Mikrofluidik:Den lille, smuk teknologi skjult overalt omkring dig

Når du tænker på mikro- eller nanoteknologi, du tænker sandsynligvis på små elektronik som din telefon, en lille robot eller en mikrochip. Men COVID-19-tests - som har vist sig at være centrale for at kontrollere pandemien - er også en form for miniaturiseret teknologi. Mange COVID-19-tests kan give resultater inden for timer uden at skulle sende en prøve til et laboratorium, og de fleste af disse tests bruger en fremgangsmåde kaldet mikrofluidik.

Jeg er professor i bioteknik og arbejder med mikrofluidik til min forskning. Alt fra graviditetstests til glukosestrips til inkjetprintere til genetiske tests er afhængige af mikrofluidik. Denne teknologi, uvidende mange mennesker, er overalt og kritisk for mange af de ting, der får den moderne verden til at gå rundt.

Hvad er mikrofluidik?

Mikrofluidiske systemer er enhver enhed, der behandler små mængder væsker. Væskerne bevæger sig gennem kanaler, der er tyndere end et hår, og bittesmå ventiler kan tænde og slukke for flowet. Disse kanaler er lavet af materialer som glas, polymerer, papir eller geler. En måde at flytte væsker på er med en mekanisk pumpe; en anden måde er at bruge overfladeladninger af visse materialer; og endnu en anden er at bruge den såkaldte kapillære virkning - mere almindeligt kendt som wicking. Wicking er den proces, hvorved den energi, der er lagret i væsken, driver væsken gennem snævre rum.

I små skalaer, væsker opfører sig på uintuitive måder. Billede ikke det turbulente, kaotisk flow, der kommer ud af en haveslange eller dit brusehoved. I stedet, i de indsnævrede volumener af en mikrokanal, strømme er uhyggeligt stabile. Væsker bevæger sig ned gennem kanalen i organiserede parallelle strømme - kaldet laminær strømning. Laminær flow er et af de store vidundere ved mikrofluidiske systemer. Væsker og partikler i laminær strømning følger stier, der er matematisk forudsigelige - en nødvendighed for præcisionsteknik og design af medicinsk udstyr.

Disse processer – inspirerende for forskere – har eksisteret i naturen i evigheder. Planter transporterer næringsstoffer fra deres rødder op til de højeste grene ved hjælp af kapillaritet, inspirationen til mikrofluidiske kredsløb, der er autonomt drevet. Efterligner de fysiske egenskaber ved regndråber, kemikere har designet enheder, der deler en prøve i millioner af dråber og analyserer dem med svimlende hastigheder. Hver dråbe er i det væsentlige et lillebitte kemisk laboratorium, der giver kemikere mulighed for at studere udviklingen af ​​biomolekyler og udføre ultrahurtig genetisk analyse, blandt andet.

Og endelig, hvert hjørne af den menneskelige krop er mikrofluidisk. Vi kunne ikke blive født eller fungere uden indviklede blodkapillærer, der bringer mad, ilt og signalmolekyler til hver celle.

Fordelene ved lille teknologi

Meget ligesom mikroelektronik, størrelse er nøglen i mikrofluidik.

Efterhånden som komponenterne bliver mindre, enheder kan stole på væskers mærkelige egenskaber i små skalaer, kan fungere hurtigere og mere effektivt og er billigere at fremstille. Mikrofluidik-revolutionen har i det stille piggybacket på sin elektroniske modstykke.

En anden stor fordel ved mikrofluidiske enheder er, at de kun kræver meget små mængder væske og derfor kan være små i størrelse. NASA har i lang tid overvejet mikrofluidanalysatorer til sine Mars-rovere. Analysen af ​​dyrebare væsker - såsom menneskeblod - drager også fordel af muligheden for at bruge små prøver. For eksempel, glukosemålere er mikrofluidiske instrumenter, der kun kræver en dråbe blod for at måle en diabetikers blodsukker.

Mikrofluidik i teknologi, biologi og medicin

Chancerne er, at du bruger mikrofluidik ret ofte i dit liv. Inkjet-printere skyder små blækdråber. 3D-printere presser smeltet polymer ud gennem en mikrofluidisk dyse. Blækket i fyldepenne og kuglepenne flyder via mikrofluidiske principper. Nebulisatorer til astmapatienter sprøjter en tåge af mikroskopiske lægemiddeldråber. En graviditetstest er afhængig af urinstrømmen i en mikrofluidisk papirstrimmel.

I videnskabelig forskning, mikrofluidika kan styre lægemidler, næringsstoffer eller enhver væske til meget specifikke dele af organismer for mere præcist at simulere biologiske processer.

For eksempel, forskere har fanget orme i kanaler og stimuleret dem med lugte for at lære om neurale kredsløb. Et andet hold rettede næringsstoffer mod specifikke områder af en planterod for at observere forskellige reaktioner på vækstkemikalier. Andre grupper har udtænkt mikrofluidiske fælder, der fysisk fanger sjældne tumorceller fra blod. Mængder af mikrofluidiske genetiske chips giver kraften til hurtigt at sekventere det menneskelige genom og gøre personlige DNA-tests såsom 23andMe til virkelighed. Intet af dette ville have været muligt uden mikrofluidik.

Fremtiden for mikrofluidik

Mikrofluidik vil være afgørende for at indlede medicin i en ny, hurtig, overkommelig æra. Bærbare enheder, der måler stoffer i sved til træningsovervågning og implanterbare enheder, der lokalt leverer kræftmedicin til en patients tumor, er nogle af de næste grænser for biomedicinsk mikrofluidik.

Forskere udvikler komplekse, fascinerende mikrofluidiske systemer kaldet organer-on-a-chip, der har til formål at simulere forskellige aspekter af menneskets fysiologi. I mit eget laboratorium og andre laboratorier over hele verden, teams udvikler tumor-on-a-chip platforme for at teste kræftmedicin mere effektivt. Disse patientavatarer vil gøre det muligt for forskere at teste nye behandlinger på en måde, der ikke medfører omkostningerne, lidelse og etiske spørgsmål i forbindelse med forsøg på dyr eller mennesker. I mit laboratorium, vi dissekerer først en tumorbiopsi fra en kræftpatient i tusindvis af mikroskopiske almindelige stykker, som vi holder i live. I kraft af deres lille størrelse, vi kan bruge mikrofluidik til at fange de små tumorstykker i flere brønde, en brønd pr. lægemiddel. Disse prøver bevarer tumorens passende cellulære miljø, hvilket vil give os mulighed for mere præcist at forudsige, hvordan et lægemiddel vil virke for en bestemt person.

Forestil dig at gå til lægen få udtaget en biopsi, og på mindre end en uge, ved at bruge vores mikrofluidiske enhed, lægen kan finde ud af, hvilken medicincocktail der virker bedst til at fjerne din tumor. Det er stadig i fremtiden, men hvad vi ved er, at fremtiden vil være mikrofluidisk.

Denne artikel er genudgivet fra The Conversation under en Creative Commons-licens. Læs den originale artikel.