Sådan gør du en lab-on-a-chip klar og biokompatibel (med mindre blodstænk)

Mikrofluidisk enheder kan tage standard medicinske laboratorieprocedurer og kondensere hver ned til en mikrochip, der kan balancere oven på et vandflaskelåg. Et team fra Michigan Technological University, studerer kemiteknik, elektroteknik og materialevidenskab, strømline designet af mikrofluidiske enheder for at være gennemsigtige for at observere deres indre funktion. Ved at bruge hårtynde tunneler og lige så små elektroder, disse enheder tragter væsker gennem en elektrisk strøm for at sortere celler, finde sygdomme, og køre diagnostiske tests.

Problemet er, at biologiske prøver ikke er inerte - de er opladede og klar til at interagere. Når væskerne kommer i kontakt med mikroenhedens elektroder, eksplosioner kan ske. Små små. Men eksploderende røde blodlegemer - forårsaget af en ionubalance, der sprænger cellemembraner i en proces kaldet lysis - overvinder pointen med at teste blodsukkerniveauer eller blodtype. I andre test, som for kræft eller infektionssygdom, rod med prøvekemien kan føre til fejlagtige negativer eller falske positiver. Interaktioner mellem prøver og elektroder, kaldet faradaiske reaktioner, kan være en uønsket bivirkning i mikrofluidika.

For at bevare integriteten af ​​prøver og bevare en klar overflade for at observere, hvad der foregår inde i enheden, Michigan Tech-ingeniører beskriver, hvordan tynde hafniumoxidlag fungerer som en mobiltelefonskærmbeskytter til mikroenheder. Deres arbejde blev for nylig udgivet i Tynde faste film og en video af en enhed viser, hvordan det beskyttende lag fungerer.

Jeana Collins, lektor i kemiteknik, studerede mikrofluidik til sin doktorgradsforskning ved Michigan Tech og er den første forfatter på papiret. Hun forklarer, hvordan laboratoriet-på-en-chip bruger en proces kaldet dielektroforese.

"Den dielektroforetiske respons er en bevægelse, "siger hun." Og hvordan kan du se, at det flyttede? Ved at se den bevæge sig."

Collins fortsætter med at forklare, at et uensartet elektrisk felt fra elektroderne interagerer med ladningen på partiklerne eller cellerne i en prøve, får dem til at migrere. Mange biologiske lab-on-a-chip-enheder er afhængige af denne form for elektrisk respons.

"Som kemiingeniører, vi beskæftiger os mere med fluidics-siden, Collins siger, tilføjer, at elektronikken også er nøglen, og en blodsukkermåler er et godt eksempel. "Du har blodet - det er din væske - og det går ind, du har lavet en test, så får du en digital udlæsning. Så det er en kombination af fluidik og elektronik."

Selvom en kommercialiseret lab-on-a-chip som en glukosemåler er dækket, Collins og andre ingeniører er nødt til at se, hvad der foregår, for at få et klart billede under et mikroskop. Det er derfor hafniumoxid, der kun efterlader en lille nuance, er nyttige i deres udvikling af mikroenheder.

Også, teknologien gælder ikke for en enkelt enhed. På grund af sin enkelhed, hafniumoxidlaget fungerer med en række elektrodedesigns, opretholder en konsistent dielektrisk konstant på 20,32 og er hæmokompatibel – dvs. det minimerer de faradaiske reaktioner, der kan forårsage cellelyse, så færre røde blodlegemer eksploderer, når de kommer i nærheden af ​​elektroderne.

Collins og hendes team testede tre forskellige tykkelser af hafniumoxid-58 nanometer, 127 nanometer og 239 nanometer. De fandt ud af, at afhængigt af afsætningstiden - 6,5 minutter, 13 minutter og 20 minutter - kornstørrelsen og strukturen kan justeres afhængigt af behovene for specifikke enheder. Det eneste potentielle problem ville være for fluorescens-baserede mikroenheder, fordi hafniumoxidet interfererer med visse bølgelængder. Imidlertid, lagets optiske gennemsigtighed gør det til en god løsning til mange biologiske lab-on-a-chip test.