Microfluidics および生物医学的なアプリケーション

先生によって Xianghong Ma

Xianghong Ma 先生、工学のディレクター、生体医用工学の研究グループ、学校および応用科学、アストン大学。 対応する著者: x.ma@aston.ac.uk

Microfluidics は MEMS (マイクロエレクトロ機械システム) 内の研究分野で、マイクロ、 nano で、また更に Pico 測定される、液体の流れの制御にリットル、量かかわっています。 液体はマイクロスケールチャネル、ポンプ、弁およびフィルターを通る両方、および流れの、か混合物実際のところ液体または気体である場合もあります。

これらの microfluidic 装置はケイ素かガラスで半導体工業から適応した、またはプラスチックおよびポリマー [1,2] のような有機材料からことができます photolithographic およびエッチングの技術を使用して製造する。

Microfluidic 装置は処理のためにわずかサンプルおよび試薬およびボリューム比率に武装隊の大きい表面だけ必要とします。 さらに、オートメーションの速い点爆時間そして容易さは生体医用工学のシナリオのアプリケーションのための microfluidic 装置理想を作ります。

Microfluidics は総ずっと解析システムの開発で広く利用されています (または実験室オンチップ装置) [23]、特に製薬産業とマイクロアレイ [4] の開発の薬剤のスクリーニングのために。 技術は最後の 20 年にわたる活発な研究活動に従がって急速に成熟しています。 近い将来に、私達は臨床、薬剤である見ますかもしれない、または biotechnological、特定の必要性を満たす合わせた microfluidic 装置の生産の方の成長する傾向を。

生体医用工学の microfluidics の最も有望なアプリケーションの 1 つはポイントの心配の診断にあります。 重要なサンプル準備の段階では、目標とされた生物的セルはサンプルの他の物質から分かれている必要があります。 一般に、セルは、サイズ、密度の充電に基づいてことができま、流体の中断で特性分けるおよび抗原的な表面の特性をライト分散させます。 これらの測定基準に従うセルを分けることは複雑な技術および専門家装置を必要とすることができます。 そのような技術は遠心分離機にかけ、電気泳動ソートする、蛍光性によって作動するセルクロマトグラフィー、親和性の分離および磁気分離を含んでいます。 Microfluidic の解決は上記の技術に、または機能に正常にサンプル準備を実行するスタンドアロン装置が任せると同時にに統合します設計されました。

興味深い例は IVF (体外受精) および ICSI (intracytoplasmic 精液の注入) プロセス [5] サポートするためにソートする spermato 遺伝のセルのための microfluidic ろ過装置のそれです。 ある特定の場合男性の要因不妊の、単一の実行可能な spermatogenic セルはバイオプシーの餌から卵母細胞に直接注入することができるように検索されなければなりません。 バイオプシーの餌は成熟のすべての順序からの生殖細胞のいろいろなティッシュそして範囲を含んでいます。 ICSI のための実行可能なセルを見つけるプロセスは時間のかかります、手動で遠心分離によって餌を、連続的なセル分離のサイクル細かく切り刻ぬことを含む集中的な作業の時間および個々のセルディスクリミネーションを必要とします。 生殖細胞はとしてより小さく成熟しまなりま、 16~18µm の大きい円形の spermatogonion として始まり、 4~6µm の小さく、細い精子として終了します。 この特性を使用して、 1 つは速く、効果的な方法のサイズに従って異なった成長したカテゴリに spermatogenic セルを分けることを向けることができます。

図 1 に示すように、 microfluidic 解決は次第にフィルターギャップを減らすことによって分かれている異なったタイプのセルを集める別の井戸を備えている受動の平面 DRIE (深い反応イオン・エッチング) microfabricated 装置です [6 つの]。 流動中断は慣習的な顕微操作のツールが付いている中央貯蔵所を通して沈殿します。

図 1: 中央貯蔵所 [6] から射出しているろ過側面、提示線形チャネルおよびフィルターセグメントから見られる非担保付きフィルター装置のスキャンの電子顕微鏡検査の画像。

液体と接触する、そして microfluidic 流れの薄層の性質の開発による表面の特性の注意深い制御によって、フィルターは装置を通してサンプルを運転するために加工液の表面張力を用います。

装置スケールは外部エネルギー源のための必要性なしで実行中にフィルター素子を通してサンプルを引くために普通マクロレベルの流量を防ぐ力の利用を可能にします。

装置の実験テストでは、約 1500 の microparticles が付いている 0.5µl microfluid がより少しにより 1 第 2 の装置を通してフィルタに掛けることができることが分られました。

図 2 は粒子の大半が適切な貯蔵所で集められた 3µm および 10µm の microspheres の混合物を分けた結果を示します。 適切なコレクションの井戸内の粒子の最適の集中はそれぞれ 10µm の粒子のための 3µm そして 84% のための順序 50% であると見つけられました。 処理されるセルの割合はバルク流量内のフィルター装置を通って移行の機能であるために示されていました。

図 2. microfluidic 装置を使用して 3µm (赤) および 10µm の (緑の) microspheres の混合された中断の分離の共焦点の画像 このデザインでは装置を通してサンプルを引くのに、表面張力力のフィルターそして提供者として両方異なったサイズのマイクロチャンネルが使用されています。

この装置はいくつかの利点があります。 それはケイ素のような材料の使用が biocompatible 原因であり、従ってガラスおよび生産の大量のための低い製造原価のために経済的に使い捨て可能、で、サンプル汚染を除去します。

さらに、装置の毛管内のネイティブ酸化物の沈殿物の親水性の性質はそれらがセルおよび蛋白質 [7] に事実上無害であることを意味します。 自己動力の毛管ポンプ技術が液体を更に処理するのに使用することができま外部装置のための必要性を減らします。 そのようなアプローチに移動コンポーネントを除去しか、こうして marangoni の効果ポンプから、または、全くポンプによって引き起こされるセルへの潜在的な機械損傷を起こる潜在的な熱損傷が最小化することによって信頼性および機能性を、高める潜在性あります。

結論として、受動の microfluidic システムの物理的なろ過構造の包含は汚染か損傷から自由であるサンプルの効率的な処理を可能にします。 プロセスは処理時間のマーク付きの減少の原因となり、自動および効率的な粒子の分離のための大きい生物医学的なアプリケーションの広い範囲を渡って処理する潜在性がおよび生物サンプルがあります。


参照:

[1] ベッカー、 H.、 Locascio、 L.E. のポリマー microfluidic 装置、 Talanta 56 (2002 年) 267-287。

[2] リベット、 C.、等、医学の診断およびバイオセンサーの化学工学科学 (2010 年) のための Microfluidics、 doi: 10.1016/j.ces.2010.08.015

[3] 王子、 M. のセル処理、アストン大学 2006 年の PhD の説のためのスマートなミクロシステム。

[4] Situma、 C.、橋本 M. のマイクロアレイベースの生物検定と microfluidics を、 Biomolecular 工学マージする、 Scoper S.A. 23 2006 年、 p213-231。

[5] 王子、 M.、 Ma X.、 Docker P.、区 M.、 Prewett P.、デザインおよび Spermatogenic セル、 ASME の設計工学の技術的な会議、カリフォルニア、 2005 年 9 月を分けるためのマイクロ流動フィルターを模倣すること。 PP。 475-480。 doi: 10.1115/DETC2005-85357

[6] 王子、 M.、 Ma X. の Docker P. の区 M.、 Prewett P. の流動中断、 IMechE の部 H の特定のセルの分離のための新しい生物MEMS ろ過チップの開発: 薬、 221(2)、 2007 年の。 p113-128 の工学の J。 doi: 10.1243/09544119JEIM190

[7] Chau、 L.K.、 Osborn、 T.、ウー、 C.C. および Yager の肛門生物的液体の光学モニタリングのための P. Microfabricated のケイ素のフロー・セル。 Sci。 1999 年、 15、 721-724。

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

Last Update: 14. June 2013 09:28

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