc la o temperatură calculată în funcţie de structura primerilor;

-extensia, respectiv polimerizarea propriu zisă în care ADN polimeraza numită Taq cu ajutorul bazelor puse în mediul de reacţie (ATCG) pe modelul genei delimitate construieşte copii identice ale genei analizate.

Temperaturile tipice pentru denaturare, inelare şi a pasilor de extensie sunt la 94, 40-72 şi respectiv 72 . Deoarece tehnica PCR a fost descoperită în 1986 a devenit una din cele mai folosite în biologia moleculară, în analize criminalistice(de medicină legală), în biologie evolutivă şi diagnostice medicale.

Din toate cipurile PCR microfabricate multe dintre ele se bazează pe procese complexe de micromecanizare cu siliciu la scară largă pentru definirea camerelor. Unul din avantajele cipurilor PCR microfabricate este acela al suparafeţei reduse şi a volumului sistemelor care permit încălzirea rapidă şi răcirea la rate de până la 15-80 . Puterea tipic consumată a acestor dispozitive la 94 (temp de denaturare) este sub 2W. Doar câteva grupuri de cercetatori au ajuns la un nivel înalt de îmbinare a circuitelor integrate în cipuri PCR. La majoritatea grupurilor integrarea în cip este limitată la adăugarea doar a unor radiatoare şi senzori de temperatură. La integrarea cipului PCR cu alte componente pentru analize pre sau post-PCR este necesară compatibilitate între dispozitive în cadrul procesului de microfabricare. Acest lucru deseori complică procesul de fabricaţie şi adaugă limitări la funcţionalitatea circuitului integrat. Câteva grupuri au integrat sisteme de control al lichidelor pentru analiza celulelor înaintea PCR-ului sau analize electroforetice a produselor PCR cât timp se folosec elemente externe pentru termociclul PCR. Totuţi, recent a fost prezentat un circuit PCR integrat monolitic şi un dispozitiv pe bază de electroforeză capilară(CE), ambele fabricate pe cipuri de sticlă având radiatoare microfabricate şi senzori de temperatură în cadrul camerei PCR. O complicaţie suplimentară în fabricarea cipurilor PCR o reprezintă propietăţile PCR inhibatoare ale suprafeţelor de siliciu şi nitrat silicat din cadrul camerelor de reacţie micromecanizate folosind siliciu. Formări ale stratului SiO2 sau silicare chimică a suprafeţei camerei au fost aplicate pentru a creşte compatibilitatea PCR în asemenea dispozitive bazate pe silicon.

Dispozitivele microfabricate bazate pe polimeri sunt în plină dezvoltare reprezentând o variantă alternativă a dispozitivelor bazate pe siliciu şi sticlă. Resortul pentru sistemele bazate pe polimeri este compatibilitatea bună a materialelor cu probe chimice sau biochimice şi costul relativ avantajos al materialelor bazate pe polimeri oferit faţă de soluţiile bazate pe siliciu şi sticlă. Cipurile PCR bazate pe polimeri folosind PDMS şi poliamide au fost ambele prezentate ca folosind elemente externe de încălzire pentru procesul de termociclare. SU-8 este unul din cei mai folosiţi polimeri în microsisteme. Polimerul SU-8 este uşor de folosit la fabricarea componentelor lichide cum sunt canalele de scurgere, camerele de reacţie şi canalele de separaţie. SU-8 este slab rezistent chimic şi proprietăţile sale de suprafaţă pot fi uşor controlate sau alterate prin tratări cu plasmă sau chimice, acest lucru îl face aplicabil unei mari varietăţi de dispozitive. Recent a fost folosit în dispozitive CE (pe bază de electroforeză capilară) şi în dispozitive dielectroforetice(DEP) fabricate pe substraturi de sticlă. Procesul de fabricaţie relativ simplu al celor mai multe sisteme bazate pe SU-8 în comparaţie cu sistemele de siliciul micromecanizate ar putea uşura integrarea în chip cu alte dispozitive.

În această lucrare este prezentată o cale simplă de a produce un chip PCR bazat pe polimerul SU-8 pe un substrat de sticlă. Dispozitivul constă dintr-o cameră PCR cu 20 SU-8 având radiatoare platinate integrate şi senzori de temperatură pentru termociclurile PCR. Performanţa cipului este caracterizată experimental şi prin simulări FEM, folosind pachetele de program software comerciale ANSYS(ANSYS Inc.) şi CFD-ACE(CFD Research Corporation). Biocompatibilitatea PCR este testată prin amplificarea proteinei ribozomale S3 fermentată şi a genelor Campylobacter jejuni cadF.