Design of a droplet based microfluidic reactor to synthesize chitosan coated iron oxide nanoparticles

Abstract

Nanoparçacıklar yapısal, mekanik, termal, optik ve kimyasal özellikleri bakımından oldukça avantajlı malzemeler olup bu özellikleri parçacıkların boyutlarına bağlı olarak değişmektedir. Bu nedenle bu malzemeleri bir örnek olarak üretebilmek önem taşımaktadır. Genellikle nanoparçacıklar geleneksel yöntemler ile makro boyutlardaki ekipmanlar kullanılarak sentezlenmektedir ve bu tekniklerde reaksiyon koşulları istenildiği gibi kontrol edilememektedir. Öte yandan mikroakışkan sistemler ile karışma süresi, sıcaklık, konsantrasyon gibi reaksiyon koşulları çok daha iyi kontrol edilmektedir. Bu tez ise mikroakışkan bir reaktörde kitosan kaplı manyetik nanoparçacıkların sentezlenmesi üzerine yapılmış ilk çalışmadır. Bu tez kapsamında sentezlenen nanoparçacıkların kitasan çeperi ilaç taşınmasına, manyetik özelliği ise ilacın hedeflenebilmesine yarayabilecek uygulamalar için önem taşımaktadır. Literatürde kitosan kaplı manyetik nanoparçacıkların üretimi geleneksel beherli yöntemler ile gerçekleştirilmiştir. Bu tez kapsamında ise bu sentez damlacık temelli, PDMS'ten yumuşak litografi yöntemi ile üretilmiş mikroakışkan bir sistemde yapılmıştır. Mikroakışkan sistem damlacık temelli olup iki farklı kanaldan gelen kimyasallardan sıra ile damlacıklar oluşturulmakta ve sonrasında ise birleştirilerek kanal içerisinde karıştırılmaktadır. Açılı kanal girişleri kullanılarak /%95 seviyesinde bir tekrarlanabilirlik ile sıralı damlacık oluşturulmuştur. Damlacıklar her seferinde aynı oranda birleştirilmelidir, bu nedenle de kanal içi akışlar kontrol edilmiş ve damlacıkların boyut ve aralıklarının aynı olması sağlanmıştır. Damlacıklar sıralı olarak oluşturulduktan sonra sütunlu ve genişleyip daralan bir kanalda birleştirilmişlerdir. Sütunlu yapının boyutları damlaların birbirini yakalayacakları sağlayacak şekilde optimize edilmişti. Silikon yağı taşıyıcı akışkan olarak kullanılmışi damlalar ise kitosan ve demir klorür çözeltilerinden oluşturulmuştur. Kanalın ilerleyen kısmında da önceden birleştirilmiş damlalara amonyum çözeltisi eklenerek reaksiyonun tamamlanması sağlanmıştır. Sentezlenen nanoparçacıklar daha sonra elektron mikroskobu ve FTIR sistemi ile karakterize edilmiştir. Bu tez kapsamında son olarak bir yan çalışma da hirdoksiapetit nanoparçacıklarının yine aynı system kullanılarak sentezlenmesi ile yapılmıştır. Buradaki sonuçlar da taramalı electron mikroskobu ile incelenmiştir.

Nanoparticles possess unique structural, mechanical, thermal, optical and chemical properties which are highly dependent on their size; therefore it is important to be able to synthesize them uniformly. In general they are synthesized using conventional batch-wise techniques; however microfluidic platforms are also used because they provide precise control over reaction conditions like mixing time, temperature, concentration and improved reaction kinetics. This work is the first study where coating of magnetic nanoparticles with chitosan is realized by utilizing a microfluidic platform. These particles have potential application in targeted drug delivery due to their magnetic behavior and the possibility of carrying drug in the chitosan layer. In the past, this synthesis reaction was performed by using batch wise techniques. In this work we demonstrate the synthesis of chitosan coated nanoparticles using a droplet based microfluidic platform. PDMS devices are fabricated using conventional soft lithography technique. Droplets from two different reagents are generated using double T junction with tapered geometry. The taper angle is optimized such that both reagents generate droplets alternatively with efficiency of more than 95/%. Viscosity and surface tension of both droplet phase and continuous phase is taken into account to optimize the geometry. As both reagents need to be mixed in equal proportion, flow rates are adjusted to make the spacing and size of droplets identical. Later, two consecutive droplets are merged in a pillar structure by using the fact that increasing the width of channel will slow down the droplets. Dimensions of channels are optimized so that only two consecutive droplets are merging while pillars avoid accumulation of droplets at that location. Olive oil and silicon oil are used as the continuous phase while chitosan solution and iron chloride solution are used as dispersed phases to form alternating droplets. Then ammonia solution is added as dispersed phase and it forms another droplet at a T-junction and this droplet is merged with the upcoming droplet to initiate the reaction. Synthesized nanoparticles are characterized using transmission electron microscopy (TEM) and fourier-transform infrared spectroscopy (FTIR). As a side study, hydroxyapatite nanoparticles were also synthesized using this droplet-based microfluidic system at various concentration of reactants and results are analyzed using SEM imaging.