Proiectul HerAqua dezvoltă un dispozitiv electrochimic microfluidic inovator, bazat pe nanostructuri de carbon pentru monitorizarea continuă a hormonilor feminini atât în fluide corporale artificiale cât și în ape uzate . Dezechilibrul hormonal afectează femeile în etapele reproductive, la menopauză și în diverse patologii, în timp ce hormonii excretați acționează ca perturbatori endocrini în mediul înconjurător.

HerAqua propune un sistem integrat bazat pe nanostructuri de tip MXene și dot-uri cuantice de carbon (CQD) , decorate cu nanoparticule de aur și funcționalizate cu aptameri sau anticorpi, permițând detecția selectivă și sensibilă a hormonilor. Proiectul dezvoltă metode de sinteză verzi folosind solvenți eutectici naturali, pentru minimizarea impactului asupra mediului. Rezultatul final este un demonstrator de laborator (TRL 5) capabil de detecție multiplă a hormonilor cu sensibilitate ridicată, timp de răspuns scurt și volum minim de probă, potrivit pentru aplicații point-of-care și monitorizarea mediului.

HerAqua definește trei obiective principale , susținute de mai multe sub-obiective științifice.

Obiectivul 1 — Dezvoltarea electrozilor pe bază de nanostructuri de carbon. Proiectarea și sinteza de nanostructuri MXene și CQD utilizând solvenți eutectici verzi și rute electrochimice. Aceste materiale vor fi combinate și decorate cu nanoparticule de aur pentru a produce interfețe de electrod cu conductivitate și suprafață mare, optimizate pentru detecția hormonilor. Rezultate așteptate: metode de sinteză scalabile și mai sigure, performanță electrochimică îmbunătățită și amprentă ecologică redusă.

Obiectivul 2 — Crearea de (bio)senzori cu selectivitate ridicată pentru detecția hormonilor. Funcționalizarea electrozilor nanostructurați cu aptameri, anticorpi și enzime pentru detecția de  estrogen, progesteron, FSH, LH, TSH și tiroxină. Dezvoltarea de protocoale optimizate de detecție electrochimică (DPV, EIS, CV). Rezultate așteptate: limite de detecție până la nivel nanomolar/picomolar; selectivitate și stabilitate sporite; detecție simultană a mai multor hormoni în matrice complexe.

Obiectivul 3 — Construirea și integrarea unui dispozitiv microfluidic pentru monitorizare continuă. Dezvoltarea unei platforme microfluidice ce integrează (bio)senzorii realizați pentru măsurători continue, în timp real, în flux. Validarea dispozitivului cu fluide corporale sintetice și probe de apă de mediu din surse rurale și urbane. Rezultate așteptate: demonstrator de laborator la TRL 5; platformă de detecție portabilă, cu costuri reduse, capabilă de multidetecție; funcționare stabilă pe mai multe cicluri.

HerAqua este implementat de un consorțiu internațional, intercontinental și echilibrat strategic între instituții de cercetare și industrie, acoperind toate competențele necesare de la sinteza materialelor până la ingineria și validarea dispozitivelor.

Coordonator – Institute of Fluid-Flow Machinery, Academia Poloneză de Științe (Polonia)

Expertiză în electrochimie, nanostructuri de carbon, biosenzori și integrarea dispozitivelor. Coordonează managementul proiectului, dezvoltarea sintezei și funcționalizarea biosenzorilor.

Partener 2 – Universidade de São Paulo (Brazilia)

Specializat în sinteza nanomaterialelor (MXene, CQDs), caracterizare electrochimică și abordări de chimie verde. Coordonează WP2 privind dezvoltarea electrozilor pe bază de nanocarbon.

Partener 3 – Institutul Național de Fizica Materialelor (România)

Expert în microfluidică, modelare teoretică și diagnostic avansat. Responsabil pentru testarea și validarea dispozitivului microfluidic integrat cu ape reale și fluide corporale sintetice. Susține caracterizarea senzorilor și optimizarea dispozitivului.

La NIMP, proiectul este desfășurat de grupul Laboratorului 10. Nanostructuri Funcționale.

Partener 4 – MICRUX FLUIDIC S.L. (Spania)

Partener industrial care oferă expertiză comercială în arhitecturi microfluidice, imprimare de electrozi și platforme electrochimice miniaturizate. Coordonează WP4 (construcția dispozitivului) și susține exploatarea și analiza ciclului de viață (LCA), facilitând trecerea de la cercetare la comercializare.

Etapa 1 (2025) a fost dedicata studiul procesului de imprimare 3D pentru microstructuri și pe designul unui dispozitiv microfluidic dedicat analizelor electrochimice. Activitatea a vizat atât caracterizarea limitelor tehnologice ale imprimării 3D cu rășini fotopolimerizabile, cât și modelarea hidrodinamică a fluxului în microcanale, în vederea conceperii unui sistem fiabil și reproductibil.

1. Analiza acurateței imprimării 3D

Au fost proiectate geometrii de calibrare constând în orificii circulare și linii cu lățimi variabile, fabricate cu o imprimantă 3D cu rășină (Elegoo Saturn 4 Ultra 16k). Analiza microscopică a arătat:

• Orificiile circulare prezintă două diametre (intern și extern), formând un profil conic, datorat fotopolimerizării neuniforme. Straturile inferioare se micșorează, iar cele superioare se lărgesc, definind un gradient sistematic al diametrului.
• Liniile imprimate manifestă două regimuri:
  • la lățimi mici apar lărgiri semnificative, cauzate de difuzia luminii;
  • la lățimi mari apare ușoară contractare, datorată reticulării și distribuției luminii.
• Colțurile liniilor sunt rotunjite în mod sistematic, ceea ce are implicații importante pentru microfluidică, unde joncțiunile și interfețele sensibile necesită margini clare.

Compararea valorilor măsurate cu cele din CAD arată că erorile sunt sistematice și dependente de scară, nu aleatorii. Aceasta permite definirea unor toleranțe predictibile pentru proiectarea canalelor microfluidice și identificarea limitelor reale de rezoluție ale sistemului de imprimare.

2. Proiectarea dispozitivului microfluidic

A fost dezvoltat un model CAD care include două (posibil trei) intrări, regiune de amestec și zonă de detecție. Principalele variabile analizate sunt unghiul de bifurcație, lungimea și lățimea intrărilor, diametrul zonei de amestec și geometria zonei de detecție. Acestea vor fi optimizate prin simulări pentru:

• distribuția presiunii,
• viteza de curgere,
• transportul de masă,
• stabilitatea semnalului electrochimic.

3. Configurațiile electrozilor

Au fost propuse trei arhitecturi:

• A1 & A2: electrozi tip fir (paralel sau perpendicular pe flux).
  • Avantaje: fabricație simplă, manipulare ușoară pentru fire groase.
  • Dezavantaje: firele groase perturbă curgerea; firele subțiri sunt fragile.
• A3: electrozi planari metalici pe substrat.
  • Avantaje: profil hidrodinamic uniform, control fin al suprafeței active.
  • Dezavantaje: necesită procesare suplimentară și asigurarea expunerii corecte la fluid.

4. Simulări numerice ale curgerii

Simulările COMSOL au analizat cele două geometrii cu electrozi tip fir:

• Configurația paralelă: curgere uniformă, perturbări minime, vorticitate redusă, distribuție stabilă a presiunii — favorabilă detecției electrochimice reproducibile.
• Configurația perpendiculară: obstrucție semnificativă, zone de recirculație, vorticitate crescută, perturbații în profilul de difuzie — posibil avantajoasă doar în aplicații unde se dorește mixare suplimentară.

Concluzie generală

Etapa 1 a stabilit parametrii critici ai fabricației prin imprimare 3D și ai designului microfluidic. Rezultatele demonstrează limitările dimensionale ale imprimării și modul în care acestea trebuie integrate în proiectare. Simulările au identificat configurația optimă pentru plasarea electrozilor, punând bazele realizării unui dispozitiv microfluidic robust, reproductibil și adaptat detecției electrochimice de înaltă sensibilitate.

In cadrul INCDFM, proiectul presupune formarea a doi doctoranzi și a doi cercetători postdoctorali în domeniul tehnologiilor și ingineriei biosenzorilor.