Il cuore tecnologico di Tethis, azienda che opera nel settore delle nano e biotecnologie, sono i processi di sintesi di nanomateriali, in forma di coating e di nanopolveri. In quest’ambito, hanno particolare rilevanza le tecniche di deposizione di film nanostrutturati da fascio supersonico di nanoparticelle (Supersonic Cluster Beam Deposition – SCBD).

Gli impianti di deposizione da fascio supersonico di nanoparticelle sono tipicamente costituiti da una sorgente di nanoparticelle interfacciata ad un sistema da vuoto dove avviene il processo di deposizione vero e proprio. La miscela di gas e nanoparticelle, generata all’interno della sorgente, subisce un’espansione verso la camera a vuoto a cui la sorgente è affacciata. Un ugello a focalizzazione aerodinamica concentra le nanoparticelle a formare un fascio intenso e collimato. Il fascio di nanoparticelle è direzionato sul substrato, dove avviene la crescita del film nanostrutturato. Le energie cinetiche in gioco sono sufficientemente basse da impedire la frammentazione delle nanoparticelle, conservandone di conseguenza la struttura originale. Ciò che si ottiene è un film estremamente poroso e con rugosità superficiale su scala nanometrica, in cui le straordinarie proprietà delle nanoparticelle sono mantenute. Una volta depositati, i film assemblati da nanoparticelle non necessitano di alcun post-processing prima di essere utilizzati nel dispositivo finale.

Figura 1 – Schema di impianto di deposizione da fascio supersonico di nanoparticelle

Figura 1 – Schema di impianto di deposizione da fascio supersonico di nanoparticelle

La tecnica di deposizione da fascio supersonico di nanoparticelle offre numerosi vantaggi:

  • la deposizione avviene a temperatura ambiente, e questo permette l’utilizzo di substrati termolabili quali materiali polimerici, membrane, o piattaforme micro lavorate (oltre che ceramiche, metalli, ecc.);
  • l’elevata collimazione del fascio consente l’utilizzo di maschere rigide non a contatto che permettono la deposizione di superfici a pattern su ampie aree con elevata risoluzione spaziale, evitando l’uso di tecniche fotolitografiche;
  • La deposizione avviene in ambiente controllato ed è compatibile con processi in Ultra Alto Vuoto, consentendo la crescita di film in condizioni di elevata pulizia.

Le sorgenti di nanoparticelle messe a punto da Tethis e utilizzate in accoppiamento alla tecnica SCBD sono due: PMCS TM (Pulsed Microplasma Cluster Source) e FlameBeam TM.

PMCS

All’interno della sorgente a microplasma pulsato le nanoparticelle sono generate tramite l’erosione localizzata di un catodo di materiale conduttivo per mezzo di un microplasma.

fig1aLa sorgente è costituita da una piccola camera in materiale ceramico in cui è inserito il catodo del materiale d’interesse. Sulla camera si affaccia una valvola impulsata che inietta un gas inerte (tipicamente Argon) ad alta pressione con frequenza fino a 10Hz; a ogni impulso di gas, il catodo è polarizzato tramite un impulso di tensione, che innesca una scarica elettrica con la relativa formazione di un microplasma, localizzato in prossimità della superficie del catodo. Per un processo di sputtering il microplasma erode la superficie del catodo e i vapori del materiale condensano per nucleazione e formano le nanoparticelle.

Pur limitata ai conduttori, la gamma dei materiali processabili con questa tecnica è comunque ampia: ad esempio, ferro, molibdeno, titanio, carbonio, stagno, tungsteno e metalli nobili. Nanoparticelle multi componenti possono essere ottenute partendo da leghe o da catodi composti.

FlameBeam

La sorgente FlameBeamTM è basata su un processo di sintesi da fiamma denominato Flame Spray Pyrolysis (FSP). La sintesi in questo caso parte da un precursore metallorganico in fase liquida, disciolto in un solvente organico. La soluzione è vaporizzata per mezzo di un gas di dispersione all’interno di un nozzle e bruciata all’interno di una fiamma. Nella combustione il solvente all’interno delle singole gocce evapora e gli atomi di precursore aggregano formando dei cluster del materiale d’interesse. Nell’ambiente ad alta temperatura della fiamma, questi cluster crescono e aggregano fino a formare le nanoparticelle.

La sorgente si affaccia sulla camera di deposizione tramite un quenching nozzle che separa la camera in vuoto dall’atmosfera: attraverso questo nozzle le particelle contenute all’interno della fiamma sono convogliate in camera di deposizione, e quindi focalizzate e accelerate dal sistema di collimazione.

Proprio per l’alta temperatura della fiamma (che può raggiungere i 3000°C) le nanoparticelle ottenute sono tipicamente ossidate e cristalline, per questo non sono necessari trattamenti termici post sintesi. Le proprietà delle particelle prodotte quali dimensione e forma possono essere controllate tramite i parametri di processo, mentre la composizione della soluzione di partenza solvente-precursore determina la stechiometria finale del materiale deposto: si può così ottenere con procedimento a singolo step multi-componenti o nanoparticelle complesse (come ad esempio strutture core-shell, o metalli supportati da ossidi) miscelando diversi precursori prima di iniettare la soluzione attraverso il nozzle, senza la necessità di post trattamenti e utilizzando reagenti a basso costo. Inoltre, il processo produttivo basato su FSP può essere facilmente portato su scala industriale.

Figura 2 – Immagine TEM di film di TiO2 depositato con tecnica FlameBeam - SCBD

Figura 2 – Immagine TEM di film di TiO2 depositato con tecnica FlameBeam – SCBD

I film sottili di nanostrutturati deposti da fasci di nanoparticelle trovano applicazione nei dispositivi biomedicali sviluppati e commercializzati da Tethis, che ne sfruttano le proprietà peculiari.

fig3

Il chip microfluidico microFIND, ad esempio, consente l’esecuzione di saggi su campioni cellulari da sangue per la diagnosi di tumori quali leucemie mieloidi croniche, e utilizza un film sottile nanostrutturato di TiO2 per migliorare l’adesione del campione cellulare. In questo modo si risolve il problema di mantenere adeso al dispositivo il campione, in presenza delle sollecitazioni dovute al flusso di reagenti all’interno della microfluidica. Il risultato di adesione cellulare è particolarmente interessante poiché vale anche per cellule ematopoietiche (quali appunto le cellule del sangue) vive, che per loro natura sono non-aderenti. Da parte sua, il TiO2 è un ossido inorganico semplice e stabile, ad ampio gap ottico e privo di autofluorescenza, caratteristiche che lo rendono compatibile con le tecniche di analisi ottiche, come ad esempio la microscopia a fluorescenza.

La proprietà di migliorare l’adesione cellulare da parte di film nanostrutturati di ossidi vale, oltre che per cellule singole, per campioni istologici (sezioni di tessuti). Utilizzando substrati trasparenti conduttivi (ITO-coated glass) per la deposizione di film di ossidi nanostrutturati, Tethis ha sviluppato piattaforme monouso per Imaging da spettrometria di massa MALDI (matrix-assisted laser desorption and ionization). Nota anche come Istologia Molecolare, la tecnica di Imaging MALDI consente di ottenere una mappa a falsi colori dell’abbondanza di una data proteina all’interno del campione istologico. Sia in fase di preparazione del campione che in fase di analisi, il miglioramento dell’adesione del tessuto al substrato gioca un ruolo decisivo.

La spettrometria di massa MALDI per Proteomica offre un altro ambito di applicazione dei film nanostrutturati deposti da nanoparticelle. Pattern di isole di ossidi nanoporosi deposte su substrato plastico conduttivo sono alla base di chip disposable sviluppati in Tethis per il trattamento pre-analisi di campioni biologici, quali proteine, peptidi, microvescicole, batteri. Come “micro-pozzetti a stato solido”, le isole nanoporose consentono di catturare il campione e mantenerlo confinato durante le fasi di trattamento (ad esempio, digestione enzimatica) che precedono l’analisi MALDI.

fig4A conclusione della preparazione del campione, il chip stesso accede allo spettrometro di massa, evitando così qualunque passaggio attraverso vial esterne che inevitabilmente esporrebbe al rischio di un impoverimento del campione (ad esempio, per cattura della frazione idrofobica da parte delle superfici in plastica della vial esterna).

Contatti:

Elisabetta Chierici

Tethis S.p.A.   Via Russoli, 3   20143 Milano

T: +39 02 36568349     F: +39 02 36569183

www.tethis-nanotech.it    systems@tethis-lab.com