Microfluidics и Биомедицинские Применения

Др. Xianghong Ma

Др. Xianghong Ma, Директор, Биомедицинская Исследовательская Группа Научно-исследовательской Работы, Школа Инджиниринга и Прикладная Наука, Университет Aston. Соответствуя автор: x.ma@aston.ac.uk

Microfluidics зона исследования в пределах MEMS (Микро--Electro-Механически Систем) и обеспокоенный с управлением подачи жидкостей измеренных в микро-, nano, или даже Pico, литре, количествах. Жидкость может быть жидкостна или газообразна в природе, или смеси обоих, и подач через каналы микромасштаба, насосы, клапаны, и фильтры.

Эти microfluidic приборы можно изготовить в кремнии или стекле используя методы photolithographic и вытравливания которые были приспособлены от индустрии полупроводника, или от органических материалов как пластмассы и полимеры [1,2].

Приборы Microfluidic требуют только небольшого количества образца и реагента для обрабатывать и поверхности отрядов большой к коэффициентам тома. В добавлении, быстрые времена реакции и легкость автоматизации делают microfluidic идеал приборов для применения в сценариях биомедицинского инженерства.

Microfluidics широко было использовано в развитии систем валового анализа (или приборы) на-обломока лаборатории [2, 3], в частности для скрининга снадобья в фармацевтической промышленности и в развитии микро--блоков [4]. Технология быстро зреет после ядреного усилия исследования над последними 20 летами. В ближайшее время, мы увидим растущую тенденцию к продукции портняжничанных microfluidic приборов которые удовлетворяют определенные потребности, которые могут быть клинически, фармацевтическо, или biotechnological.

Одно из самых перспективнейших применений microfluidics в биомедицинском инженерстве в диагнозе пункт--внимательности. В важном этапе подготовки образца, пристрелнным биологическим клеткам нужно быть отделенным от других веществ в образце. Обычно, клетки можно отделить в fluidic подвесе, основанном на размере, плотности, электрическом заряде, свет-разбрасывающ свойства, и антигенные поверхностные свойства. Отделяющ клетки согласно этим метрическая система мер может требовать сложных технологий и оборудования специалиста. Такие методы включают центрифуговать, активированная флуоресцированием клетку сортируя, электрофорез, хромотографию, разъединение сродства и магнитное разъединение. Разрешения Microfluidic успешно были проектированы к или интегрируют в вышеуказанные методы, или к функции по мере того как автономный прибор для того чтобы исполнить подготовку образца задает работу.

Интересный пример то из microfluidic прибора фильтрации для spermato-генетической клетки сортируя для того чтобы поддержать процессы IVF (В Землеудобрении Vitro) и ICSI (интрацитоплазматической впрыски спермы) [5]. В некоторых случаях мыжской неплодородности фактора, одиночная жизнеспособная spermatogenic клетка должна быть восстановлена от лепешки биопсии так, что ее можно сразу впрыснуть в ооцит. Лепешка биопсии содержит разнообразие ткани и ряд клеток семенозачатка от всех заказов зрелости. Процесс находить жизнеспособные клетки для ICSI может отнимал много времени, требующ часов интенсивнейшей работы включая вручную семенить лепешку, последовательных циклов разъединения клетки через центрифугирование, и индивидуального различения клетки. Клетки семенозачатка будут более малыми как они зреют, начинающ как большое круглое spermatogonion 16~18µm и кончающся как малый и худенький сперматозоид 4~6µm. Используя эту характеристику, одно может направить разделить spermatogenic клетки в различные возмужалые категории согласно их размерам в быстром и эффективном образе.

Как показано в Диаграмме 1, microfluidic разрешение пассивный плоскостной прибор DRIE (глубокого реактивного вытравливания иона) microfabricated [6] которого имеет отдельно колодцы для того чтобы собрать разные виды клетки которые отделены постепенно уменьшать зазоры фильтра. Жидкий подвес депозирован через центральный резервуар с обычными инструментами micromanipulation.

Диаграмма 1: Изображение электронной микроскопии Скеннирования ООН-скрепленного прибора фильтра, осмотренное от стороны фильтрации, каналов показа линейных и этапов фильтра излучая от центрального резервуара [6].

Через тщательное управление свойств поверхностей в контакте с жидкостью, и путем эксплуатировать ламинарную природу microfluidic подачи, фильтр использует поверхностное натяжение рабочей жидкости для того чтобы управлять образцом через прибор.

Маштаб прибора позволяет использованию усилий которые нормально предотвращают поток жидкости на уровне макроса активно для того чтобы нарисовать образец через патроны фильтра, без потребности для внешних источников энергии.

В экспириментально испытании прибора, было найдено что microfluid 0.5µl с около 1500 микрочастицами смогло быть фильтровано через прибор в меньш чем 1 втором.

На Диаграмму 2 показано результат отделять смесь микросфер 3µm и 10µm, где большинство частиц было собрано в их соотвествующих резервуарах. Была найдена Оптимальная концентрация частиц внутри их соотвествующие колодцы собрания имела порядки 50% для 3µm и 84% для частиц 10µm соответственно. Была показаны, что была пропорция будучи обрабатыванной клеток функцией их переселения через прибор фильтра внутри навальный поток жидкости.

Диаграмма 2. Confocal изображение разъединения смешанного подвеса микросфер 3µm (красный цвет) и 10µm (зеленых) используя microfluidic прибор. В этой конструкции, microchannels различных размеров использованы как как фильтр, так и как провайдер усилия поверхностного натяжения для того чтобы нарисовать образец через прибор.

Этот прибор предлагает несколько преимуществ. Он biocompatible должные к пользе материалов как кремний и стекло и он экономично устранимы, из-за низких производительных расходов для больших томов продукции, таким образом исключающ загрязнение образца.

В добавлении, гидрофильная природа родних залемей окиси внутри капилляры прибора значит что они фактически невредны к клеткам и протеинам [7]. Собственн-Приведенные в действие методы капилляра нагнетая можно использовать для того чтобы манипулировать жидкость более далее, уменьшающ потребность для внешнего оборудования. Такой подход имеет потенциал увеличить надежность и функциональность, путем исключать moving компоненты и таким образом уменьшать потенциальное механическое повреждение к клеткам причиненным путем нагнетать, или, деиствительно, потенциальное термальное повреждение возникая от нагнетать влияния marangoni.

В заключение, включение физических структур фильтрации в пассивной microfluidic системе включает эффективный обрабатывать образцов которые свободны от загрязнения или повреждения. Процесс водит к маркированному уменьшению в длительности процесса и имеет большой потенциал для автоматического и эффективного разъединения частицы и био-образец обрабатывая через широкий диапазон биомедицинских применений.


Справки:

[1] Беккер, H., Locascio, L.E., приборы Полимера microfluidic, Talanta 56 (2002) 267-287.

[2] Заклепка, C., et al., Microfluidics для медицинских диагностик и биосенсоров, Науки Химического Машиностроения (2010), doi: 10.1016/j.ces.2010.08.015

[3] Принц, M., Умные Микросистемы для манипуляций клетки, тезиса PhD университета Aston, 2006.

[4] Situma, C., Hashimoto M., A. Scoper S., Сливая microfluidics с Microarray-Основанными биотестированиями, Биомолекулярное Инджиниринг, 23, 2006, p213-231.

[5] Принц, M., Ma X., P. Docker, Палата M., P. Prewett, Конструкция и Моделирование Микро- Жидкого Фильтра для Отделять Spermatogenic Клетки, Конференцию Инженерного Проектирования ASME Техническое, Калифорнию, Сентябрь 2005. pp. 475-480. doi: 10.1115/DETC2005-85357

[6] Принц, M., Ma X., P. Docker, Палата M., P. Prewett, Развитие романного Био-MEMS обломока фильтрации для разъединения специфических клеток в жидком подвесе, части H IMechE: J Инджиниринга в Медицине, 221(2), 2007. p113-128. doi: 10.1243/09544119JEIM190

[7] Chau, L.K., Osborn, T., Wu, C.C., и Yager, подач-клетка кремния P. Microfabricated для оптически контроля биологических жидкостей Заднепроходных. Sci. 1999, 15, 721-724.

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

Last Update: 14. June 2013 09:48

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