Microfluidics ed Applicazioni Biomediche

Da Dott. Xianghong Ma

Dott. Xianghong MA, Direttore, Gruppo Biomedico di Ricerca Tecnica, Banco di Assistenza Tecnica e Scienza Applicata, Aston University. Autore Corrispondente: x.ma@aston.ac.uk

Microfluidics è un'area di ricerca all'interno di MEMS (Sistemi Micro-Elettrotipia-Meccanici) ed è interessato del controllo del flusso dei liquidi misurati in micro, in nano, o persino Pico, litro, le quantità. Il liquido può essere liquido o gassoso nella natura, o in una miscela di entrambi ed attraversa i canali di microscala, le pompe, le valvole ed i filtri.

Queste unità microfluidic possono essere da costruzione in silicio o vetro facendo uso delle tecniche incisione e fotolitografiche che si sono adattate dall'industria a semiconduttore, o dai materiali organici quali la plastica ed i polimeri [1,2].

Le unità di Microfluidic richiedono soltanto una piccola quantità di campione e di reagente per elaborare e superficie dei gruppi di grande ai rapporti del volume. Inoltre, i tempi di reazione e la facilità veloci di automazione fanno l'ideale microfluidic delle unità per l'applicazione negli scenari di assistenza tecnica biomedica.

Microfluidics è stato ampiamente usato nello sviluppo dei sistemi di analisi totali (o unità) del su chip del laboratorio [2, 3], specialmente per la selezione della droga nell'industria farmaceutica e nello sviluppo delle micro-schiere [4]. La tecnologia sta maturando rapido dopo sforzo di ricerca vigoroso durante gli ultimi 20 anni. Nell'immediato futuro, vederemo una tendenza crescente verso la produzione delle unità microfluidic adattate che soddisfanno i bisogni particolari, che possono essere clinici, farmaceutico, o biotecnologico.

Una delle applicazioni di promessa del microfluidics nell'assistenza tecnica biomedica è nella diagnosi di punto-de-cura. Nella fase importante del preparato del campione, le celle biologiche mirate a devono essere separate da altre sostanze nel campione. Convenzionalmente, le celle possono essere separate in una sospensione fluida, in base alla dimensione, alla densità, alla carica elettrica, ai beni di luminoso scattering ed ai beni di superficie antigenici. La Separazione delle celle secondo questa metrica può richiedere le tecnologie complesse e le attrezzature dello specialista. Tali tecniche comprendono la centrifugazione, la cella attivata la fluorescenza che ordinano, l'elettroforesi, la cromatografia, la separazione di affinità e la separazione magnetica. Le soluzioni di Microfluidic sono state costruite con successo a integrano nelle tecniche di cui sopra, o alla funzione mentre un'unità autonoma per eseguire il preparato del campione incarica.

Un esempio interessante è quello di un'unità microfluidic di filtrazione per la cella spermato-genetica che ordina per supportare i trattamenti di IVF (Fertilizzazione In Vitro) e di ICSI (iniezione intracitoplasmica dello sperma) [5]. In determinati casi della sterilità maschio di fattore, una singola cella spermatogenic possibile deve essere recuperata da una pallina di biopsia in moda da poterla direttamente iniettare in un ovocita. La pallina di biopsia contiene vari tessuti e un intervallo delle cellule germinali da tutti gli ordini di scadenza. Il trattamento di individuazione delle celle possibili per ICSI può essere che richiede tempo, richiedendo le ore di lavoro intensivo che comprendono manualmente tritare la pallina, i cicli successivi della separazione delle cellule con la centrifugazione e la distinzione determinata delle cellule. Le cellule germinali diventano più piccole come loro maturano, cominciando come grande spermatogonion rotondo di 16~18µm e cessando come piccolo e spermatozoo snello di 4~6µm. Facendo Uso di questa caratteristica, una può mirare a dividere le celle spermatogenic nelle categorie mature differenti secondo le loro dimensioni in un modo veloce ed efficiente.

Secondo le indicazioni di Figura 1, la soluzione microfluidic è un'unità microfabricated planare passiva di DRIE (incisione di ione reattiva profonda) [6] che hanno pozzi separati per raccogliere i tipi differenti di celle che sono separati gradualmente diminuendo le lacune del filtro. La sospensione fluida è depositata attraverso il bacino idrico centrale con gli strumenti convenzionali di micromanipolazione.

Figura 1: Immagine di microscopia elettronica di Scansione di un'unità non-tenuta da adesivo del filtrante, osservata dal lato di filtrazione, dai canali di rappresentazione e dai segmenti lineari del filtro irradiantesi dal bacino idrico centrale [6].

Con controllo attento dei beni delle superfici in contatto con il liquido e sfruttando la natura laminare di flusso microfluidic, il filtro impiega la tensione superficiale del fluido operante per guidare il campione tramite l'unità.

Il disgaggio dell'unità permette l'utilizzazione delle forze che impediscono normalmente la quantità di fluido al macro livello attivamente per dissipare il campione attraverso gli elementi filtranti, senza l'esigenza delle fonti di energia esterne.

Nella prova sperimentale dell'unità, è stato trovato che il microfluid 0.5µl con circa 1500 microparticelle potrebbe essere filtrato attraverso l'unità in meno di 1 seconda.

Figura 2 mostra il risultato di separazione della miscela delle microsfere di 10µm e di 3µm, dove la maggior parte delle particelle è stata raccolta nei loro bacini idrici appropriati. Le concentrazioni Ottimali di particelle all'interno dei loro pozzi appropriati della raccolta sono state trovate per essere dell'ordine 50% per 3µm e 84% per le particelle di 10µm rispettivamente. La percentuale di celle che sono elaborate è stata indicata per essere una funzione della loro migrazione tramite l'unità del filtrante all'interno della quantità di fluido in serie.

Figura 2. immagine Confocale della separazione di sospensione mista delle microsfere (verdi) di 3µm (rosso) e di 10µm facendo uso di un'unità microfluidic. In questa progettazione, i microchannels delle dimensioni differenti sono usati sia come il filtro che fornitore della forza di tensione superficiale per dissipare il campione tramite l'unità.

Questa unità offre una serie di vantaggi. È biocompatibile dovuto l'uso dei materiali quale silicio ed il vetro e è economicamente a perdere, a causa del costo di produzione basso per i grandi volumi di produzione, così eliminando la contaminazione del campione.

Inoltre, la natura idrofila dei giacimenti indigeni dell'ossido all'interno dei capillari dell'unità significa che è virtualmente inoffensivo alle celle ed alle proteine [7]. Le tecniche di pompaggio capillari Auto-alimentate possono essere usate per manipolare il liquido più ulteriormente, diminuendo l'esigenza di strumentazione esterna. Un Tal approccio ha il potenziale di migliorare l'affidabilità e la funzionalità, eliminando le componenti mobili e così minimizzando il danneggiamento meccanico potenziale delle celle causate pompando, o, effettivamente, danno termico potenziale in seguito al pompaggio di effetto di marangoni.

In conclusione, l'inclusione delle strutture fisiche di filtrazione in un sistema microfluidic passivo permette al trattamento efficiente dei campioni che sono esenti da contaminazione o da danno. Il trattamento piombo ad una profonda riduzione del tempo di lavorazione ed ha grande potenziale per la separazione della particella ed il trattamento automatici ed efficienti del bio--campione attraverso una vasta gamma di applicazioni biomediche.


Riferimenti:

[1] Becker, H., Locascio, L.E., unità microfluidic del Polimero, Talanta 56 (2002) 267-287.

[2] Ribattino, C., et al., Microfluidics per i sistemi diagnostici medici ed i biosensori, Scienza di Ingegneria Chimica (2010), doi: 10.1016/j.ces.2010.08.015

[3] Principe, M., Microsistemi Astuti per le manipolazioni delle cellule, tesi di PhD dell'università di Aston, 2006.

[4] Situma, C., Hashimoto M., Scoper S.A., Fondente microfluidics con le analisi biologiche Microarray Basate, Assistenza Tecnica Biomolecolare, 23, 2006, p213-231.

[5] Principe, M., MA X., Portuale P., Reparto M., Prewett P., Progettazione e Modellare un Micro Filtro Fluido per la Separazione delle Celle Spermatogenic, Conferenza Tecnica di Ingegneria di Progettazione di ASME, California, Settembre 2005. pp. 475-480. doi: 10.1115/DETC2005-85357

[6] Principe, M., MA X., Portuale P., Reparto M., Prewett P., Lo sviluppo di Bio--MEMS chip novello di filtrazione per la separazione di celle specifiche nella sospensione fluida, parte H di IMechE: J di Assistenza Tecnica nella Medicina, 221(2), 2007. p113-128. doi: 10.1243/09544119JEIM190

[7] Chau, L.K., Osborn, T., Wu, C.C. e Yager, flusso-cella del silicio di P. Microfabricated per il video ottico dei liquidi biologici Anali. Sci. 1999, 15, 721-724.

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

Last Update: 14. June 2013 09:25

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