Nanostructurile și ingineria biomedicală

La etapa actuală tot mai des cercetarea ştiinţifică are două particularităţi distincte. Pe de o parte, investigaţiile sunt efectuate, de regulă, în echipe. Iar pe de altă parte, cercetările poartă un caracter interdisciplinar. În acest context se înscrie și subiectul tezei de doctor în științe tehnice privind elaborarea condițiilor tehnologice de creare a nano- și microarhitecturilor 2D și 3D în baza GaN pentru utilizare în domeniile electronicii, fotonicii, optoelectronicii și nanomedicinei, cercetat de Fiodor BRANIȘTE, sub îndrumarea conducătorului ştiinţific acad. Ion TIGHINEANU, în laboratoarele Centrului Național de Studiu și Testare a Materialelor şi Departamentului Microelectronică și Inginerie Biomedicală din cadrul Universităţii Tehnice a Moldovei.

După finisarea reuşită a masteratului în 2013 în „Microelectronică și nanotehnologii”, perioada studiilor de doctorat 2013-2016 pentru competitor a fost una foarte intensă şi fructuoasă. Fiind antrenat consecutiv în 5 proiecte naţionale şi internaţionale de cercetare cu tangenţe la subiectul tezei, a avut 4 stagii la Universitatea de Medicină din Hannover, Germania; 3 stagii la Universitatea Politehnică din Lausanne, Elveția; 2 – la Universitatea Tehnică din Darmstadt, Germania şi 1 – la Universitatea Bilkent din Ankara, Turcia. Graţie aprecierii înalte a rezultatelor realizate în primii ani în doctorantură, a devenit posesor al Bursei de excelență a Guvernului pentru anul 2015, totodată, prin concurs în baza proiectelor individuale înaintate a devenit posesor al Bursei Federației Mondiale a Savanților (2014) şi al Bursei oferite de Serviciul de Schimb Academic German (DAAD), având astfel posibilitatea realizării stagiilor periodice de cercetare științifică în Germania (2014-2016).

Doctorandul Fiodor BRANIȘTE a identificat condițiile tehnologice de creare a membranelor ultrasubțiri nanoperforate în baza GaN prin utilizarea metodei litografiei cu sarcină de suprafață și elaborarea dispozitivelor electronice și fotonice în baza nanomembranelor suspendate; a elaborat şi a optimizat condițiile tehnologice de nanostructurare în volum a straturilor subțiri de GaN pe safir crescute prin metoda MOCVD și a substraturilor de GaN crescute prin metoda HVPE pentru crearea structurilor tridimensionale ordonate cu nanopori autoordonați și cristale fotonice; a cercetat şi a caracterizat proprietățile structurilor obținute (SEM, AFM, CL, PL ș.a.); a identificat condițiile tehnologice de obținere a nanoarhitecturilor în baza GaN, distribuite spațial și stabile în mediile lichide pentru a evita aglomerarea acestora; a investigat influența nanoparticulelor în baza materialelor semiconductoare asupra celulelor vii, inclusiv gradul de toxicitate a nanoparticulelor în dependență de compoziția chimică, concentrația sau starea nanoparticulelor; a stabilit posibilitățile de a influența de la distanță asupra celulelor vii prin intermediul nanoparticulelor.

Pentru prima dată a fost demonstrat memristorul în baza rețelelor de nanomembrane ultrasubțiri de GaN. Efectul memristiv se datorează migrării sarcinilor încapsulate ce apar graţie proceselor tehnologice la care este supus materialul în procesul de creare a membranelor prin metoda SCL. Introducerea nanoperforării în membranele ultrasubțiri are un rol important în modificarea proprietăților fotonice ale dispozitivelor create.

Pentru prima dată a fost investigată interacțiunea nanoparticulelor de GaN cu celulele endoteliale. Aplicațiile biomedicale propuse, cum ar fi stimularea electrică a motilității tractului gastro-intestinal de la distanță, utilizând nanoparticule de GaN injectate în peretele intestinal și activate cu ajutorul ultrasunetului reprezintă o inovație în domeniul tratamentului direcționat. Transportul dirijat al celulelor marcate cu nanoparticule cu proprietăți magnetice este o direcție nouă în ingineria biomedicală, dar care în colaborare cu biologia moleculară și genetica poate deveni în viitor o platformă viabilă de tratament biologic al maladiilor, unde nanoștiința va avea un rol major în imagistică și transportul direcționat.

Şi obținerea nano- și microarhitecturilor distribuite spațial pe rețeaua de aerografit este un rezultat științific important, care vine să soluționeze mai multe probleme legate atât de creșterea materialului, cât și de fixarea nanoparticulelor pentru a evita aglomerarea în medii lichide.

Iar rezultatele obținute în baza unui singur nanofir de Ga2O3/GaN:Ox/SnO2 sunt promițătoare pentru aplicațiile senzoriale unde sunt necesare dispozitive a căror timp de răspuns este de ~10 ms, rezistente la temperaturi înalte și la medii agresive.

Cercetând gama structurilor cu arhitectură spațială 2D și 3D în baza GaN, doctorandul a diversificat obținerea structurilor cu potențial aplicativ în dispozitive electronice de memorie non volatilă, cristale fotonice şi în biomedicină. Bunăoară, în rezultatul studierii interacțiunii celulelor vii cu nanoparticule în baza materialelor semiconductoare de GaN, ZnO și ZnFe2O4 s-a stabilit, că activitatea celulelor endoteliale este influențată de tipul materialului, concentrația sa în mediul de cultură precum și de starea acestuia. Prin fixarea nanoparticulelor de GaN pe siliconul biocompatibil, neaderent pentru celule, s-a demonstrat îmbunătățirea adeziunii celulelor pe suprafețele funcționalizate, fără a fi observate semne de toxicitate la creșterea concentrației nanoparticulelor, astfel indicând biocompatibilitatea nanostructurilor de GaN. A fost demonstrat efectul de asimilare al nanoparticulelor libere în mediul de cultură de către celulele endoteliale, fără a le influența activitatea de proliferare celulară. S-a stabilit localizarea nanoparticulelor în interiorul celulelor și anume în veziculele lor. A fost demonstrată ghidarea dirijată a celulelor endoteliale prin marcarea prealabilă cu nanoparticule magnetice și plasarea acestora în gradient continuu al câmpului magnetic. Ghidarea celulelor marcate cu nanoparticule cu proprietăți magnetice și piezoelectrice deschide posibilități noi de tratament bazat pe terapia celulară.

Doctorandul  Fiodor BRANIŞTE a conturat şi unele eventuale direcţii de cercetare pentru viitor. Cu scopul aplicării nanomembranelor de GaN la elaborarea dispozitivelor electronice se recomandă investigarea influenței dimensiunilor nanomembranelor precum și influența nanoperforării dirijate a lor asupra efectelor de memorare, influenței de lungă durată a nanoparticulelor chimic stabile în baza GaN asupra modificărilor fenotipice sau genotipice ale celulelor vii, utilizării nanoparticulelor cu proprietăți piezoelectrice în procesele de stimulare neuronală și celor cu proprietăți magnetice pentru ghidarea celulelor în interiorul organismelor vii.

Roadele muncii de trei ani a fost validat prin 17 publicaţii la tema tezei de doctorat, inclusiv 8 articole în reviste internaţionale cotate ISI şi SCOPUS; raportat la 6 conferinţe ştiinţifice, s-a soldat cu o medalie de aur şi una de argint la saloanele de inventică, iar metoda de stimulare a motilităţii tractului gastrointestinal este protejată cu „Brevetul de inventive” nr.4307 MD din 31.10.2014.

Iar Consiliul ştiinţific specializat de profil din Institutul de Inginerie Electronică şi Nanotehnologii „D. GHIȚU” al AŞM, printr-o hotărâre din 16 mai 2017, i-a conferit cercetătorului ştiinţific Fiodor BRANIȘTE gradul de doctor în ştiinţe tehnice la specialitatea „233.01 Nano-microelectronică și optoelectronică”.

 

Print article Print article Conținutul website-ului utm.md este destinat exclusiv informării publicului larg. Preluarea materialelor se permite în limita a maximum 500 de semne, dar nu mai mult de jumătate din articolul preluat. În aceste condiţii, este obligatorie citarea sursei şi a autorului, iar în cazul portalurilor informaţionale – indicarea linkul ce conduce direct la sursă. Republicarea integrală a conținutului site-ului este interzisă în lipsa unui acord prealabil din partea Universității Tehnice a Moldovei. Pentru a obține acest acord, vă rugăm să ne contactați pe pr@adm.utm.md .