22502

شبيه‌سازي و سنتز ميكروژل هاي نانوكامپوزيت كيتوسان-مگنتيت (Fe3O4) با استفاده از فناوري ميكروسيالات قطره اي

كارشناسي ارشد

مهندسي نانو فناوري

1396

1399/03/12

دكتر سيد مرتضي نقيب

فناوري هاي نوين

تجهيزات آزمايشگاهاي بر پايه ميكروسيالات قطره اي توجه بسياري را در كاربرد‌هاي مختلف مانند فناوري‌هاي آزمايشگاه بر روي تراشه، مهندسي بافت، كشت سلولي، آماده‌سازي نانوذرات، دارورساني و زيست‌حسگرها جلب كرده است. فناوري ميكروسيالات قطره¬اي روشي جديد براي توليد قطره كامپوزيتي زيست سازگار در مقياس ميكرو مي¬باشد. فرآيند توليد اين قطرات را مي¬توان بدقت مورد كنترل و نظارت قرار داد. از طرفي اين قطرات كامپوزيتي نسبت به فناوري¬هاي مرسوم توليد مواد حجيم داراي برتري¬هايي مي¬باشند. اندازه قطرات توليد شده بوسيله تنطيم نرخ جريان هاي هر سيال كنترل مي¬شود. در مقياس ميكرو بودن اندازه قطرات باعث مي¬شود كه نرخ انتقال حرارت-جرم قطرات كامپوزيتي افزايش پيدا كند ابتدا يك مدل رياضي بر مبناي روش ديناميك سيالات محاسباتي براي شناخت بيشتر شكل و اندازه قطره قطرات در ريز كانال جريان متمركز با استفاده از دو سيال تراكم ناپذير غير قابل امتزاج نيوتوني در نرم‌افزار COMSOL Multiphysics® 5.4 توسعه داده شد. در مرحله اول از سيال آب / روغن FC-40 براي بهينه سازي مدل استفاده شده است و سپس محلول‌هاي كيتوسان با غلظت‌هاي متفاوت به‌عنوان سيال گسسته و روغن گياهي به‌عنوان سيال پيوسته استفاده شد است. پارامترهاي هندسه كانال، ابعاد كانال، زاويه ورودي كانال، تغيير نرخ حجمي جريان سيال‌هاي ورودي و همچنين تغيير مشخصات ديناميكي سيال گسسته در اندازه و شكل و فرآيند توليد قطره مورد بحث و بررسي قرار گرفت. با توجه به حالات مختلف در نظر گرفته شده، تعداد 360 اجراي شبيه‌سازي براي بررسي كامل تأثير سرعت سيال، هندسه و ابعاد كانال براي سيستم آب / روغن FC-40 و تعداد 192 اجراي شبيه سازي براي سيستم كيتوسان / روغن گياهي و همچنين غلظت سيال گسسته بر نتايج نهايي، انجام شد. در پايان بخش شبيه سازي نيز با استفاده از ماژول رديابي ذرات، شبيه‌سازي رهايش و بارگذاري نانوذرات مگنتيت در سيال گسسته مورد بحث و بررسي قرار گرفت. در بخش آزمايشگاهي، در ابتدا چيپ مورد بحت بر اساس نتايج شبيه سازي طراحي شد و سپس توسط روش ليتيوگرافي ماسك سيليكوني طرح ساخته شد، و سپس توسط پليمر PDMS قالبگيري شده و در نهايت با استفاده از دستگاه پلاسماي اكسيژن چيپ به صفحه شيشه اي باند گرديد. محلول كيتوسان با غلطت هاي مختلف در چيپ استفاده شد و قطره كيتوساني توليد گرديد. در بخش بارگزاري نانوذرات مگنتيت، محلول كيتوسان 1 درصد وزني به همراه نانوذرات مگنتيت 5/0 درصد وزني وارد چيپ شده و قطره كيتوسان-مگنتيت توليد گرديد.

1399/06/31

Simulation and Synthesis of Chitosan-Magnetite (Fe3O4) Nanocomposite using Microfluidic Technologies

6/2/2021 12:00:00 AM

Laboratory equipment based on microfluidics has attracted much attention in various applications such as laboratory technologies on chips, tissue engineering, cell culture, nanoparticle preparation, drug delivery, and biosensors. microfluidic droplet technology is a new way to produce biocompatible composite droplets on a micro-scale. The production process of these droplets can be carefully controlled and monitored. On the other hand, these composite droplets have advantages over conventional technologies for the production of bulk materials. The size of the produced droplets is controlled by adjusting the flow rate of each fluid. The micro-scale of the droplet size increases the heat-mass transfer rate of the composite droplets. First, a mathematical model based on the computational fluid dynamics method was developed to better understand the shape and size of droplets in a concentrated stream microchannel using two Newtonian incompressible non-miscible fluids in COMSOL Multiphysics® 5.4 software. In the first stage, FC-40 oil/ water fluid was used to optimize the model, and then chitosan solutions with different concentrations were used as discrete fluid and vegetable oil as continuous fluid. The parameters of channel geometry, channel dimensions, channel inlet angle, volume change rate of inlet fluid flow as well as change of dynamic characteristics of discrete fluid in size and shape and droplet production process were discussed. Depending on the different scenarios, 360 simulations are performed to fully investigate the effect of fluid velocity, geometry and channel dimensions for the FC-40 oil/ water system and 192 simulations for the chitosan / vegetable oil system as well as discrete fluid concentrations Based on the final results, it was done. At the end of the simulation section, using particle tracking module, release simulation and loading of magnetite nanoparticles in discrete fluid were discussed. In the laboratory section, first, the chip was designed based on the simulation results and then the design was made by the lithographic method of silicone mask, and then moulded by PDMS polymer and finally, the chip was bonded to the glass plate using oxygen plasma machine. Chitosan solution was used with different concentrations in the chip and chitosan drops were produced. In the loading section of magnetite nanoparticles, 1% w /v chitosan solution along with 0.5 wt% magnetite nanoparticles was inserted into the chip and chitosan-magnetite drops were produced.