Микрофлюидика - Microfluidics

Микрогидродинамика относится к поведению, точному контролю и манипулированию жидкостями , которые геометрически ограничены малым масштабом (обычно субмиллиметровым), при котором поверхностные силы преобладают над объемными силами. Это мультидисциплинарная область, которая включает в себя инженерию , физику , химию , биохимию , нанотехнологии и биотехнологии . Он имеет практическое применение при проектировании систем, которые обрабатывают небольшие объемы текучих сред для достижения мультиплексирования , автоматизации и высокопроизводительного грохочения . Микрожидкостные технологии появились в начале 1980-х годов и используются при разработке струйных печатающих головок, ДНК-чипов , технологии « лаборатория на кристалле» , микродвигательных и микротермических технологий.

Обычно микро означает одну из следующих функций:

• Малые объемы (мкл, нл, мкл, фл)
• Маленький размер
• Низкое потребление энергии
• Эффекты микродоменов

Обычно микрожидкостные системы транспортируют, смешивают, разделяют или иным образом обрабатывают жидкости. Различные приложения полагаются на пассивное управление текучей средой с использованием капиллярных сил в виде элементов, модифицирующих капиллярный поток, подобных резисторам потока и ускорителям потока. В некоторых приложениях для направленной транспортировки среды дополнительно используются внешние исполнительные средства. Примерами являются вращательные приводы, применяющие центробежные силы для переноса жидкости на пассивную стружку. Активная микрофлюидика относится к определенному манипулированию рабочей жидкостью с помощью активных (микрокомпонентов), таких как микронасосы или микроклапаны . Микронасосы непрерывно подают жидкости или используются для дозирования. Микроклапаны определяют направление потока или режим движения перекачиваемых жидкостей. Часто процессы, обычно выполняемые в лаборатории, миниатюризированы на одном чипе, что повышает эффективность и мобильность, а также уменьшает объемы образцов и реагентов.

Поведение жидкостей в микромасштабе

Микрожидкостные устройства из силиконовой резины и стекла. Вверху: фотография устройств. Внизу: фазоконтрастные микрофотографии змеевидного канала шириной ~ 15 мкм .

Поведение жидкостей на микромасштабе может отличаться от «макрожидкостного» поведения в том, что в системе начинают доминировать такие факторы, как поверхностное натяжение , диссипация энергии и сопротивление жидкости. Microfluidics изучает, как меняется это поведение, и как его можно обойти или использовать для новых целей.

В малых масштабах (размер канала от 100 нанометров до 500 микрометров ) проявляются некоторые интересные, а иногда и не интуитивные свойства. В частности, число Рейнольдса (которое сравнивает влияние количества движения жидкости с эффектом вязкости ) может стать очень низким. Ключевым последствием является то, что совместно текущие жидкости не обязательно смешиваются в традиционном смысле, поскольку поток становится ламинарным, а не турбулентным ; молекулярный транспорт между ними часто должен осуществляться посредством диффузии .

Также может быть обеспечена высокая специфичность химических и физических свойств (концентрация, pH, температура, сила сдвига и т. Д.), Что приводит к более однородным условиям реакции и продуктам более высокого качества в одно- и многостадийных реакциях.

Различные виды микрофлюидных потоков

Микрожидкостные потоки должны быть ограничены только геометрической шкалой длины - модальности и методы, используемые для достижения такого геометрического ограничения, сильно зависят от целевого приложения. Традиционно микрожидкостные потоки генерируются внутри закрытых каналов с поперечным сечением канала порядка 10 мкм x 10 мкм. Каждый из этих методов имеет свои собственные связанные методы для поддержания устойчивого потока жидкости, выработанные за несколько лет.

Открытая микрофлюидика

Поведение жидкостей и их контроль в открытых микроканалах были впервые применены примерно в 2005 году и применялись при сборе проб воздух-жидкость и хроматографии. В открытой микрофлюидике по крайней мере одна граница системы удаляется, подвергая жидкость воздействию воздуха или другой поверхности раздела (т. Е. Жидкости). Преимущества открытой микрофлюидики включают доступность текущей жидкости для вмешательства, большую площадь поверхности жидкость-газ и минимальное образование пузырьков. Еще одним преимуществом открытой микрофлюидики является возможность интеграции открытых систем с потоком жидкости, управляемым поверхностным натяжением, что устраняет необходимость во внешних методах перекачивания, таких как перистальтические или шприцевые насосы. Открытые микрофлюидные устройства также легко и недорого изготавливать путем фрезерования, термоформования и горячего тиснения. Кроме того, открытая микрофлюидика устраняет необходимость приклеивать или приклеивать крышки для устройств, что может отрицательно сказаться на капиллярных потоках. Примеры открытой микрофлюидики включают микрофлюидику с открытым каналом, микрофлюидику на основе рельсов, микрофлюидику на бумажной основе и на основе нитей. Недостатки открытых систем включают подверженность испарению, загрязнению и ограниченный расход.

Микрофлюидика с непрерывным потоком

Микрожидкостные системы с непрерывным потоком полагаются на управление стационарным потоком жидкости через узкие каналы или пористую среду, преимущественно за счет ускорения или затруднения потока жидкости в капиллярных элементах. В микрофлюидике на основе бумаги капиллярные элементы могут быть достигнуты за счет простого изменения геометрии сечения. В общем, приведение в действие потока жидкости осуществляется либо внешними источниками давления , внешними механическими насосами , встроенными механическими микронасосами , либо комбинацией капиллярных сил и электрокинетических механизмов. Микрожидкостный режим с непрерывным потоком является основным подходом, поскольку его легко реализовать и он менее чувствителен к проблемам засорения белками. Устройства с непрерывным потоком подходят для многих четко определенных и простых биохимических приложений и для определенных задач, таких как химическое разделение, но они менее подходят для задач, требующих высокой степени гибкости или манипуляций с жидкостью. Эти системы с закрытыми каналами по своей природе трудно интегрировать и масштабировать, потому что параметры, которые управляют полем потока, изменяются вдоль пути потока, делая поток жидкости в любом месте зависимым от свойств всей системы. Постоянно протравленные микроструктуры также приводят к ограниченной реконфигурируемости и плохой отказоустойчивости. В последние годы были предложены автоматизированные подходы к автоматизации проектирования для микрожидкостных систем с непрерывным потоком, чтобы облегчить проектные усилия и решить проблемы масштабируемости.

микродатчик жидкости

Возможности мониторинга процесса в системах с непрерывным потоком могут быть достигнуты с помощью высокочувствительных микрожидкостных датчиков потока, основанных на технологии MEMS , которая обеспечивает разрешение вплоть до нанолитрового диапазона.

Микрофлюидика на основе капель

Воспроизвести медиа

Видео с высокой частотой кадров, показывающее образование отслаивания микропузырьков в микрофлюидном устройстве с фокусировкой потока

Микрофлюидика на основе капель - это подкатегория микрофлюидики в отличие от непрерывной микрофлюидики; Микрожидкостная система на основе капель манипулирует дискретными объемами жидкости в несмешивающихся фазах с низким числом Рейнольдса и ламинарными режимами течения. Интерес к капельным микрожидкостным системам существенно вырос в последние десятилетия. Микрокапли позволяют удобно обрабатывать миниатюрные объемы (от мкл до фл) жидкостей, обеспечивают лучшее перемешивание, инкапсуляцию, сортировку и зондирование, а также подходят для экспериментов с высокой пропускной способностью. Для эффективного использования преимуществ микрофлюидики на основе капель требуется глубокое понимание генерации капель для выполнения различных логических операций, таких как движение капель, сортировка капель, слияние капель и дробление капель.

Цифровая микрофлюидика

Альтернативы вышеупомянутым системам с закрытым каналом и непрерывным потоком включают новые открытые структуры, в которых дискретные, независимо контролируемые капли обрабатываются на подложке с помощью электросмачивания . По аналогии с цифровой микроэлектроникой этот подход получил название цифровой микрофлюидики . Le Pesant et al. впервые применил электрокапиллярные силы для перемещения капель по цифровой дорожке. «Жидкий транзистор», изобретенный Cytonix, также сыграл свою роль. Впоследствии технология была коммерциализирована Университетом Дьюка. Используя дискретные капли единичного объема, микрофлюидная функция может быть сведена к набору повторяющихся основных операций, то есть перемещению одной единицы жидкости на одну единицу расстояния. Этот метод «оцифровки» облегчает использование иерархического и основанного на ячейках подхода для создания микрожидкостных биочипов. Таким образом, цифровая микрофлюидика предлагает гибкую и масштабируемую системную архитектуру, а также высокую отказоустойчивость . Более того, поскольку каждой каплей можно управлять независимо, эти системы также обладают динамической реконфигурируемостью, посредством чего группы элементарных ячеек в микрофлюидном массиве могут быть реконфигурированы для изменения их функциональности во время одновременного выполнения набора биологических анализов. Хотя управление каплями осуществляется в ограниченных микрофлюидных каналах, поскольку управление каплями не является независимым, его не следует путать с «цифровой микрофлюидикой». Одним из распространенных методов активации цифровой микрофлюидики является электросмачивание на диэлектрике ( EWOD ). Многие приложения «лаборатория на кристалле» были продемонстрированы в рамках парадигмы цифровой микрофлюидики с использованием электросмачивания. Однако недавно были продемонстрированы и другие методы манипулирования каплями с использованием магнитной силы, поверхностных акустических волн , оптоэлектросмачивания , механического срабатывания и т. Д.

Бумажная микрофлюидика

Микрожидкостные устройства на бумажной основе заполняют растущую нишу портативных, дешевых и удобных медицинских диагностических систем. В основе микрофлюидики на бумажной основе лежит явление капиллярного проникновения в пористую среду. Чтобы настроить проникновение жидкости в пористые основы, такие как бумага, в двух и трех измерениях, можно контролировать структуру пор, смачиваемость и геометрию микрожидкостных устройств, в то время как вязкость и скорость испарения жидкости играют еще более важную роль. Многие такие устройства имеют гидрофобные барьеры на гидрофильной бумаге, которые пассивно транспортируют водные растворы к выходам, где происходят биологические реакции. Текущие приложения включают портативное определение уровня глюкозы и тестирование окружающей среды, с надеждой достичь областей, в которых отсутствуют передовые инструменты медицинской диагностики.

Микрофлюидика для обнаружения частиц

Одна из областей применения, в которой были предприняты значительные научные и некоторые коммерческие усилия, - это область обнаружения частиц в жидкостях. Обнаружение мелких переносимых жидкостью частиц диаметром до 1 мкм обычно осуществляется с помощью счетчика Коултера , в котором электрические сигналы генерируются, когда слабопроводящая жидкость, например, в соленой воде, проходит через небольшой (диаметр ~ 100 мкм) ) поры, так что генерируется электрический сигнал, прямо пропорциональный отношению объема частицы к объему поры. Физика, лежащая в основе этого, относительно проста, описана в классической статье ДеБлуа и Бина, а реализация впервые описана в оригинальном патенте Коултера. Это метод , используемый , чтобы , например , размер и подсчет эритроцитов (красные кровяные клетки [вики]), а также лейкоциты ( белые клетки крови ) для стандартного анализа крови. Общий термин для этого метода - резистивный импульсный датчик (RPS); Подсчет сошников - это торговая марка. Однако метод RPS не работает хорошо для частиц диаметром менее 1 мкм, поскольку отношение сигнал / шум падает ниже надежно обнаруживаемого предела, установленного в основном размером поры, через которую проходит аналит, и входным шумом усилитель первой ступени .

Ограничение на размер пор в традиционных счетчиках RPS Coulter устанавливается методом, используемым для создания пор, который, хотя и является коммерческой тайной, скорее всего, использует традиционные механические методы. Именно здесь микрофлюидика может иметь влияние: производство микрофлюидных устройств на основе литографии или, что более вероятно, производство многоразовых форм для изготовления микрожидкостных устройств с использованием процесса формования ограничено размерами, намного меньшими, чем при традиционной механической обработке . Критические размеры до 1 мкм легко изготовить, и, приложив немного больше усилий и средств, можно надежно сформировать элементы размером менее 100 нм. Это позволяет производить недорогое производство пор, интегрированных в микрожидкостную схему, где диаметры пор могут достигать размеров порядка 100 нм с одновременным уменьшением минимального диаметра частиц на несколько порядков.

В результате на базе университетов были разработаны методы подсчета и определения размеров микрожидкостных частиц с сопутствующей коммерциализацией этой технологии. Этот метод получил название микрожидкостного резистивного импульсного датчика (MRPS).

Микрогидравлический магнитофорез

Одной из основных областей применения микрофлюидных устройств является разделение и сортировка различных жидкостей или типов клеток. Недавние разработки в области микрофлюидики привели к интеграции микрофлюидных устройств с магнитофорезом : миграция частиц магнитным полем . Это может быть достигнуто путем направления текучей среды, содержащей по меньшей мере один магнитный компонент, через микрожидкостный канал, в котором по длине канала расположен магнит . Это создает магнитное поле внутри микрожидкостного канала, которое притягивает к себе магнитоактивные вещества, эффективно разделяя магнитные и немагнитные компоненты жидкости. Этот метод может быть легко использован в промышленных условиях, где имеющаяся жидкость уже содержит магнитоактивный материал. Например, небольшое количество металлических примесей может попасть в некоторые потребляемые жидкости, а именно в молоко и другие молочные продукты. Удобно, что в случае молока многие из этих металлических загрязнителей проявляют парамагнетизм . Таким образом, перед упаковкой молоко можно пропускать через каналы с магнитными градиентами в качестве средства очистки от металлических примесей.

Множество других, более ориентированных на исследования приложений магнитофореза с микрофлюидом, как правило, нацелено на разделение клеток . Обычно это делается в несколько этапов. Во-первых, парамагнитное вещество (обычно микро / наночастицы или парамагнитная жидкость ) необходимо функционализировать, чтобы воздействовать на интересующий тип клеток. Это может быть достигнуто путем идентификации трансмембранного белка, уникального для интересующего типа клеток, и последующей функционализации магнитных частиц комплементарным антигеном или антителом . После того, как магнитные частицы функционализированы, они диспергируются в смеси клеток, где они связываются только с интересующими клетками. Полученная смесь клеток / частиц затем может быть пропущена через микрожидкостное устройство с магнитным полем, чтобы отделить клетки-мишени от остальных.

И наоборот, для облегчения эффективного перемешивания в микрокаплях или пробках можно использовать магнитофорез с микрожидкостной подачей. Для этого в микрокапли вводятся парамагнитные наночастицы, которые проходят через прямой канал, который проходит через быстро меняющиеся магнитные поля. Это заставляет магнитные частицы быстро перемещаться из стороны в сторону внутри капли и приводит к смешиванию содержимого микрокапли. Это устраняет необходимость в утомительных инженерных расчетах, которые необходимы для традиционного смешивания капель по каналам. Другое исследование также показало, что разделение клеток без меток возможно путем подвешивания клеток в парамагнитной жидкости и использования эффекта магнитоархимеда. Хотя это устраняет сложность функционализации частиц, необходимы дополнительные исследования, чтобы полностью понять феномен магнитоархимеда и то, как его можно использовать для этой цели. Это не исчерпывающий список различных применений магнитофореза с использованием микрофлюида; Приведенные выше примеры просто подчеркивают универсальность этого метода разделения как в текущих, так и в будущих приложениях.

Ключевые области применения

Микрожидкостные структуры включают микропневматические системы, то есть микросистемы для обработки жидкостей вне кристалла (жидкостные насосы, газовые клапаны и т. Д.), И микрофлюидные структуры для обработки на кристалле нанолитровых (nl) и пиколитровых (pl) объемов. На сегодняшний день наиболее успешным коммерческим применением микрофлюидики является струйная печатающая головка . Кроме того, успехи в производстве микрожидкостей означают, что производители могут производить устройства из недорогого пластика и автоматически проверять качество деталей.

Достижения в технологии микрофлюидики революционизируют процедуры молекулярной биологии для ферментативного анализа (например, анализы глюкозы и лактата ), анализа ДНК (например, полимеразная цепная реакция и высокопроизводительное секвенирование ), протеомики и химического синтеза. Основная идея микрожидкостных биочипов - объединить такие аналитические операции, как обнаружение, а также предварительную обработку и подготовку образцов на одном чипе.

Возникающей областью применения биочипов является клиническая патология , особенно диагностика заболеваний непосредственно в месте оказания медицинской помощи . Кроме того, устройства на основе микрофлюидики, способные к непрерывному отбору проб и тестированию в реальном времени проб воздуха / воды на биохимические токсины и другие опасные патогены , могут служить в качестве постоянно включенной «биодымовой сигнализации» для раннего предупреждения.

Микрожидкостные технологии привели к созданию для биологов мощных инструментов для управления всей клеточной средой, что привело к новым вопросам и открытиям. Многие разнообразные преимущества этой технологии для микробиологии перечислены ниже:

• Общие исследования отдельных клеток, включая рост
• Клеточное старение: микрофлюидные устройства, такие как «материнская машина», позволяют отслеживать тысячи отдельных клеток в течение многих поколений, пока они не умрут.
• Контроль микросреды: от механической до химической.
• Точные пространственно-временные градиенты концентрации за счет включения нескольких химических вводов в одно устройство
• Измерение силы прикрепленных клеток или ограниченных хромосом: объекты, захваченные микрожидкостным устройством, можно напрямую манипулировать с помощью оптического пинцета или других методов создания силы
• Ограничение ячеек и приложение контролируемых сил за счет взаимодействия с внешними методами создания силы, такими как сток Стокса , оптический пинцет или контролируемая деформация устройства PDMS ( полидиметилсилоксан )
• Интеграция электрического поля
• Посадить на чип и культуру ткани растения
• Устойчивость к антибиотикам: микрофлюидные устройства могут использоваться в качестве гетерогенной среды для микроорганизмов. В гетерогенной среде микроорганизмам легче развиваться. Это может быть полезно для тестирования ускорения эволюции микроорганизма / для тестирования развития устойчивости к антибиотикам.

Некоторые из этих областей более подробно рассматриваются в следующих разделах:

ДНК-чипы (микрочипы)

Ранние биочипы были основаны на идее микроматрицы ДНК , например, ДНК- матрица GeneChip от Affymetrix , которая представляет собой кусок стекла, пластика или кремния, на который прикреплены кусочки ДНК (зонды) в виде микроскопического массива. Подобно микроматрице ДНК , белковая матрица представляет собой миниатюрную матрицу, в которой множество различных захватывающих агентов, чаще всего моноклональных антител , откладываются на поверхности чипа; они используются для определения наличия и / или количества белков в биологических образцах, например крови . Недостатком массивов ДНК и белков является то, что они не могут быть реконфигурируемы или масштабированы после производства. Цифровая микрофлюидика была описана как средство для проведения цифровой ПЦР .

Молекулярная биология

Помимо микрочипов были разработаны биочипы для двумерного электрофореза , анализа транскриптома и амплификации ПЦР . Другие применения включают различные приложения для электрофореза и жидкостной хроматографии белков и ДНК , разделение клеток, в частности, разделение клеток крови, анализ белков, манипуляции с клетками и анализ, включая анализ жизнеспособности клеток и захват микроорганизмов .

Эволюционная биология

Комбинируя микрофлюидику с ландшафтной экологией и нанофлюидикой , можно создать нано / микрожидкий ландшафт , создавая локальные участки среды обитания бактерий и соединяя их коридорами распространения. Полученные пейзажи можно использовать в качестве физических реализаций адаптивного ландшафта путем создания пространственной мозаики участков возможностей, распределенных в пространстве и времени. Пятнистая природа этих жидких ландшафтов позволяет изучать адаптацию бактериальных клеток в системе метапопуляции . Эволюционная экология этих бактериальных систем в этих синтетических экосистемах позволяет использовать биофизики для решения вопросов в эволюционной биологии .

Поведение клетки

Способность создавать точные и тщательно контролируемые градиенты хемоаттрактантов делает микрофлюидику идеальным инструментом для изучения подвижности, хемотаксиса и способности эволюционировать / развивать устойчивость к антибиотикам в небольших популяциях микроорганизмов за короткий период времени. Эти микроорганизмы, включая бактерии и широкий спектр организмов, образующих морскую микробную петлю , ответственны за регулирование большей части биогеохимии океанов.

Микрофлюидика также очень помогла изучению дуротаксиса , облегчая создание дуротактических градиентов (жесткости).

Клеточная биофизика

Исправляя движение отдельных плавающих бактерий, микрофлюидные структуры можно использовать для извлечения механического движения из популяции подвижных бактериальных клеток. Таким образом можно построить роторы с питанием от бактерий.

Оптика

Слияние микрофлюидики и оптики обычно называют оптофлюидикой . Примерами оптофлюидных устройств являются настраиваемые решетки микролинз и оптико-жидкостные микроскопы.

Микрожидкостный поток обеспечивает быструю обработку образцов, автоматическую визуализацию больших популяций образцов, а также возможности 3D. или сверхразрешение.

Высокоэффективная жидкостная хроматография (ВЭЖХ)

ВЭЖХ в области микрофлюидики бывает двух разных форм. Ранние конструкции включали пропускание жидкости через колонку для ВЭЖХ, затем перенос элюированной жидкости на микрожидкостные чипы и присоединение колонок для ВЭЖХ непосредственно к микрожидкостным чипам. Ранние методы обладали преимуществом более легкого обнаружения с помощью определенных устройств, например, тех, которые измеряют флуоресценцию. Более поздние разработки полностью интегрировали колонки ВЭЖХ в микрожидкостные чипы. Основным преимуществом интеграции колонок для ВЭЖХ в микрофлюидные устройства является меньший форм-фактор, который может быть достигнут, что позволяет объединить дополнительные функции в одном микрожидкостном чипе. Интегрированные чипы также могут быть изготовлены из множества различных материалов, включая стекло и полиимид, которые сильно отличаются от стандартного материала PDMS, используемого во многих различных микрожидкостных устройствах на основе капель. Это важная особенность, поскольку для различных применений микрожидкостных чипов ВЭЖХ может потребоваться разное давление. ПДМС не подходит для использования при высоком давлении по сравнению со стеклом и полиимидом. Высокая универсальность интеграции ВЭЖХ обеспечивает надежность за счет исключения соединений и фитингов между колонкой и чипом. Возможность разрабатывать указанные конструкции в будущем позволяет микрофлюидике расширять свои потенциальные области применения.

Потенциальные области применения, связанные со встроенными колонками для ВЭЖХ в микрофлюидных устройствах, за последние 10–15 лет расширились. Интеграция таких колонок позволяет проводить эксперименты там, где материалы были в ограниченном количестве или были очень дорогими, например, при биологическом анализе белков. Такое уменьшение объемов реагентов позволяет проводить новые эксперименты, такие как анализ одноклеточного белка, что из-за ограничений по размеру предшествующих устройств ранее было сопряжено с большими трудностями. Соединение устройств ВЭЖХ-чипов с другими методами спектрометрии, такими как масс-спектрометрия, позволяет повысить уверенность в идентификации желаемых видов, например белков. Микрожидкостные чипы также были созданы с внутренними линиями задержки, которые позволяют создавать градиент для дальнейшего улучшения ВЭЖХ, что может снизить необходимость в дальнейшем разделении. Некоторые другие практические применения интегрированных чипов ВЭЖХ включают определение присутствия лекарства в организме человека через его волосы и мечение пептидов с помощью жидкостной хроматографии с обращенной фазой.

Акустический выброс капель (ADE)

Акустический выброс капель использует импульс ультразвука для перемещения небольших объемов жидкости (обычно нанолитров или пиколитров) без какого-либо физического контакта. Эта технология фокусирует акустическую энергию в пробе жидкости для выброса капель размером от одной миллионной доли литра (пиколитр = ^10–12 литров). Технология ADE - очень щадящий процесс, и его можно использовать для переноса белков, высокомолекулярной ДНК и живых клеток без повреждения или потери жизнеспособности. Эта особенность делает технологию пригодной для широкого круга приложений, включая протеомику и клеточные анализы.

Топливные элементы

Микрожидкостные топливные элементы могут использовать ламинарный поток для разделения топлива и его окислителя, чтобы контролировать взаимодействие двух жидкостей без физического барьера, который требуется для обычных топливных элементов.

Астробиология

Чтобы понять перспективы существования жизни в других частях Вселенной, астробиологи заинтересованы в измерении химического состава внепланетных тел. Микрожидкостные устройства благодаря своему небольшому размеру и широкому диапазону функций идеально подходят для таких удаленных анализов проб. Из внеземного образца содержание органических веществ можно оценить с помощью капиллярного электрофореза на микрочипах и селективных флуоресцентных красителей. Эти устройства способны обнаруживать аминокислоты , пептиды , жирные кислоты и простые альдегиды , кетоны и тиолы . Эти вместе взятые анализы могли бы позволить мощное обнаружение ключевых компонентов жизни и, мы надеемся, дать информацию для наших поисков функционирующей внеземной жизни.

Будущие направления

Микрофлюидика для индивидуального лечения рака

Персонализированное лечение рака - это индивидуализированный метод, основанный на диагнозе и биографии пациента. Микрожидкостная технология предлагает чувствительное обнаружение с более высокой пропускной способностью, а также сокращение времени и затрат. Для индивидуального лечения рака очень важны состав опухоли и лекарственная чувствительность.

Реакцию пациента на лекарственные препараты можно предсказать на основании статуса биомаркеров или на основании атипичного присутствия специфических клеток можно предсказать тяжесть и прогрессирование заболевания. Капля - кПЦР - это микрожидкостная технология капель, при которой капли транспортируются в многоразовом капилляре и попеременно проходят через две области, поддерживаемые при различных постоянных температурах и детектировании флуоресценции. Обнаружение Her2 может быть эффективным при низком риске заражения . Цифровой капелька на основе ПЦРА метод может быть использован для обнаружения KRAS мутации с TaqMan зондами , чтобы улучшить обнаружение соотношения мутационного гена. Кроме того, точное прогнозирование прогрессирования послеоперационного заболевания у пациентов с раком груди  или простаты имеет важное значение для определения послеоперационного лечения. Простая микрофлюидная камера, покрытая тщательно разработанной смесью внеклеточного матрикса. используется для клеток, полученных при биопсии опухоли после 72 часов роста, и для тщательной оценки клеток с помощью визуализации.

Microfluidics также подходит для анализа циркулирующих опухолевых клеток (ЦКО) и жидких биоптатов, не содержащих ЦОК . Бусины сопряженные с анти - эпителиальной молекулы клеточной адгезии (EpCAM) антител для позитивной селекции в ЦОК чипе изоляции (iCHIP) . ЦКО также можно обнаружить, используя подкисление микроокружения опухоли и разницу в емкости мембран. ЦКО выделяются из крови с помощью микрофлюидного устройства и культивируются на чипе , что может быть методом сбора большей биологической информации за один анализ. Например, его можно использовать для проверки выживаемости клеток 40 различных лекарств или комбинаций лекарств. Внеклеточные везикулы опухолевого происхождения можно выделить из мочи и обнаружить с помощью встроенного микрофлюидного устройства с двойной фильтрацией; они также могут быть выделены из крови и обнаружены методом электрохимического зондирования с помощью двухуровневого ферментативного анализа амплификации .

Опухолевые материалы можно напрямую использовать для обнаружения с помощью микрофлюидных устройств. Чтобы проверить первичные клетки на наличие лекарств, часто необходимо отличить раковые клетки от незлокачественных клеток. Микрожидкостный чип основан на способности клеток проходить небольшие сужения могут сортировать типы клеток, метастазы . Микрожидкостные устройства на основе капель обладают потенциалом для скрининга различных лекарств или их комбинаций непосредственно на образце первичной опухоли с высокой точностью. Чтобы улучшить эту стратегию, более эффективна микрофлюидная программа с последовательным приемом лекарственных коктейлей в сочетании с флуоресцентными штрих-кодами. Другой продвинутой стратегией является обнаружение темпов роста отдельных клеток с помощью подвешенных микроканальных резонаторов, которые могут предсказывать лекарственную чувствительность редких ЦОК .

Микрогидравлические устройства также могут моделировать микросреду опухоли , чтобы помочь в тестировании противоопухолевых препаратов. Микрожидкостные устройства с двумерными или трехмерными культурами клеток могут использоваться для анализа сфероидов для различных онкологических систем (таких как рак легких и рак яичников ) и необходимы для многих противораковых препаратов и тестов на токсичность. Эту стратегию можно улучшить, увеличив пропускную способность и производство сфероидов. Например, одно микрожидкостное устройство на основе капель для трехмерной клеточной культуры производит 500 сфероидов на чип. Эти сфероиды можно дольше культивировать в различных условиях для анализа и мониторинга. Другая передовая технология - это органы на кристалле , и ее можно использовать для моделирования нескольких органов для определения метаболизма и активности лекарств на основе имитации сосудов , а также имитации pH , кислорода ... для анализа взаимосвязи между лекарствами. и окружение человеческих органов.

Недавней стратегией является иммунопреципитация одноклеточного хроматина (ChiP) в каплях , которая работает путем комбинирования капельного секвенирования одноклеточной РНК с антителами со штрих-кодом , возможно, для изучения гетерогенности опухоли по генотипу и фенотипу для выбора персонализированного антибиотика. -раковые препараты и предотвращение рецидива рака.

В целом, микрофлюидные методы обладают большим потенциалом для персонализированного лечения рака и внедрения новых методов для будущих методов лечения рака. Однако остаются проблемы с интеграцией этих методов в клиническое лечение, основанные на количестве генетической или биомаркерной информации, ненадежном оборудовании или сложности взаимодействия с клиническими операциями.

Микрожидкостные анализы лекарств:

Характеристики на кристалле:

Микрофлюидика в классе: кислотно-щелочное титрование на кристалле

Обнаружение сепсиса за считанные минуты, а не дни.

Разблокировка многоугольной визуализации для микрофлюидных устройств

Смотрите также

• Расширенная библиотека моделирования
• Микрофлюидика на основе капель
• Флюидика
• Микрофизиометрия
• Микронасосы
• Микроклапаны
• Электрокинетика с индуцированным зарядом
• Лаборатория на чипе
• μFluids @ Home
• Бумажная микрофлюидика
• Микрожидкостная клеточная культура
• Микрожидкостная модуляционная спектроскопия

использованная литература

дальнейшее чтение

Обзорные статьи

Книги

Образование

У Scholia есть тематический профиль Microfluidics .