Mini-centrifuge til enklere undersøgelse af blodceller åbner nye organ-på-chip-muligheder

En simpel innovation på størrelse med et sandkorn betyder, at vi nu kan analysere celler og små partikler, som om de var inde i menneskekroppen.

Den nye mikroenhed til væskeanalyse vil muliggøre mere skræddersyede eksperimenter inden for lægemiddeludvikling og sygdomsforskning via nye 'organ-on-chip'-systemer.

Det kan også transformere vandforureningstest og medicinsk diagnose i naturkatastrofezoner, hvor det er billigt, enkel brug og bærbarhed gør det til et praktisk værktøj, næsten alle kan bruge.

Hvordan det virker

Mikrofluidisk eller 'lab-on-a-chip' enheder bruges almindeligvis til at analysere blod- og andre væskeprøver, som pumpes gennem smalle kanaler i en gennemsigtig chip på størrelse med et frimærke.

Denne nye chip tager denne teknologi et skridt videre ved at tilføje et tredimensionelt hulrum langs kanalen – tænk på en smal tunnel, der pludselig åbner sig i en kuppelformet hvælving – som skaber en mini-hvirvel, hvor partikler snurrer rundt, gør dem nemmere at observere.

For at lave dette hulrum, forskere indsatte en flydende metaldråbe på siliciumformen, da de lavede chippen.

Det flydende metals høje overfladespænding betyder, at det holder sin form under støbeprocessen.

Til sidst fjernes det flydende metal, efterlader kun kanalen og et sfærisk hulrum klar til brug som en mini-centrifuge, forklarede RMIT ingeniør og studie medleder Dr. Khashayar Khoshmanesh.

"Når væskeprøven kommer ind i det kugleformede hulrum, det snurrer inde i hulrummet, " han sagde.

"Denne spinding skaber en naturlig hvirvel, som ligesom en centrifugemaskine i et analyselaboratorium, spinder cellerne eller andre biologiske prøver, giver dem mulighed for at blive studeret uden behov for at fange eller mærke dem."

Enheden kræver kun små prøver, så lidt som 1 ml vand eller blod, og kan bruges til at studere bittesmå bakterieceller, der kun måler 1 mikron, helt op til menneskeceller så store som 15 mikron.

En platform til at studere hjerte-kar-sygdomme

Studiemedleder og RMIT-biolog, Dr. Sara Baratchi, sagde, at enhedens bløde sfæriske hulrum kunne bruges til at efterligne 3-D menneskelige organer og observere, hvordan celler opfører sig under forskellige strømningsforhold eller lægemiddelinteraktioner.

"Evnen til at skræddersy størrelsen af ​​hulrummet gør det også muligt at simulere forskellige strømningssituationer - på denne måde kan vi efterligne blodcellernes reaktion under forstyrrede strømningssituationer, for eksempel ved forgreningspunkter og krumninger af koronar- og halspulsårer, som er mere tilbøjelige til at indsnævre, " hun sagde.

Denne kapacitet vil være af interesse for Australiens blomstrende biomedicinske industri, med medicinske apparater, der var blandt vores top 10-eksport i 2018 og til en værdi af 3,2 mia.

Baratchi sagde, at opdagelsen kun blev muliggjort gennem samarbejde, med teknologer fra School of Engineering og mekano-biologer på School of Health and Biomedical Sciences, der går sammen i RMIT's Mechanobiology and Microfluidics forskningsgruppe.

"Biologer som jeg har kæmpet for at studere virkningen af ​​flow-associerede kræfter på kredsløbsblodceller. Nu gør denne miniaturiserede enhed udviklet med vores ingeniørkolleger præcis det, " sagde Baratchi.

"Det er en genial løsning, der virkelig fremhæver værdien af ​​tværfaglig forskning."

Men nogle af de mest spændende applikationer kunne også være uden for laboratoriet.

En billig og bærbar vandtest, som alle kan bruge

En anden lovende applikation er at identificere parasitter og andre infektioner i vandveje, især i udviklingslande.

"Detektering af vandurenheder kan være en vanskelig opgave, fordi du ikke altid ved præcis, hvad du leder efter, " sagde Khoshmanesh.

"Men med denne enhed vil urenhederne blive fanget og kredset om af hvirvelen uden nogen speciel prøveforberedelse, sparer tid og penge."

Uanset om det bruges til at analysere vand eller blodprøver, enhedens lave pris og bærbarhed gør den attraktiv til en lang række applikationer.

Den samme forskergruppe udviklede for nylig en trykpumpe, lavet af latex balloner, at betjene enheden.

I modsætning til konventionelle pumper, som kan være så stor som en skoæske og koste tusindvis af dollars, deres er billig og bærbar.

"Enkelhed er en meget vigtig parameter for vores design, fordi det ofte oversættes til lavere omkostninger og stor anvendelighed uden for laboratoriet, " sagde Khoshmanesh.

"Vores nye mikrofluidiske enhed, kombineret med vores pumpe og en smartphone, der er i stand til at tage billeder i høj hastighed, laver en lav pris, selvforsynende og fuldstændig bærbart point-of-care diagnoseapparat."

Studiet, hovedforfatter af RMIT Engineering PhD-studerende, Ngan Nguyen, er nu udgivet i top-tier Avancerede funktionelle materialer tidsskrift.