Microfluidics und Biomedizinische Anwendungen

Durch Dr. Xianghong Ma

Dr. Xianghong MA, Direktor, Biomedizinische Technik-Forschungsgruppe, Ingenieurschule und Angewandte Wissenschaft, Aston-Universität. Entsprechender Autor: x.ma@aston.ac.uk

Microfluidics ist ein Forschungsbereich innerhalb MEMS (Mikro-Galvano-Mechanische Anlagen) und ist mit der Regelung des Flusses der Flüssigkeiten betroffen, die in Mikro-, in Nano oder sogar Pico, Liter, Mengen gemessen werden. Die Flüssigkeit kann in der Natur oder in einer Mischung von beiden flüssig oder gasförmig sein und fließt Mikroskalakanäle, Pumpen, Ventile und Filter durch.

Diese microfluidic Einheiten können im Silikon oder im Glas unter Verwendung der photolithographischer und Radierungstechniken fabriziert werden, die von der Halbleiterindustrie angepasst worden sind, oder von den organischen Materialien wie Plastik und Polymeren [1,2].

Microfluidic-Einheiten benötigen nur eine kleine Menge Probe und Reagens für das Aufbereiten und große Oberfläche der Gruppen zu den Volumenverhältnissen. Darüber hinaus machen schnelle Reaktionszeiten und Leichtigkeit der Automatisierung microfluidic Einheitsideal für Anwendung in den Szenario der biomedizinischen Technik.

Microfluidics sind in der Entwicklung von Gesamt- Analyseanlagen weit verbreitet gewesen (oder Labor-aufchip Einheiten) [2, 3], besonders für Drogenscreening in der Pharmaindustrie und in der Entwicklung von Mikroreihen [4]. Die Technologie reift schnell nach kräftigem Forschungsaufwand in den letzten 20 Jahren. In naher Zukunft, wir sehen eine wachsende Tendenz in Richtung zur Produktion von hergestellten microfluidic Einheiten, die zufriedenstellen bestimmten Bedarf klinisch ist, die möglicherweise, pharmazeutisch, oder biotechnologisch.

Eine der viel versprechendsten Anwendungen von microfluidics in der biomedizinischen Technik ist in Punkt-vonsorgfalt Diagnose. In der wichtigen Probenaufbereitungsstufe müssen gerichtete biologische Zellen von anderen Substanzen in der Probe getrennt werden. Herkömmlich können Zellen in einer flüssigen Suspension getrennt werden, basiert worden auf Größe, Dichte, elektrische Ladung und Eigenschaften und Antigenoberflächeneigenschaften leicht-zerstreuen. Das Trennen von Zellen entsprechend diesen Metriken kann komplexe Technologien und Spezialistengerät benötigen. Solche Techniken umfassen die Zentrifugierung, die Fluoreszenz aktivierte sortierende Zelle, Elektrophorese, Chromatographie, Affinitätstrennung und magnetische Trennung. Microfluidic-Lösungen sind erfolgreich entweder zu integrieren in die oben genannten Techniken oder zur Funktion als unabhängige Einheit, um Probenaufbereitungsaufgaben durchzuführen ausgeführt worden.

Ein interessantes Beispiel ist das einer microfluidic Filtrationseinheit für die spermato-genetische Zelle, die sortiert, um Prozesse IVF (In-vitroDüngung) und ICSI (intracytoplasmische Samenzelleneinspritzung) [5] zu unterstützen. In bestimmten Fällen Steckerseitenfaktorunfruchtbarkeit, muss eine einzelne lebensfähige spermatogenic Zelle von einer Biopsiekugel zurückgeholt werden, damit sie in einen Oocyte direkt eingespritzt werden kann. Die Biopsiekugel enthält eine Vielzahl von Geweben und eine Reichweite der Keimzellen von allen Ordnungen der Fälligkeit. Der Prozess des Findens von lebensfähigen Zellen für ICSI kann Zeit raubend sein und die Stunden der steigernden Arbeit mit einbeziehend die, Kugel, die aufeinander folgenden Zelltrennungsschleifen durch Zentrifugierung manuell zu zerkleinern und einzelne Zellunterscheidung benötigen. Die Keimzellen werden als sie reifen kleiner, fangen als großes rundes spermatogonion von 16~18µm an und beenden als kleines und schlankes Spermium von 4~6µm. Unter Verwendung dieser Eigenschaft kann man darauf abzielen, die spermatogenic Zellen in verschiedene reife Kategorien entsprechend ihren Größen in einer schnellen und effizienten Art unterzuteilen.

Wie in Abbildung 1 gezeigt, ist die microfluidic Lösung eine passive planare microfabricated Einheit DRIE (tiefe reagierende Ionenradierung) [6] die die unterschiedlichen Vertiefungen hat, zum von verschiedenen Baumustern der Zelle zu montieren, die getrennt werden, indem man allmählich Filterabstände verringert. Die flüssige Suspension wird durch den zentralen Hydrauliktank mit herkömmlichen Mikromanipulationshilfsmitteln abgegeben.

Abbildung 1: Rasterelektronenmikroskopiebild einer UNO-geklebten Filtereinheit, angesehen von der Filtrationsseite, lineare Kanäle und Filterabschnitte zeigend ausstrahlend vom zentralen Hydrauliktank [6].

Durch vorsichtige Regelung der Eigenschaften der Oberflächen in Verbindung mit der Flüssigkeit und indem er die blätterige Art des microfluidic Flusses ausnutzt, setzt der Filter die Oberflächenspannung des Arbeitsmittels ein, um die Probe durch die Einheit zu treiben.

Die Einheitsschuppe erlaubt die Nutzung der Kräfte, die normalerweise Wasserfluß auf dem Makroniveau verhindern, um die Probe durch die Filtereinsätze aktiv zu zeichnen, ohne den Bedarf an den externen Energiequellen.

In der experimentellen Prüfung der Einheit, wurde es gefunden, dass microfluid 0.5µl mit ungefähr 1500 Mikroteilchen durch die Einheit in weniger als 1 zweiter gefiltert werden könnte.

Abbildung 2 zeigt das Ergebnis des Trennens einer Mischung von 3µm und 10µm Mikrosphären, in denen die Mehrheit der Partikel in ihren passenden Hydrauliktanks montiert wurden. Optimale Konzentrationen von Partikeln innerhalb ihrer passenden Sammlungsvertiefungen wurden gefunden, um von der Ordnung 50% für 3µm und 84% für 10µm Partikel beziehungsweise zu sein. Der Anteil der Zellen, die aufbereitet wurden, wurde gezeigt, um eine Funktion ihrer Systemumstellung durch die Filtereinheit innerhalb des flüssigen Massenflusses zu sein.

Abbildung 2. Confocal Bild von der Trennung einer Mischsuspension 3µm (Rot) und 10µm (grüner) Mikrosphären unter Verwendung einer microfluidic Einheit. In dieser Auslegung werden Microchannels von verschiedenen Größen als Filter und Anbieter der Oberflächenspannungskraft verwendet, um die Probe durch die Einheit zu zeichnen.

Diese Einheit bietet einige Vorteile an. Sie liegt am Gebrauch von Materialien wie Silikon biocompatible und Glas und sie sind, wegen der niedrigen Herstellungskosten für große Produktionsvolumen wirtschaftlich wegwerfbar und so beseitigen Beispielverunreinigung.

Darüber hinaus bedeutet die hydrophile Art der gediegenen Oxideinlagen innerhalb der Kapillaren der Einheit, dass sie zu den Zellen und zu den Proteinen [7] praktisch harmlos sind. Selbst-Betriebene haarartige pumpende Techniken können verwendet werden, um die Flüssigkeit weiter zu manipulieren und den Bedarf am externen Gerät verringern. Solch Ein Anflug hat das Potenzial, Zuverlässigkeit und Funktionalität, indem er bewegliche Bauteile beseitigt und folglich den möglichen mechanischen Schaden der Zellen zu erhöhen herabsetzt, die verursacht werden, indem er tatsächlich oder den möglichen thermischen pumpt, Schaden, der vom marangoni Effektpumpen entsteht.

Als schlußfolgerung aktiviert die Einbeziehung von körperlichen Filtrationszellen in einer passiven microfluidic Anlage das effiziente Aufbereiten von Proben, die von der Verunreinigung oder vom Schaden frei sind. Der Prozess führt zu eine markierte Reduzierung in Verarbeitungszeit und hat großes Potenzial für automatische und effiziente Partikeltrennung und die Bio-probe, die über einer großen Auswahl von biomedizinischen Anwendungen aufbereitet.


Bezüge:

[1] Becker, H., Locascio, L.E., microfluidic Einheiten des Polymers, Talanta 56 (2002) 267-287.

[2] Niet, C. et al. Microfluidics für medizinische Diagnosen und Biosensors, Chemische Ingenieurwissenschaft (2010), doi: 10.1016/j.ces.2010.08.015

[3] Prinz, M., Intelligente Mikrosysteme für Zellmanipulationen, Doktorthese von Aston-Universität, 2006.

[4] Situma, C., Hashimoto M., Scoper S.A., microfluidics mit Microarray-Basierten biologischen Drogenerprobungen Mergend, Biomolekulare Technik, 23, 2006, p213-231.

[5] Prinz, M., MA X., Hafenarbeiter P., Bezirk M., Prewett P., Auslegung und Formung eines MikroFlüssigkeitsfilters für das Trennen von Spermatogenic Zellen, ASME-Auslegungs-Technik-Technische Konferenz, Kalifornien, Im September 2005. S. 475-480. doi: 10.1115/DETC2005-85357

[6] Prinz, M., MA X., Hafenarbeiter P., Bezirk M., Prewett P., die Entwicklung eines neuen Bio-MEMS Filtrationschips für die Trennung von spezifischen Zellen in der flüssigen Suspension, IMechE-Teil H: J der Technik in Medizin, 221(2), 2007. p113-128. doi: 10.1243/09544119JEIM190

[7] Chau, L.K., Osborn, T., Wu, C.C. und Yager, Silikondurchflusszelle P. Microfabricated für optische Überwachung von den biologischen Flüssigkeiten Anal. Sci. 1999, 15, 721-724.

Date Added: Sep 11, 2011 | Updated: Jun 11, 2013

Last Update: 14. June 2013 09:21

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