Microfluidics 和生物医学的应用

Xianghong Ma 博士

Xianghong Ma 博士,主任、生物医学工程工程研究小组、学校和应用科学,阿斯顿大学。 对应的作者: x.ma@aston.ac.uk

Microfluidics 是在 MEMS (微电动机械的系统) 内的一个研究领域和与流体流的控制在微,纳诺评定的有关,甚至 Pico,公升,数量。 流体可以是液体或气体的本质上或者两个的混合物,并且流经微小等级通道、泵、阀门和补白。

这些 microfluidic 设备在硅或玻璃可以被制造使用从半导体行业适应的照相平版印刷和蚀刻技术,或者从有机材料例如塑料和聚合物 [1,2]。

Microfluidic 设备为处理要求仅少量的范例和试剂和团队大表面对数量比例。 另外,自动化快速回应时间和方便做应用的 microfluidic 设备理想在生物医学工程方案。

Microfluidics 是用途广泛在总分析系统的发展 (或实验室在筹码设备) [23],特别地为药物审查在工业制药和在微阵列 [4 的] 发展。 技术迅速地成熟从事苍劲的研究工作在过去 20 年期间。 在不久的将来,我们将看到往满足特殊需要,可能是临床的,配药被剪裁的 microfluidic 设备的生产的一个生长趋势,或者生物技术学。

其中一种 microfluidics 的最有为的应用在生物医学工程的在点关心诊断。 进入重要范例准备阶段,被瞄准的生物细胞需要从在这个范例的其他物质分隔。 按常规,细胞在能流动的暂挂可以分隔,根据范围,密度,电荷,轻分散属性和抗原表面属性。 分隔根据这些衡量标准的细胞可能要求复杂技术和专家设备。 这样技术包括分离,荧光排序被激活的细胞,电泳法、色谱法、亲合力分隔和磁选。 当执行范例准备的一个独立设备分配, Microfluidic 解决方法顺利地被设计了对集成上述技术,或者对功能。

一个有趣示例是那排序 spermato 基因的细胞的一个 microfluidic 滤清设备支持 IVF (体外受精) 和 ICSI (胞内质的精液射入) 进程 [5]。 在某些情况下男性系数不育,一个唯一可行的精子发生的细胞必须从切片检查法药丸被检索,以便它可以直接地被注射到卵母细胞。 切片检查法药丸包含各种各样的组织和生殖细胞的范围从到期日所有顺序的。 查找 ICSI 的可行的细胞的进程可以费时,要求介入的几小时密集工作手动地剁碎这个药丸,连续的细胞分隔循环通过离心法和单个细胞歧视。 生殖细胞变得小作为他们成熟,开始作为一大来回 spermatogonion 16~18µm 和结束作为一个小和苗条精子 4~6µm。 使用此特性,一个可能打算分开精子发生的细胞成不同的成熟类别根据他们的范围以快速和高效率的方法。

如图 1 所显示,这个 microfluidic 解决方法是有收集单独的井细胞的不同的类型通过逐渐减少补白空白分隔的一个被动平面 DRIE (深刻的易反应的离子蚀刻) microfabricated 设备 [6 个]。 可变的暂挂通过与常规微细操作工具的中央水库存款。

图 1 : 扫描一个非保税的补白设备的电子显微镜术图象,查看从滤清端、陈列线性通道和补白细分市场放热从中央水库 [6]。

通过表面的属性的仔细控制与流体联系和通过利用 microfluidic 流的层流本质,补白使用工作流体的表面张力通过设备驱动这个范例。

设备缩放比例允许通常防止在这个宏观级别的流体流动通过滤波元件有效地画这个范例强制的利用率,不用对外部能源的需要。

在设备的实验测试,发现 0.5µl 与大约 1500 个微粒的 microfluid 可能过滤在少于 1 秒的设备。

图 2 显示分隔 3µm 和 10µm 微球体混合物的结果,微粒大部分在他们适当的水库收集。 发现微粒的最佳的浓度在他们适当的收集井内的 3µm 和 84% 的指令 50% 各自 10µm 微粒的。 被处理的细胞的比例证明是他们的迁移的功能通过在批量流体流动内的补白设备。

图 2. 共焦的图象 3µm (红色) 和 10µm (绿色) 微球体混杂的暂挂的分隔使用一个 microfluidic 设备的 在此设计,不同的范围微通道用于作为表面张力强制补白和提供者通过设备画这个范例。

此设备提供一定数量的好处。 它生物适合归结于使用材料例如硅,并且玻璃和它是经济上一次性的,由于大生产数量的低制造成本,因而消灭范例污秽。

另外,当地氧化物定金的亲水本质在设备的血丝的内意味着他们是实际上无害的对细胞和蛋白质 [7]。 自己供电的血丝抽的技术可以用于进一步操作流体,减少对外部设备的需要。 这样途径有潜在通过消灭移动要素和因而使对 的确,抽造成的细胞的潜在的机械故障减到最小提高可靠性和功能,或者出现潜在的热量的故障从 marangoni 作用抽。

总而言之,实际滤清结构包括在一个被动 microfluidic 系统的启用是从污秽或故障解脱的高效处理范例。 这个进程导致对加工时间的明显减少并且有在自动和高效的微粒分隔的巨大处理在各种各样生物医学的应用间的潜在和生物范例。


参考:

[1] 贝克尔, H., Locascio, L.E.,聚合物 microfluidic 设备, Talanta 56 (2002) 267-287。

[2] 铆钉, C.,等,医疗诊断和生理传感器的,化学工程科学 (2010), doi Microfluidics :10.1016/j.ces.2010.08.015

[3] M.,细胞处理的,阿斯顿大学 PhD 论文聪明的微系统王子, 2006年。

[4] Situma, C.,桥本 M., S.A. Scoper,合并 microfluidics 与基于微阵列的生物鉴定,生物化子的工程, 23日 2006年, p213-231。

[5] 王子、 M.、 Ma X.,码头工人 P.,病区 M., Prewett P.,设计和塑造分隔的精子发生的细胞, ASME 设计工程技术会议,加利福尼亚, 2005年 9月一个微流体过滤器。页。 475-480. doi :10.1115/DETC2005-85357

[6] M., Ma X.,码头工人 P.,病区 M., Prewett P.,一个新颖的生物MEMS 滤清筹码的发展王子,特定细胞的分隔的在可变的暂挂, IMechE 部 H 的: 工程 J 在医学, 221(2), 2007年。 p113-128 的。 doi : 10.1243/09544119JEIM190

[7] Chau、 L.K.、 Osborn、 T.、吴、 C.C. 和 Yager, P. Microfabricated 肛门生物的流体光学监控的硅流槽。 Sci。 1999年, 15, 721-724。

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

Last Update: 14. June 2013 09:07

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