Microfluidics en Biomedische Toepassingen

Door Dr. Xianghong Ma

Dr. Xianghong Ma, Directeur, het Biomedische Onderzoeksteam van de Techniek, School van Techniek en Toegepaste Wetenschap, Aston Universiteit. Overeenkomstige auteur: x.ma@aston.ac.uk

Microfluidics is een onderzoekgebied binnen MEMS (Micro-Electro-Mechanical Systemen) en is betrokken met de controle van de die in micro, nano stroom van vloeistoffen, of zelfs Pico, liter, hoeveelheden wordt gemeten. De vloeistof kan van aard, of een mengsel van allebei, en stromen door micro-schaalkanalen, pompen, kleppen, en filters vloeibaar of gasachtig zijn.

Deze microfluidic apparaten kunnen in silicium of glas photolithographic gebruiken en het etsen van technieken worden vervaardigd die van de halfgeleiderindustrie, of van organische materialen zoals plastieken en polymeren [1.2] zijn aangepast.

De apparaten van Microfluidic vereisen slechts een kleine hoeveelheid steekproef en reagens voor verwerking en troepen grote oppervlakte aan volumeverhoudingen. Bovendien maken de snelle reactietijden en het gemak van automatisering microfluidic apparatenideal voor toepassing in biomedische techniekscenario's.

Microfluidics is wijd gebruikt in de ontwikkeling van totale analysesystemen (of de apparaten van de laboratorium op-spaander) [2, 3], in het bijzonder voor drugonderzoek in de farmaceutische industrie en in de ontwikkeling van micro-series [4]. De technologie rijpt snel na krachtige onderzoeksinspanning in de loop van de laatste 20 jaar. In de nabije toekomst, zullen wij een groeiende tendens naar de productie van gemaakte microfluidic apparaten zien die bijzondere behoeften tevredenstellen, die klinisch, farmaceutisch, of biotechnologisch kunnen zijn.

Één van de veelbelovendste toepassingen van microfluidics in biomedische techniek is in punt-van-zorg diagnose. In het belangrijke stadium van de steekproefvoorbereiding, moeten de gerichte biologische cellen van andere substanties in de steekproef worden gescheiden. Conventioneel, kunnen de cellen in een fluidic opschorting worden gescheiden, die op grootte, dichtheid, elektrolast, licht-zichverspreidt eigenschappen, en antigenic oppervlakteeigenschappen wordt gebaseerd. Het Scheiden van cellen volgens deze metriek kan complexe technologieën en specialistenapparatuur vereisen. Dergelijke technieken omvatten het centrifugeren, fluorescentie het geactiveerde cel sorteren, elektroforese, chromatografie, affiniteitscheiding en magnetische scheiding. De oplossingen van Microfluidic zijn met succes gebouwd of in de bovengenoemde technieken integreren, of als standalone apparaat functioneren om de taken van de steekproefvoorbereiding uit te voeren.

Een interessant voorbeeld is dat van een microfluidic filtratieapparaat voor hetgenetische cel sorteren om (intracytoplasmic spermainjectie) processen IVF (Bemesting In Vitro) en ICSI [5] te steunen. In bepaalde gevallen van mannelijke factorenonvruchtbaarheid, moet één enkele haalbare spermatogenic cel van een biopsiekorrel worden teruggewonnen zodat het direct in oocyte kan worden ingespoten. De biopsiekorrel bevat een verscheidenheid van weefsels en een waaier van kiemcellen van alle orden van rijpheid. Het proces om haalbare cellen voor ICSI te vinden kan tijdrovend zijn, vereisend uren van het intensieve werk dat manueel het fijnhakken van de korrel, de opeenvolgende cycli van de celscheiding door centrifugeren, en individueel celonderscheid impliceert. De kiemcellen worden kleiner aangezien zij rijpen, beginnend als grote ronde spermatogonion van 16~18µm en beëindigend als klein en slank spermatozoön van 4~6µm. Gebruikend dit kenmerk, kan men pogen de spermatogenic cellen in verschillende rijpe categorieën volgens hun grootte op een snelle en efficiënte manier te verdelen.

Zoals aangetoond in Figuur 1, is de microfluidic oplossing een passieve vlakDRIE (diepe reactieve ionenets) microfabricated apparaat [6] dat afzonderlijke putten heeft om verschillende types van cel te verzamelen die door filterkloven geleidelijk aan te dichten worden gescheiden. De vloeibare opschorting wordt gedeponeerd door het centrale reservoir met conventionele micromanipulation hulpmiddelen.

Figuur 1: De elektronenmicroscopiebeeld van het Aftasten van een filterapparaat V.N.-in entrepot, dat van de filtratiepartij wordt bekeken, die lineaire kanalen en filtersegmenten toont die van het centrale reservoir [6] uitstralen.

Door zorgvuldige controle van de eigenschappen van de oppervlakten in contact met de vloeistof, en door de laminaire aard van microfluidic stroom te exploiteren, wendt de filter de oppervlaktespanning van de werkende vloeistof aan om de steekproef door het apparaat te drijven.

De apparatenschaal staat het gebruik van de krachten toe die normaal vloeibare stroom op het macroniveau verhinderen om de steekproef door de filterelementen, zonder de behoefte aan externe energiebronnen actief te trekken.

Bij het experimentele testen van het apparaat, vond men dat 0.5µl microfluid met ongeveer 1500 microparticles door het apparaat in minder dan 1 tweede zou kunnen worden gefiltreerd.

Figuur 2 toont het resultaat van het scheiden van een mengsel van 3µm en 10µm microsferen, waar de meerderheid van de deeltjes in hun aangewezen reservoirs werd verzameld. De Optimale concentraties van deeltjes binnen hun aangewezen inzamelingsputten werden gevonden om van orde 50% voor 3µm en 84% voor 10µm respectievelijk deeltjes te zijn. Het aandeel cellen die getoond om een functie van hun migratie te zijn door het filterapparaat binnen de bulk vloeibare stroom worden verwerkt werd.

Figuur 2. Confocal beeld van de scheiding van een gemengde opschorting van 3µm (rood) en 10µm (groene) microsferen die een microfluidic apparaat met behulp van. In dit ontwerp, worden microchannels van verschillende grootte gebruikt zowel als filter als leverancier van de kracht van de oppervlaktespanning om de steekproef door het apparaat te trekken.

Dit apparaat biedt een aantal voordelen aan. Het is biocompatibele toe te schrijven aan het gebruik van materialen zoals silicium en glas en het is economisch beschikbaar, wegens de lage productiekosten voor grote productievolumes, waarbij steekproefverontreiniging wordt geëlimineerd.

Bovendien betekent de hydrofiele aard van de inheemse oxydestortingen binnen de haarvaten van het apparaat dat zij aan cellen en proteïnen [7] vrijwel onschadelijk zijn. Self-powered capillaire het pompen technieken kunnen worden gebruikt om vloeibare verder te manipuleren, verminderend de behoefte aan externe apparatuur. Zulk een benadering heeft het potentieel om betrouwbaarheid en functionaliteit te verbeteren, door bewegende componenten te elimineren en zo de potentiële mechanische schade aan cellen te minimaliseren die door, of wordt veroorzaakt, inderdaad, potentiële thermische schade te pompen die van marangonieffect het pompen het gevolg is.

Samenvattend, laat de opneming van fysieke filtratiestructuren in een passief microfluidic systeem de efficiënte verwerking van steekproeven toe die van verontreiniging of schade vrij zijn. Het proces leidt tot een duidelijke vermindering van verwerkingstijd en heeft groot potentieel voor automatische en efficiënte deeltjesscheiding en bio-steekproefverwerking over een brede waaier van biomedische toepassingen.


Verwijzingen:

[1] Becker, H., Locascio, L.E., de microfluidic apparaten van het Polymeer, Talanta 56 (2002) 267-287.

[2] Klinknagel, C., et al., Microfluidics voor medische diagnostiek en biosensors, de Wetenschap van de Chemische Techniek (2010), doi: 10.1016/j.ces.2010.08.015

[3] Prins, M., Slimme Microsystems voor celmanipulaties, de thesis van het Doctoraat van Aston universiteit, 2006.

[4] Situma, C., Hashimoto M., Scoper S.A., Samenvoegende microfluidics met op microarray-Gebaseerde biotoetsen, Biomoleculaire Techniek, 23, 2006, p213-231.

[5] Prins, M., Ma X., Docker P., Ward M., Prewett P., Ontwerp en de Modellering van een Micro- Vloeibare Filter voor het Scheiden van Spermatogenic Cellen, de Technische Conferentie van de Techniek van het Ontwerp ASME, Californië, September, 2005. blz. 475-480. doi: 10.1115/DETC2005-85357

[6] Prins, M., Ma X., Docker P., Ward M., Prewett P., de ontwikkeling van een nieuwe bio-MEMS filtratiespaander voor de scheiding van specifieke cellen in vloeibare opschorting, IMechE deel H: J van Techniek in Geneeskunde, 221(2), 2007. p113-128. doi: 10.1243/09544119JEIM190

[7] Chau, L.K., Osborn, T., Wu, C.C., en Yager, het siliciumflow-cell van P. Microfabricated voor optisch toezicht op biologische Anale vloeistoffen. Sc.i. 1999, 15, 721-724.

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

Last Update: 14. June 2013 09:14

Tell Us What You Think

Do you have a review, update or anything you would like to add to this article?

Leave your feedback
Submit