• electrochemical etching
• liver-on-chip
• microarchitettura lobulare
• organs-on-chip

In questo lavoro di tesi è stato preso in considerazione lo sviluppo di un nuovo dispositivo di tipo “organs-on-chip”, per la coltura di cellule epatiche da utilizzare nello screening in vitro della tossicità dei farmaci. In fase di progettazione del dispositivo sono stati considerati gli aspetti morfologici e geometrici, su scala micro e nano-metrica, tipici dell’unità funzionale del fegato, il lobulo epatico. Il microambiente che questo studio si propone di realizzare è costituito di microcanali nanostrutturati paralleli, da realizzare su substrati di silicio mediante tecnologia di electrochemical etching.
La micro e nano-strutturazione del substrato di silicio è stata eseguita in un unico passo di processo attraverso l’utilizzo della tecnologia di electrochemical etching del silicio in soluzioni acquose a base di HF. Sebbene l’obiettivo futuro sia realizzare dei microcanali tra loro interconnessi che si sviluppano parallelamente alla superficie del wafer, in questo lavoro di tesi si è scelto di mettere a punto il processo di micro e nano-strutturazione utilizzando microcanali paralleli che si sviluppano perpendicolarmente alla superficie del silicio, lavorando, in tal modo, sull’unità elementare per il controllo dell’electrochemical etching, cioè il macroporo.
Dallo studio della letteratura è emerso che, per ottenere macropori con elevata densità di ramificazioni nanometriche sono necessari sia una soluzione elettrolitica contenente un’alta concentrazione di HF ed un agente chimico con elevato potere ossidante, che una tensione di anodizzazione del sistema silicio/elettrolita tale da indurre il fenomeno del breakdown a valanga. In una prima fase del lavoro, è stato studiato l’effetto di tre diversi agenti chimici ossidanti sulla morfologia dei macropori, ottenuti dall’anodizzazione di substrati
di silicio flat di tipo n. Gli agenti chimici ossidanti selezionati sono il perossido di idrogeno (H2O2) e l’idrossido di tetrametilammonio (TMAH). Dall’analisi morfologica effettuata al microscopio elettronico a scansione (SEM) dei campioni ottenuti dal processo di electrochemical etching, è emerso che i macropori ottenuti aggiungendo perossido di idrogeno (H2O2) alla soluzione elettrolitica presentano delle ramificazioni nanometriche, ortogonali alla direzione di crescita del poro principale, molto dense e pronunciate rispetto a quelle dei macropori ottenuti con la soluzione contenente TMAH. Questa morfologia è stata valutata come la più adatta all’applicazione proposta.
In una seconda fase dello studio, utilizzando la soluzione elettrolitica contenente perossido di idrogeno sono state realizzate matrici ordinate di macropori (o microcanali) paralleli che si sviluppano ortogonalmente alla superficie del silicio, mediando l’effetto del breakdown, che garantisce la nanostrutturazione dei pori, e del rifornimento di lacune fotogenerate dal back, che permette di aumentare il diametro del macroporo principale. Dall’analisi al microscopio elettronico a scansione (SEM) è emerso che i microcanali ottenuti hanno dimensioni che variano da 200nm fino ad 1µm e sono altamente interconnessi tra di loro a livello nanometrico.
Sulla base delle conoscenze teoriche e dei risultati sperimentali acquisiti nello svolgimento di questo lavoro di tesi, è possibile affermare che, selezionando opportunamente i parametri per il processo di etching elettrochimico del silicio, si possono ottenere macropori nanostrutturati altamente interconnessi, sebbene il diametro massimo dei macropori (1µm) ottenuti non sia ancora ottimale per l’applicazione richiesta (qualche µm).