Vydajte sa na prehliadku malého, nádherného sveta mikrofluidiky

(luchschen/iStock/Getty Images)

Keď premýšľate o mikro- alebo nanotechnológii, pravdepodobne si predstavíte malú elektroniku, ako je váš telefón, malý robot alebo mikročip.

ale COVID-19 testy – ktoré sa ukázali ako kľúčové pri kontrole pandemický – sú tiež formou miniaturizovanej technológie. Mnohé testy na COVID-19 môžu poskytnúť výsledky v priebehu niekoľkých hodín bez toho, aby bolo potrebné poslať vzorku do laboratória, a väčšina týchto testov používa prístup nazývaný mikrofluidika .

Som profesor bioinžinierstva a pracovať s mikrofluidikou pre môj výskum.



Všetko od tehotenských testov cez glukózové prúžky po atramentové tlačiarne až po genetické testy sa spolieha na mikrofluidiku. Táto technológia, o ktorej mnohí ľudia nevedia, je všade a rozhodujúca pre mnohé z vecí, ktoré hýbu moderným svetom.

Čo sú mikrofluidiky?

Mikrofluidné systémy sú akékoľvek zariadenie, ktoré spracováva nepatrné množstvá kvapalín. Tekutiny prechádzajú kanálmi tenšími ako vlas a malé ventily môžu zapnúť a vypnúť tok. Tieto kanály sú vyrobené z materiálov, ako je sklo, polyméry, papier alebo gély.

Jedným zo spôsobov presunu tekutín je mechanické čerpadlo; ďalším spôsobom je použiť povrchové nálože určitých materiálov ; a ešte ďalším je použiť tzv kapilárne pôsobenie – bežnejšie známy ako knotový . Vzlínanie je proces, pri ktorom je energia uložená v kvapaline poháňa kvapalinu cez úzke priestory .

V malých rozmeroch sa tekutiny správajú neintuitívnym spôsobom. Nepredstavujte si turbulentné, chaotické prúdenie vychádzajúce zo záhradnej hadice alebo vašej sprchovej hlavice. Namiesto toho v zúžených objemoch mikrokanála, toky sú desivo stabilné .

Kvapaliny sa pohybujú kanálom v organizovaných paralelných prúdoch - nazývaných laminárne prúdenie. Laminárne prúdenie je jedným z veľkých zázrakov mikrofluidných systémov. Nasledujú tekutiny a častice v laminárnom prúdení cesty, ktoré sú matematicky predvídateľné – nevyhnutnosť pre presné strojárstvo a dizajn medicínskych zariadení.

Tieto procesy – inšpirujúce pre výskumníkov – existujú v prírode celé veky. Rastliny transportujú živiny od svojich koreňov až po najvyššie vetvy pomocou vzlínavosti, inšpirácie pre mikrofluidné obvody, ktoré sú napájané autonómne .

Chemici napodobňujú fyzikálne vlastnosti dažďových kvapiek a navrhli zariadenia, ktoré rozbijú vzorku milióny kvapiek a analyzovať ich závratnou rýchlosťou . Každá kvapôčka je v podstate malé chemické laboratórium, ktoré umožňuje chemikom okrem iného študovať vývoj biomolekúl a vykonávať ultrarýchlu genetickú analýzu.

A nakoniec, každý kút ľudského tela je mikrofluidný. Nemohli by sme sa narodiť ani fungovať bez zložitých krvných kapilár, ktoré prinášajú potravu, kyslík a signálne molekuly do každej bunky.

Výhody drobnej techniky

Podobne ako v mikroelektronike, aj v mikrofluidike je kľúčová veľkosť.

Ako sa komponenty zmenšujú, zariadenia sa môžu spoliehať na zvláštne vlastnosti kvapalín v malých mierkach fungujú rýchlejšie a efektívnejšie a ich výroba je lacnejšia . Mikrofluidná revolúcia sa potichu spája s elektronickým náprotivkom.

Ďalšou veľkou výhodou mikrofluidných zariadení je to, že vyžadujú len veľmi malé množstvá kvapaliny, a preto môžu mať malú veľkosť.

NASA zvažovala mikrofluidné analyzátory pre svoje rovery na Marse . Analýza vzácnych tekutín – ako je ľudská krv – tiež ťaží zo schopnosti používať malé vzorky. Napríklad glukomery sú mikrofluidné prístroje, ktoré vyžadujú iba kvapku krvi na meranie cukru v krvi diabetika.

Mikrofluidika v technike, biológii a medicíne

Je pravdepodobné, že vo svojom živote používate mikrofluidiku pomerne často. Atramentové tlačiarne strieľajú malé kvapôčky atramentu. 3D tlačiarne vytláčajú roztavený polymér cez mikrofluidnú trysku. Atrament v plniacich perách a guľôčkových perách prúdi mikrofluidnými princípmi. Nebulizéry pre pacientov s astmou rozprašujú hmlu mikroskopických kvapiek liečiva. Tehotenský test sa spolieha na prietok moču v mikrofluidnom papierovom prúžku.

Vo vedeckom výskume môže mikrofluidika nasmerovať lieky, živiny alebo akúkoľvek tekutinu do veľmi špecifických častí organizmov, aby presnejšie simulovala biologické procesy.

Napríklad výskumníci majú chytili červy v kanáloch a stimulovali ich pachmi dozvedieť sa o neurónových obvodoch. Ďalší tím nasmeroval živiny do špecifických oblastí koreňa rastliny, ktoré sa majú pozorovať rôzne reakcie na rastové chemikálie .

Iné skupiny vymysleli mikrofluidné pasce, ktoré fyzicky zachytávať vzácne nádorové bunky z krvi .

Množstvo mikrofluidných genetických čipov poskytuje energiu rýchle sekvenovanie ľudského genómu a robiť personalizované testy DNA ako napr 23andMe realitou. Nič z toho by nebolo možné bez mikrofluidiky.

Budúcnosť mikrofluidiky

Mikrofluidika bude rozhodujúca pre uvedenie medicíny do novej, rýchlej a cenovo dostupnej éry. Nositeľné zariadenia, ktoré merajú látky v pote na monitorovanie cvičenia a implantovateľné zariadenia, ktoré lokálne dodávajú rakovinové lieky do pacientovho nádoru sú niektoré z ďalších hraníc biomedicínskej mikrofluidiky.

Výskumníci vyvíjajú zložité, fascinujúce mikrofluidné systémy tzv orgány na čipe ktorých cieľom je simulovať rôzne aspekty ľudskej fyziológie.

V mojom vlastnom laboratóriu a ďalších laboratóriách po celom svete tímy vyvíjajú platformy tumor-on-a-chip na testovanie rakovina drogy účinnejšie. Tieto avatary pacientov umožnia vedcom testovať nové spôsoby liečby spôsobom, ktorý nezahŕňa náklady, utrpenie a etické problémy spojené s testovaním na zvieratách alebo ľuďoch.

V mojom laboratóriu najskôr rozoberieme biopsiu nádoru od pacienta s rakovinou na tisíce mikroskopických pravidelných kúskov, ktoré nechávame nažive. Vďaka ich malým rozmerom môžeme použiť mikrofluidiky zachyťte drobné kúsky nádoru vo viacerých jamkách , jedna jamka na liek.

Tieto vzorky si zachovávajú vhodné bunkové prostredie nádoru, čo nám umožní presnejšie predpovedať, ako bude liek pôsobiť na konkrétnu osobu.

Predstavte si, že pôjdete k lekárovi, necháte si extrahovať biopsiu a za menej ako týždeň pomocou nášho mikrofluidného zariadenia doktor dokáže zistiť, ktorý kokteil liekov najlepšie funguje na odstránenie vášho nádoru. To je stále v budúcnosti, ale vieme, že budúcnosť bude mikrofluidná.

Albert Folch , profesor bioinžinierstva, Washingtonská univerzita .

Tento článok je znovu publikovaný z Konverzácia pod licenciou Creative Commons. Čítať pôvodný článok .

O Nás

Publikácia Nezávislých, Osvedčených Skutočností O Správach O Zdraví, Priestore, Prírode, Technológii A Životnom Prostredí.