Microfluidics, щоб знати все про ці лабораторії, які поміщаються в краплі
З'явився шістдесят років тому, контроль потоку рідин у мікроканалах просунув наукові дослідження, зокрема в галузі охорони здоров'я, біотехнології та сільськогосподарської їжі. Сьогодні це дозволяє виконувати складний аналіз однією краплею. Лоран Бойтар, засновник у 2015 році стартапу Millidrop, який продає автоматизовані рішення для аналізу мікроорганізмів у краплях, детально представляє цей перспективний сектор.
Розроблена з 1960-х років, внаслідок мініатюризації електроніки, мікрофлюїдика отримала переваги в розумінні фізичних явищ у малих масштабах. Сьогодні це дозволяє сконструювати блоки аналізу на тромбоцитах розміром з електронний чіп, а отже, краще вивчити поведінку клітин певних органів та метаболізовані розчини. З розвитком досліджень генів ця технологія відкриває нові перспективи. Заснований на контролі крапель всередині мережі, він пропонує можливість проаналізувати велику кількість тестів за коротший проміжок часу. Але також для відстеження, виділення та ефективнішої взаємодії з дослідженими зразками.
Мікрофлюїдика - це галузь науки і техніки, що займається потоками та їх впровадженням в мікрофонні канальні мережі. Ми можемо вульгарно порівняти цю науку з мініатюрною сантехнікою. Його зростання значне у багатьох галузях промисловості, таких як біотехнологія, аналіз, хімічний синтез та клінічна діагностика. Мікрофлюїдика стоїть на перетині біології, фізики, хімії та техніки. Він використовує переваги мікроелектроніки, а також фізичні явища, що відбуваються в цих масштабах шляхом мініатюризації.
1. Принципи
Мініатюрна лабораторія
Поняття мініатюризації вже понад півстоліття є домінуючою парадигмою майже у всіх науково-технічних дисциплінах. Найбільш яскравим прикладом є революція в каталізованих напівпровідниках, коли винахід у 1958 р. Першої інтегральної схеми - інновація, в значній мірі зумовлена зменшенням розмірів та вартості електронних компонентів. Подібним чином, розвиток мікрофлюїдних технологій за останні двадцять п’ять років зосереджувався на передачі та додаванні переваг мініатюризації в біології та хімії.
Першим застосуванням мікрофлюїдів ми зобов’язані компанії Siemens на початку 1950-х: струменева головка принтера, яка використовує дуже тонкі трубки для транспортування чорнил. Але саме розвиток мікроелектроніки, яка дозволяє інтегрувати такі мікроструктури, як насоси, клапани та канали, що сприятиме народженню лабораторій на мікросхемі. У 1979 році дослідниками з Стенфорда був розроблений перший мініатюризований прилад газової хроматографії. Потрібно десять років, щоб застосування мікрофлюїдів продавались Agilent Technologies або Caliper Life Sciences, які використовують капілярний електрофорез для біохімічних аналізів.
Microfluidics зробила стрибок уперед з 2000-х років, зокрема, завдяки підтримці агентства передових дослідницьких проектів оборони (Darpa), агентства Міністерства оборони США, що спеціалізується на руйнівних інноваціях, у пошуку портативних мініатюризованих рішень. агенти, що беруть участь у біологічній війні. Таким чином, дослідники Гарварду розробляють метод подолання традиційних літографічних методів на кремнії, які до того часу були дуже дорогими. Це початок демократизації мікрофлюїдів та її експоненціальне зростання. У той час як мікрофлюїдні технології використовувались для автоматизації відносно простих біологічних аналізів ("імуноаналіз", хімія крові, газоутворення крові), нові програми дозволять, наприклад, секвенування нового покоління (NGS) або діагностичні тести біля ліжка. догляд). Сьогодні мікрофлюїдики використовуються для генетичного аналізу, капілярного електрофорезу, ампліфікації ДНК, клітинної біології, протеоміки, діагностики, дослідження лікарських засобів, синтезу молекул або наноматеріалів ...
Дослідження мікрожидкостей прискорилося тим, що фізичні процеси легше контролюються (у часі та просторі), коли розміри зменшуються до мікронної шкали. Ця мініатюризація також дозволяє обробляти невеликі обсяги рідини, покращувати аналітичні показники, зменшувати розміри приладів, мати високу аналітичну пропускну здатність, полегшувати інтеграцію різних функціональних можливостей на одній і тій же "пуці" та використовувати поведінка нетипових рідин для контролю хімічних або біологічних видів.
Однак визначення мікрорідких пристроїв виключно шляхом зменшення масштабу є незадовільним. Доцільніше описувати їх з точки зору продуктивності та поведінки. Дійсно, певні критичні характеристики обумовлені конкретною фізикою, зокрема, рівнем передачі тепла та маси, який здійснюється на цих масштабах. По-перше, обсяги, пов'язані з мікрорідким середовищем, диктують, що масовий транспорт майже завжди переважає дифузією. Це означає, що перемішування відбувається контрольовано і що режими ламінарного потоку повністю розроблені.
Потоки в мікрорідкій мережі можуть бути змодельовані за допомогою поняття гідравлічного опору за аналогією з мережею електричного опору. Тиск пов'язаний з напругою, потік електричним струмом.
Крім того, великі співвідношення площі та об’єму, типові для середовищ мікромасштабу, забезпечують теплову однорідність у всій системі та швидкий тепловіддачу між пристроєм та рідиною, що міститься. Це має кілька наслідків. По-перше, передбачуваний, ламінарний плинний потік з градієнтами високої швидкості та домінуючими міжфазними ефектами (дозволяючи керовану маніпуляцію потоками рідини, інерційні ефекти на частинки без турбулентності рідини та утворення монодисперсних емульсій).
Дифузійні явища в мікрорідких мережах добре зрозумілі. Вони дозволяють розробляти відповідні програми, такі як мікроміксери або генератори градієнта концентрації.
Потім розділяють обсяги рідини (краплі), які можуть містити одиничні об'єкти і концентрувати продукти реакції. Нарешті, однакові умови реакції для контролю реакцій навалом або на поверхнях. У цьому широкому визначенні мікрорідкі системи поділяються на два підкласи, які діють по-різному та з різними характеристиками та перевагами. Ми можемо визначити мікрофлюїдні системи як однофазні (працюють лише з водною або неводною рідиною) або багатофазні (працюють з принаймні двома текучими фазами в контакті, наприклад, воднофторовані чи ні).
2. Дизайн
Знання матеріалів
Тип використовуваного матеріалу є важливим для розробки мікрофлюїдних застосувань. Однак кожна мікрорідка система повинна бути розроблена для кінцевого використання. Розробка методів швидкого прототипування, що дозволяють просте виготовлення стружки в еластомерах, таких як полідиметилсилоксан (PDMS), каталізувала ріст досліджень у мікрофлюїдиці на початку 1990-х рр. На додаток до своєї низької вартості, цей матеріал має багато переваг для створення прототипів експериментів у біології . Він прозорий, що дозволяє спостерігати вміст каналів під мікроскопом. Він також гнучкий, що дозволило команді Стівена Куейка, американського вченого, який спеціалізується на мікрожидкостях, інтегрувати клапани та насоси в мікрожидкостні контури. Нарешті, він є газопроникним, що дозволяє проводити культури клітин, контролюючи кількість газу через PDMS. Ця характеристика необхідна для виробництва органів на чіпі.
ПОДПИСАТИСЯ