Mikrofluidyka drogą do miniaturyzacji laboratorium

Mikrofluidyka jest nową i bardzo szybko rozwijającą się dziedziną nauki, opartą na połączeniu zasad fizyki, chemii, biologii, dynamiki płynów i mikroelektroniki. Zajmuje się badaniem i kontrolą płynów o niewielkiej objętości (stąd przedrostek mikro) w systemach hydraulicznych stworzonych w laboratorium. Takie zminiaturyzowane urządzenia w mikro skali są użytecznymi instrumentami do przeprowadzania reakcji chemicznych lub biochemicznych czy wykrywaniu różnych związków, a dzięki stosowaniu niewielkich ilości reagentów można drastycznie skrócić czas przeprowadzanych doświadczeń oraz zmniejszyć koszty. Technologia ta, mimo jej młodego wieku jest stosowana w życiu codziennym np. w domowych testach ciążowych, szybkich testach na obecność wirusów w tym testów na COVID-19, czy w monitorowaniu poziomu glukozy we krwi oraz w głowicach domowych drukarek atramentowych. W bionauce do określenia urządzeń stosujących mikrofluidykę stosuje się nazwę „Lab-on-a-chip”.

Rys. 1. Schemat brain-on-a-chip – chip naśladujący interakcje zachodzące w barierze krew-mózg, źródło: uFluidix

Laboratorium na chipie

Głównym założeniem technologii „Lab-on-a-chip” jest produkowanie małych urządzeń, które zastąpią całe laboratoria. Urządzenia mogą mieć rozmiary od kilku milimetrów do kilku centymetrów kwadratowych, zawierające kanały i komory reakcyjne, w których zachodzą reakcje chemiczne, na tej samej zasadzie jak z wykorzystaniem próbówek, tylko w tysiąc razy mniejszej objętości.

Chcesz dowiedzieć się więcej o tej technologii? Odwiedź naszą stronę!

Tym co różni modele w mikro od makro skali są siły napięcia powierzchniowego [1] i naładowanie elektrostatyczne [2] powierzchni cieczy. Naukowcy muszą wziąć pod uwagę różnice zachodzące w tych układach, a następnie opisać teoretycznie złożone właściwości, co może utrudniać rozwój tej techniki. Dodatkowo, aby wywoływać i  analizować procesy chemiczne zachodzące na chipie potrzeba wielu dodatkowych elementów takich jak: mikromechaniczne zawory, przepływomierze, dozowniki, reaktory, separatory, filtry, pompy, elementy grzejne czy czujniki temperatury i ciśnienia, które często nie podlegają miniaturyzacji.

Jednak porównując właściwości Lab-on-a-chip do tradycyjnych systemów badawczych, ich największymi zaletami są nie tylko obniżone koszty i stężenia reagentów, lecz także mniejsze zanieczyszczenie środowiska i obniżenie ilości wytwarzanych odpadów biologicznych i chemicznych oraz uzyskiwanie wiarygodnych statystycznie wyników. Dzięki tej metodzie być może możliwe będzie wykonywanie analiz medycznych w sposób spersonalizowany- przy łóżku pacjenta.

Druk 3D pomocny w produkcji chipów?

Drukowanie trójwymiarowe jest stosunkowo nowym, ale udanym podejściem do formowania kanałów mikroprzepływowych, stanowi on szybką alternatywę do produkcji chipów. Umożliwiło wytwarzanie zaworów, pomp i komponentów w skali mikro.

Nowoczesne technologie druku 3D z wysoką rozdzielczością pozwalają na efektywne wytwarzanie struktur mikroprzepływowych. Dzięki szybkości, wysokiej rozdzielczości i biokompatybilnym tuszom, drukarka Lumen X+ stanowi doskonałe rozwiązanie do szybkiej produkcji kanałów mikroprzepływowych i urządzeń typu organ-on-a-chip.

Rys. 2. Drukarka LumenX+, źródło: Cellink

Lumen X+ tworzy stałe hydrożele, zaczynając od kropli światłoczułego, płynnego biotuszu PhotoInk™ w zbiorniku. Przy użyciu przemysłowego projektora światła widzialnego obrazy są wyświetlane na kropli, dzięki czemu reagują i zestalają się w jedną warstwę, po czym usieciowana warstwa przesuwana jest w górę, dzięki czemu kolejna może powstać.

Rys. 3. Kanał mikrofluidyczny powstały za pomocą drukarki LumenX+, źródło: Cellink
Chcesz dowiedzieć się więcej o drukarkach 3D, odwiedź naszą stronę.

[1] Napięcie powierzchniowe – zjawisko fizyczne występujące na styku dwóch powierzchni, przejawia się tym, że ciecz zachowuje się jak sprężysta błona.

[2] Naładowanie elektrostatyczne – oddziaływanie ciał posiadających ładunek elektryczny.

Źródła:

Michał Laskowski, „Mikrofluidyka- technologia miniaturyzacji laboratorium”, 2011. Czasopismo: LAB Laboratoria, Aparatura, Badania.

Justyna Barys, Klaudia Majewska, „Mikrofluidyka – o bioreaktorach w mikroskali opowiada nam pan Artur Ruszczak”, 2013.

Autorka: Agata Jasińska