Valutazione del film di ossido di afnio per l’impiego nei dispositivi diagnostici in campo biologico

I dispositivi su microliquidi possono eseguire procedure standard di un laboratorio medico e condensare ciascuno fino a un microchip. Usando tunnel sottilissimi e elettrodi altrettanto piccoli, questi dispositivi convogliano i liquidi attraverso una corrente elettrica per ordinare le cellule, individuare le malattie ed eseguire test diagnostici. Il problema è che i campioni biologici non sono inerti: sono carichi e pronti per interagire. Quando i liquidii vengono a contatto con gli elettrodi del microdispositivo, possono verificarsi piccole esplosioni. L’esplosione (lisi) dei globuli rossi – causata da uno squilibrio di ioni rende inaffidabile la determinazione della glicemia o del gruppo sanguigno. In altre determinazioni, come quelle per i tumori o le malattie infettive, può portare a falsi negativi o falsi positivi. Quindi le interazioni tra campioni ed elettrodi, chiamate reazioni faradaiche, possono essere un effetto collaterale indesiderato di questa tecnologia. Per preservare l’integrità dei campioni e mantenere una superficie limpida per osservare cosa sta succedendo all’interno del dispositivo, gli ingegneri del Michigan Tech illustrano in questo lavoro in dettaglio come i sottili strati di ossido di afnio (provenienti da applicazioni tradizionali a transistor) agiscano, allo stesso modo degli schermi applicati ai cellulari per proteggere lo schermo, realizzando lo stesso obiettivo per i microdispositivi. Si tratta di una sfida intrigante per progettare microdispositivi robusti che resistono alle reazioni collaterali elettrochimiche avverse mantenendo la trasparenza ottica. In altre parole, l’isolamento fisico dei campioni biologici dai microelettrodi può prevenire la contaminazione, l’incrostazione degli elettrodi e sottoprodotti elettrochimici. Questo fenomeno in chimica viene definito come passivazione. La passivazione è, quindi, un fenomeno di natura elettrochimica che può rallentare o impedire completamente la reazione di corrosione dei materiali metallici che altrimenti subirebbero. Il fenomeno consiste sostanzialmente nella formazione di un sottile film (costituito da prodotti della corrosione, sostanze presenti nell’ambiente aggressivo o ossigeno adsorbito sulla superficie del metallo) che aderisce perfettamente alla parte della superficie del pezzo a contatto con l’ambiente aggressivo (ad esempio acqua o aria). Perché il fenomeno della passivazione possa avvenire, il film deve ostacolare la diffusione dell’agente ossidante, per cui deve essere “compatto”, ovvero denso e poco poroso. In questo lavoro, film di HfO2 con tempi di deposizione di 6, 5, 13 e 20 minuti sono stati depositati su substrati di silicio e vetro. Le proprietà strutturali, ottiche ed elettriche dei film di HfO2 sono state studiate utilizzando diverse tecnologie illustrate nel dettaglio nella pubblicazione. I risultati delle simulazioni hanno dimostrato che le caratteristiche dielettriche di HfO2 erano sufficienti per passivare elettricamente i microelettrodi planari. La biocompatibilità di HfO2 è stata determinata con i globuli rossi umani quantificando il potenziale emolitico dei film di HfO2. I risultati complessivi supportano l’ossido di afnio come materiale di passivazione vitale per applicazioni di laboratorio biologico su chip.