RO
Platformă microfluidică multifuncțională de tipul lab-on-a-chip pentru fabricarea nanoparticulelor
Acronim: NANOCHIP
Cod Proiect: PN-III-P1.1-TE-2019-1450
Numărul Contractului:103
Start: 07 Septembrie 2020
Final: 06 Septembrie 2022
Durata: 24 Luni
Budget: 431.900,00 RON
Autoritatea Contractantă: UEFISCDI – Unitatea Executivă pentru Finanțarea Învățământului Superior, a Cercetării, Dezvoltării și Inovării
Instituție: UPB-CNMN – Universitatea POLITEHNICA din București – Centrul Național de Micro și Nanomateriale
Echipa proiectului
Director: Conf. dr.ing. Alexandru Mihai GRUMEZESCU
Membru tânăr cercetător: CS I Anton FICAI
Membru tânăr cercetător: CS III Bogdan Ștefan VASILE
Membru doctorand: drd.ing. Elena Alexandra STOICA (OPREA)
Membru doctorand: drd.ing. Alexandra Cristina BURDUȘEL
Membru doctorand: drd.ing. Alexandra Cătălina BÎRCĂ
Membru doctorand: drd.ing. Cristina CHIRCOV
Membru cercetător Postdoctoral: ACS Vladimir Lucian ENE
Obiectivul proiectului
Considerată tehnologia secolului 21, nanotehnologia a cunoscut progrese extraordinare în ultimii ani, cu impact multidimensional asupra societății. Aplicarea nanotehnologiei în medicină aduce noi perspective pentru diagnosticul, prevenția, tratamentul și monitorizarea bolilor. Totuși, există doar 50 de tipuri de nanoparticule(NP) aprobate pentru aplicații clinice, din cauza problemelor asociate care trebuie depășite: controlul limitat al proprietăților, lipsa uniformității, efecte imprevizibile în interiorul organismului și nevoia personalului specializat pentru sinteză. Prin acest proiect, propunem o soluție nouă care ar putea ajuta la progresul nanotehnologiei: dezvoltarea dispozitivelor lab-on-chip (LoC) pentru sinteza de NP și sisteme de administrare a medicamentelor. Pe baza experienței noastre anterioare, vom proiecta și fabrica un dispozitiv LoC tot-într-unul pentru sinteza completă a NP. Ulterior, vom dezvolta un dispozitiv LoC pentru fabricarea într-o singură etapă a microparticulelor polimerice care încapsulează NP de magnetită. Punctul de pornire al acestui proiect este un dispozitiv LoC fabricat anterior, care s-a dovedit util pentru dezvoltarea microparticulelor polimer-polimer pentru eliberarea controlată a moleculelor bioactive. Obiectivele proiectului nostru sunt: 1)Fabricarea dispozitivelor LoC potrivite; 2)Sinteza NP de Fe3O4 folosind dispozitivul LoC; 3)Optimizarea dispozitivului LoC pentru a elimina variabilitatea și a spori reproductibilitatea; 4)Dezvoltarea unui sistem hibrid de administrare de medicamente bazat pe microparticule polimerice care încapsulează NP de Fe3O4. Materialele sintetizate vor fi caracterizate pentru a evalua proprietățile lor fizico-chimice și asigura reproductibilitatea dispozitivelor LoC. Astfel, suntem încrezători că acest proiect poate reprezenta pasul inițial în progresul nanotehnologiei, oferind mijloace de sinteză standardizate a nanomaterialelor și avansând de la conceptul de variabilitate spre reproductibilitate.
Plan de lucru
Etapa 1
Dispozitiv de tip LoC, utilizând date de literatură, pentru sinteza nanoparticulelor de magnetită
• Sinteza nanoparticulelor de magnetita folosind dispozitivul LoC
• Caracterizarea (prin TEM, SAED, EDAX, SEM, XRD, FT-IR, DTA-TG) a nanoparticulelor sintetizate
Etapa 2
Proiectarea,fabricarea si testarea dispozitivului LoC prin sinteza nanoparticulelor de magnetită
• Proiectarea unui dispozitiv LoC pentru sinteza nanoparticulelor de magnetita
• Fabricarea și caracterizarea (prin microscopie) a dispozitivului LoC pentru sinteza nanoparticulelor de magnetita
• Sinteza nanoparticulelor de magnetita folosind dispozitivul LoC nou fabricat
• Caracterizarea (prin TEM, SAED, EDAX, SEM, XRD, FT-IR, DTA-TG) a nanoparticulelor sintetizate
• Optimizarea dispozitivului LoC
• Sinteza nanoparticulelor utilizând dispozitivul LoC optimizat
• Caracterizarea (prin TEM, SAED, EDAX, SEM, XRD, FT-IR, DTA-TG) a nanoparticulelor sintetizate
Etapa 3
Dezvoltarea unui sistem polimeric hibrid pentru livrarea de medicamente care încapsulează nanoparticulele funcționalizate folosind dispozitivul LoC
• Proiectarea unui dispozitiv LoC pentru sinteza microparticulelor polimerice care încapsulează nanoparticulele de magnetită
• Fabricarea dispozitivului LoC pentru sinteza microparticulelor polimerice care încapsulează nanoparticulele de magnetită
• Sinteza microparticulelor polimerice care încapsulează nanoparticulele de magnetită folosind dispozitivul LoC
• Caracterizarea (prin TEM, SAED, EDAX, SEM, XRD, FT-IR, DTA-TG) a microparticulelor polimerice sintetizate care încapsuleazănanoparticulele de magnetită
• Optimizarea dispozitivului LoC
• Sinteza microparticulelor polimerice care încorporează nanoparticulele utilizând dispozitivul LoC optimizat
Caracterizarea (prin TEM, SAED, EDAX, SEM, XRD, FT-IR, DTA-TG) a microparticulelor polimerice sintetizate
Diseminarea rezultatelor
Tabelul 1. Lista articolelor științifice publicate în cadrul proiectului.
| Titlu | Autori | Jurnal | Factor de impact |
| Synthesis of Magnetite Nanoparticles through a Lab-On-Chip Device (10.3390/ma14195906) | Cristina Chircov, Alexandra Cătălina Bîrcă, Alexandru Mihai Grumezescu, Bogdan Stefan Vasile, Ovidiu Oprea, Adrian Ionut Nicoară, Chih-Hui Yang, K.C. Huang, Ecaterina Andronescu | Materials | 3,748 |
| Biosensors-on-Chip: An Up-to-Date Review (10.3390/molecules25246013) | Cristina Chircov, Alexandra Cătălina Bîrcă, Alexandru Mihai Grumezescu, Ecaterina Andronescu | Molecules | 4,927 |
| Fabrication and Applications of Microfluidic Devices: A Review (10.3390/ijms22042011) | Adelina-Gabriela Niculescu, Cristina Chircov, Alexandra Cătălina Bîrcă, Alexandru Mihai Grumezescu | International Journal of Molecular Sciences | 6,208 |
| Polymeric Nanoparticles for Antimicrobial Therapies: An Up-To-Date Overview (10.3390/polym13050724) | Vera Alexandra Spirescu, Cristina Chircov, Alexandru Mihai Grumezescu, Ecaterina Andronescu | Polymers | 4,967 |
| Nanomaterials Synthesis through Microfluidic Methods: An Updated Overview (10.3390/nano11040864) | Adelina-Gabriela Niculescu, Cristina Chircov, Alexandra Cătălina Bîrcă, Alexandru Mihai Grumezescu | Nanomaterials | 5,719 |
| Magnetite Nanoparticles: Synthesis Methods – A Comparative Review (10.1016/j.ymeth.2021.04.018) | Adelina-Gabriela Niculescu, Cristina Chircov, Alexandra Cătălina Bîrcă, Alexandru Mihai Grumezescu | Methods | 4,647 |
| Polymer-Based Nanosystems—A Versatile Delivery Approach (10.3390/ma14226812) | Adelina-Gabriela Niculescu, Alexandru Mihai Grumezescu | Materials | 3,748 |
| Magnetite Nanoparticles and Essential Oils Systems for Advanced Antibacterial Therapies (10.3390/ijms21197355) | Antonio David Mihai, Cristina Chircov, Alexandru Mihai Grumezescu, Alina Maria Holban | International Journal of Molecular Sciences | 6,208 |
| Microfluidic Synthesis of -NH2– and -COOH-functionalized Magnetite Nanoparticles (10.3390/nano12183160) | Cristina Chircov, Alexandra Cătălina Bîrcă, Bogdan Stefan Vasile, Ovidiu-Cristian Oprea, Alexandru Mihai Grumezescu | Nanomaterials | 5,719 |
| A Review of Microfluidic Experimental Designs for Nanoparticle Synthesis (10.3390/ijms23158293) | Adelina Gabriela Niculescu, Dan Eduard Mihaiescu, Alexandru Mihai Grumezescu | International Journal of Molecular Sciences | 6,208 |
Tabelul 2. Lista conferințelor la care au fost diseminate rezultatele obținute în cadrul proiectului.
| Titlu | Autori | Instituție | Ediție |
| Standardized synthesis of iron oxide nanoparticles through lab-on-chip devices | Cristina Chircov, Alexandru Mihai Grumezescu, Anton Ficai, Bogdan Stefan Vasile, Ecaterina Andronescu | E-MRS | Spring Meeting 2021 |
| -NH2– and -COOH-functionalized iron oxide nanoparticles obtained through a lab-on-chip device | Cristina Chircov, Alexandru Mihai Grumezescu, Alexandra Catalina Birca, Anton Ficai, Bogdan Stefan Vasile, Ecaterina Andronescu | E-MRS | Fall Meeting 2021 |
| -COOH-functionalized magnetite nanoparticles synthesized through a microfluidic lab-on-chip device | Cristina Chircov, Alexandru Mihai Grumezescu, Alexandra Catalina Birca, Anton Ficai, Bogdan Stefan Vasile, Ecaterina Andronescu | E-MRS | Spring Meeting 2022 |
| Microfluidic synthesis of amino- and carboxyl-functionalized magnetite nanoparticles | Cristina Chircov, Alexandru Mihai Grumezescu, Alexandra Catalina Birca, Ovidiu Cristian Oprea, Bogdan Stefan Vasile, Ecaterina Andronescu | ICC9, ECerS, Electro Ceramics | Ceramics in Europe 2022 |
| Microfluidic synthesis of dextran-coated magnetite nanoparticles | Cristina Chircov, Andrei Ilie, Bogdan Stefan Vasile, Ovidiu Cristian Oprea, Alexandra Catalina Birca, Ecaterina Andronescu, Alexandru Mihai Grumezescu | RICCCE 2022 | RICCCE 22 – 22nd Romanian International Conference on Chemistry and Chemical Engineering 2022 |
În urma tuturor analizelor, s-a demonstrat eficiența crescută a metodelor microfluidice în sinteza MNPs și al nanomaterialelor în general. Pe lângă obținerea unor proprietăți ale nanoparticulelor standardizate și uniforme, utilizarea dispozitivelor LoC reduce timpul de sinteză, simplifică și eficientizează procesul de spălare și separă MNPs cu proprietăți magnetice de cele non-magnetice, eliminând influența gravitației în procesul de separare și purificare al acestora. Mai mult decât atât, versatilitatea metodelor microfluidice oferă posibilitatea proiectării și fabricării unei varietăți largi de configurații ale microcanalelor în funcție de necesitățile fiecărei sinteze în parte, aceasta reprezentând impactul major dat de implementarea prezentului proiect.
EN
Multifunctional lab-on-a-chip microfluidic platform for the fabrication of nanoparticles
Abbreviation: NANOCHIP
Project code: PN-III-P1.1-TE-2019-1450
Contract number: 103
Start: 07 September 2020
End: 06 September 2022
Duration: 24 months
Budget: 431.900,00 RON
Contracting authority: UEFISCDI – Executive Unit for Financing Higher Education, Research, Development and Innovation
Coordinating institution: UPB-CNMN – University POLITEHNICA of Bucharest – National Center for Micro and Nanomaterials
Project team
Project manager: Assoc.Prof.PhD.Eng. Alexandru Mihai GRUMEZESCU
Early-stage researcher: RSI Anton FICAI
Early-stage researcher: RSIII Bogdan Ștefan VASILE
PhD student: Eng. Elena Alexandra STOICA (OPREA)
PhD student: Eng. Alexandra Cristina BURDUȘEL
PhD student: Eng. Alexandra Cătălina BÎRCĂ
PhD student: Eng. Cristina CHIRCOV
Postdoctoral researcher: SRA Vladimir Lucian ENE
Project objective
Considered the technology of the 21st century, nanotechnology has witnessed tremendous advancements in the recent years, with multidimensional impacts to society. The application of nanotechnology in the health care system brings new prospect for the diagnosis, prevention, treatment, and follow-up of various diseases. However, there are only 50 types of nanoparticles (NPs) approved for clinical use, as there are still some issues that need to be overcome: limited control of the properties, lack of uniformity, unpredictable effects inside the body, and need of specialized personnel for the synthesis processes. Through this project, we propose a potential solution that could revolutionize nanotechnology: the development of lab-on-chip (LoC) devices for the synthesis of NPs and drug delivery systems. Based on our previous experience, we will focus on the design and fabrication of an all-in-one LoC device for the synthesis of ready-to-use magnetite NPs. Further, we will develop a LoC device for the one-step fabrication of polymeric microparticles encapsulating magnetite NPs. The starting point is our previously manufactured LoC device which has been proved useful for developing polymer-polymer microparticles for the controlled release of bioactive molecules. The objectives of our project are: 1) Fabrication of suitable LoC devices; 2) Synthesis of magnetite NPs using the LoC device; 3) Optimization of the LoC device to eliminate the variability and enhance reproducibility; 4) Development of a hybrid drug delivery system based on polymeric microparticles encapsulating magnetite NPs. All the synthesized materials will be characterized in order to assess their precise physico-chemical properties and ensure the reproducibility of our devices. Thus, we are confident that this project represents the initial step in revolutionizing nanotechnology by providing the means to synthesize standardized nanomaterials and advancing from the concept of variability towards reproducibility.
Working plan
Stage 1
LoC device, using literature information, for the synthesis of magnetite nanoparticles
• Synthesis of magnetite nanoparticles using the LoC device
• Characterization (through TEM, SAED, EDAX, SEM, XRD, FT-IR, DTA-TG) of the synthesized nanoparticles
Stage 2
Design, fabrication and testing of an LoC device through the synthesis of magnetite nanoparticles
• Design of an LoC device for the synthesis of magnetite nanoparticles
• Fabrication and characterization (by microscopy) of the LoC device for the synthesis of magnetite nanoparticles
• Synthesis of magnetite nanoparticles using the novel LoC device
• Characterization (by TEM, SAED, EDAX, SEM, XRD, FT-IR, DTA-TG) of the synthetized magnetite nanoparticles
• Optimization of the LoC device
• Synthesis of magnetite nanoparticles using the optimized LoC device
• Characterization (by TEM, SAED, EDAX, SEM, XRD, FT-IR, DTA-TG) of synthetized magnetite nanoparticles
Stage 3
Development of a hybrid polymeric drug delivery system incorporating functionalized nanoparticles using the LoC device
• Design of a LoC device for the synthesis of polymeric microparticles encapsulating magnetite nanoparticles
• Fabrication of the LoC device for the synthesis of polymeric microparticles encapsulating magnetite nanoparticles
• Synthesis of polymeric microparticles encapsulating magnetite nanoparticles using the LoC device
• Characterization (by TEM, SAED, EDAX, SEM, XRD, FT-IR, DTA-TG) of the synthesized polymeric microparticles encapsulating magnetite nanoparticles
• Optimization of the LoC device
• Synthesis of polymeric microparticles encapsulating magnetite nanoparticles using the optimized LoC device
• Characterization (by TEM, SAED, EDAX, SEM, XRD, FT-IR, DTA-TG) of the synthetized polymeric microparticles
Results dissemination
Table 1. List of scientific articles published within the project.
| Title | Authors | Journal | Impact factor |
| Synthesis of Magnetite Nanoparticles through a Lab-On-Chip Device (10.3390/ma14195906) | Cristina Chircov, Alexandra Cătălina Bîrcă, Alexandru Mihai Grumezescu, Bogdan Stefan Vasile, Ovidiu Oprea, Adrian Ionut Nicoară, Chih-Hui Yang, K.C. Huang, Ecaterina Andronescu | Materials | 3,748 |
| Biosensors-on-Chip: An Up-to-Date Review (10.3390/molecules25246013) | Cristina Chircov, Alexandra Cătălina Bîrcă, Alexandru Mihai Grumezescu, Ecaterina Andronescu | Molecules | 4,927 |
| Fabrication and Applications of Microfluidic Devices: A Review (10.3390/ijms22042011) | Adelina-Gabriela Niculescu, Cristina Chircov, Alexandra Cătălina Bîrcă, Alexandru Mihai Grumezescu | International Journal of Molecular Sciences | 6,208 |
| Polymeric Nanoparticles for Antimicrobial Therapies: An Up-To-Date Overview (10.3390/polym13050724) | Vera Alexandra Spirescu, Cristina Chircov, Alexandru Mihai Grumezescu, Ecaterina Andronescu | Polymers | 4,967 |
| Nanomaterials Synthesis through Microfluidic Methods: An Updated Overview (10.3390/nano11040864) | Adelina-Gabriela Niculescu, Cristina Chircov, Alexandra Cătălina Bîrcă, Alexandru Mihai Grumezescu | Nanomaterials | 5,719 |
| Magnetite Nanoparticles: Synthesis Methods – A Comparative Review (10.1016/j.ymeth.2021.04.018) | Adelina-Gabriela Niculescu, Cristina Chircov, Alexandra Cătălina Bîrcă, Alexandru Mihai Grumezescu | Methods | 4,647 |
| Polymer-Based Nanosystems—A Versatile Delivery Approach (10.3390/ma14226812) | Adelina-Gabriela Niculescu, Alexandru Mihai Grumezescu | Materials | 3,748 |
| Magnetite Nanoparticles and Essential Oils Systems for Advanced Antibacterial Therapies (10.3390/ijms21197355) | Antonio David Mihai, Cristina Chircov, Alexandru Mihai Grumezescu, Alina Maria Holban | International Journal of Molecular Sciences | 6,208 |
| Microfluidic Synthesis of -NH2– and -COOH-functionalized Magnetite Nanoparticles (10.3390/nano12183160) | Cristina Chircov, Alexandra Cătălina Bîrcă, Bogdan Stefan Vasile, Ovidiu-Cristian Oprea, Alexandru Mihai Grumezescu | Nanomaterials | 5,719 |
| A Review of Microfluidic Experimental Designs for Nanoparticle Synthesis (10.3390/ijms23158293) | Adelina Gabriela Niculescu, Dan Eduard Mihaiescu, Alexandru Mihai Grumezescu | International Journal of Molecular Sciences | 6,208 |
Table 2. The list of conferences where the results obtained within the project were disseminated.
| Title | Authors | Conference | Edition |
| Standardized synthesis of iron oxide nanoparticles through lab-on-chip devices | Cristina Chircov, Alexandru Mihai Grumezescu, Anton Ficai, Bogdan Stefan Vasile, Ecaterina Andronescu | E-MRS | Spring Meeting 2021 |
| -NH2– and -COOH-functionalized iron oxide nanoparticles obtained through a lab-on-chip device | Cristina Chircov, Alexandru Mihai Grumezescu, Alexandra Catalina Birca, Anton Ficai, Bogdan Stefan Vasile, Ecaterina Andronescu | E-MRS | Fall Meeting 2021 |
| -COOH-functionalized magnetite nanoparticles synthesized through a microfluidic lab-on-chip device | Cristina Chircov, Alexandru Mihai Grumezescu, Alexandra Catalina Birca, Anton Ficai, Bogdan Stefan Vasile, Ecaterina Andronescu | E-MRS | Spring Meeting 2022 |
| Microfluidic synthesis of amino- and carboxyl-functionalized magnetite nanoparticles | Cristina Chircov, Alexandru Mihai Grumezescu, Alexandra Catalina Birca, Ovidiu Cristian Oprea, Bogdan Stefan Vasile, Ecaterina Andronescu | ICC9, ECerS, Electro Ceramics | Ceramics in Europe 2022 |
| Microfluidic synthesis of dextran-coated magnetite nanoparticles | Cristina Chircov, Andrei Ilie, Bogdan Stefan Vasile, Ovidiu Cristian Oprea, Alexandra Catalina Birca, Ecaterina Andronescu, Alexandru Mihai Grumezescu | RICCCE 2022 | RICCCE 22 – 22nd Romanian International Conference on Chemistry and Chemical Engineering 2022 |
Following all analyses, the increased efficiency of microfluidic methods in the synthesis of MNPs and nanomaterials, in general, was demonstrated. In addition to obtaining standardized and uniform nanoparticle properties, using LoC devices reduces synthesis time, simplifies and streamlines the washing process, and separates MNPs with magnetic properties from non-magnetic ones, eliminating the influence of gravity in their separation and purification process. Moreover, the versatility of microfluidic methods offers the possibility of designing and manufacturing a wide variety of microchannel configurations according to the needs of each synthesis, representing the major impact given by the implementation of this project.