Jeden z poprzednich wpisów poświęciłem artykułowi z GW, w którym opisano konstrukcje dr Walczaka z Politechniki Wrocławskiej. Skonstruował urządzenie do reakcji PCR w bardzo małych objętościach , tzw. „lab-on-a-chip”. Dzięki takim rozwiązaniom można zaoszczędzić miejsce, czas i odczynniki potrzebne do klasycznej analityki. Dziedzina zajmująca się tym zagadnieniem to mikrofluidyka.
Podstawowy pomysł na chipy mikrofluidyczne - mikfofluidyki (wybaczcie neologizm) - pochodzi od mikrochipów stosowanych w komputerach i obwodach elektronicznych. Zamiast, jak w komputerach przełączać dane binarne, chipy mikrofluidyczne kierują maleńkie objętości płynów (od nano- do attolitrów) kanałami (dziesiątki - setki mikrometrów szerokości) do małych studzienek, komór mieszania, przestrzeni reakcyjnych i kanałów pomiarowych. Mikro przepływ kontrolowany jest przez miniaturowe zawory i pompy zintegrowane z systemem mikrokanałów. We czesnych fazach urządzenia mikrofluidyczne były wykonane głownie ze szkła, kwarcu lub krzemu stosując metody zapożyczone z produkcji chipów elektronicznych. Dziś większość mikrofluidyków zwłaszcza tych robionych na zamówienie przez badaczy akademickich, wykonanych jest z polidimetylosiloksanu (PDMS) (1).
Większość mikrofluidyków z PDMS powstaje w procesie Multi-layer Soft Litography nazywanej też odlewaniem. Ta technika, wprowadzona w 2000 przez naukowców z Caltech, usprawniła produkcję mikrofluidyków. Krzemowy płatek wytworzony klasycznymi metodami litograficznymi wykorzystywany jest jako forma odlewnicza do której wlewa się mieszaninę elastomeru i utwardzacza. Po stwardnieniu warstwa PDMS jest odrywana i przyklejana na szklaną płytkę lub na inną warstwę polimeru. Tą metodą, składając warstwa po warstwie, można stworzyć trójwymiarowe pompy i zawory(1).
Multi-layer Soft Litography wymaga drogiej i pracochłonnej krzemowej formy. Michele Khine z University of California wpadła na genialny pomysł, aby mikrofluidyki drukować. Wykorzystała do tego celu drukarkę laserową i membrany Shrinky Dinks (Tu można zobaczyć filmik reklamowy o tym). Shrinky Dinks to zabawka dla dzieci wykonana z termoplastycznego polimeru na którym można pisać lub rysować, a następnie zmniejszyć arkusz przez podgrzanie w piekarniku. Khine wydrukowała zaprojektowane w AutoCAD mikrokanały na arkuszu polimeru, podgrzała do 163°C, a te kurcząc się tworząc formy do litografii lub gotowe chipy mikorfluidyczne. Miejsca zadrukowane wypiętrzyły się tworząc ścianki o wysokości 80 µm. To dość do wykonania chipów do badania chemotaksji komórek (2).
Ponieważ mikrofluidyki to zapowiadający się dobry biznes, już są firmy, które oferują gotowe rozwiązania np. chipy chromatograficzne zastępujące elektroforezy DNA/RNA w agarozie lub białek w poliakrylamidzie. Próbka nałożona do studzienki zasysana jest do kapilary wraz z barwnikiem fluorescencyjnym. W kapilarze cząsteczki są elektroforetycznie rozdzielone, a ich rozdział odczytany przez laser (np. zestaw Experion z Bio-Rad). Popularne są także mini zestawy do PCR, prawdopodobnie przypominające chip dr Walczaka.
Wszystkie powyższe przykłady urządzeń mikrofluidycznych wymagają oprzyrządowania, które będzie odpowiednie płyny pompować, reakcje prowadzić i zapisywać wyniki. Potrzeba na to miejsca, energii i odpowiednich warunków. Aby wykorzystać zalety mikrokapilar, bez wad w postaci dodatkowego oprzyrządowania powstały chipy na papierze. Genialnie prosty pomysł polega na wykorzystaniu nasiąkania papieru i naturalnych kapilar, w celu doprowadzenia małych objętości próbki w miejsce reakcji. Pomysł grupy profesora Whiteside przetestowano tworząc kawałek papieru mierzącego zawartość glukozy i białka w moczu. Tak mają powstać „labs-on-chips” dla celów diagnostycznych w krajach rozwijających się, do bezpiecznego, powszechnego i taniego użycia. (3)
O papierowych chipach prof. Whiteside opowiem następnym razem.
1) Zähringer H., Lab Times, 3-2008.
2) Gimmes A. et al., Lab Chip, 2008, 8, 170-172
3) Martinez A. et al., Anal. Chem., 80 (10), 3699–3707, 2008.
22223765
