211service.com
Lab-on-a-chip z papieru
Wykorzystując naturalny ruch cieczy przez papier, naukowcy z Harvardu Grupa Badawcza Whitesides być może znaleźli sposób, aby technologia mikroprzepływowa była znacznie tańsza. Rezultatem mogą być jednorazowe testy diagnostyczne, które są wystarczająco proste i obfite, aby można je było stosować w krajach rozwijających się.
Kodowanie kolorami: Ten prototyp nowego papierowego testu diagnostycznego z Uniwersytetu Harvarda analizuje zawartość glukozy (lewy dołek) i białka (prawy dołek) w moczu; górna studzienka jest kontrolą dla testu glukozy. Beżowa część papieru testowego została pokryta hydrofobowym polimerem, który wprowadza ciecz do dołków. W tym teście bibułę zanurzono w sztucznym roztworze moczu, który zawierał glukozę i białko wyekstrahowane z krwi krowy.
Dziedzina mikroprzepływów zajmuje się precyzyjną manipulacją maleńkimi ilościami cieczy. Jednym z jego najbardziej obiecujących zastosowań jest tak zwany lab-on-a-chip, który może pracować z dużo mniejszymi próbkami płynów niż wymagają większe urządzenia, potencjalnie umożliwiając bardziej przenośne narzędzia diagnostyczne. Jednak istniejące chipy mikroprzepływowe są zazwyczaj wykonane ze stosunkowo drogich materiałów, takich jak krzem, szkło lub plastik, i mają małe pompy i zawory, które mogą być trudne do wyprodukowania.
Teraz George Whitesides z Harvardu i jego zespół zbudowali urządzenie mikroprzepływowe na kwadracie papieru wielkości małego paznokcia. To pierwszy przykład, jaki słyszałem o papierowej mikroprzepływie, mówi Albert Folch , bioinżynier na Uniwersytecie Waszyngtońskim, który pracuje nad mikrowytwarzaniem. Jest naprawdę sprytny, ponieważ wykorzystuje papier jako podłoże, które jest powszechnie dostępne.
Podczas gdy większe testy papieru (takie jak testy ciążowe) są powszechne, zmniejszanie papieru i minimalizacja ilości wymaganych odczynników chemicznych obniża koszty produkcji. „Możliwość skierowania próbki do określonych obszarów papieru umożliwia jednoczesne wykonanie kilku testów w poszukiwaniu wielu objawów schorzenia, takich jak niewydolność nerek lub choroba zakaźna”, mówi Whitesides. Zmniejszenie wielkości próbki jest szczególną zaletą w krajach rozwijających się, gdzie nieinwazyjne gromadzenie niewielkich ilości płynów pozwala uniknąć strzykawek, które mogą być trudne do czyszczenia i utylizacji.
Kropla krwi lub kropla moczu nasączona na krawędzi urządzenia Whitesides porusza się w sposób naturalny przez papier, podobnie jak wino rozlewa się po papierowej serwetce. Ale papier jest pokryty hydrofobowym polimerem, który kieruje ciecz wzdłuż wyznaczonych kanałów. Gdy ciecz dotrze do dołków na końcach kanałów, wchodzi w interakcję z odczynnikami, zmieniając kolor papieru. Kolory można dopasować do kolorów na kluczu kolorów, podobnie jak w teście pH. Na przykład jeden projekt testu, który wygląda jak miniaturowe, trójrozgałęzione, geometryczne drzewo, może mieć studzienki na końcu dwóch gałęzi do testu glukozy i jeden na końcu trzeciej do testu białka.
Projekt rezygnuje z kosztownych komponentów typowych dla konwencjonalnych urządzeń mikroprzepływowych: reakcje chemiczne, w których kolorowe części papieru zastępują zaawansowane czujniki i analizatory, a wykorzystanie naturalnego kapilarnego działania papieru do pochłaniania cieczy pozwala uniknąć konieczności stosowania zewnętrznych pomp lub źródeł zasilania. Diagnostic for All – spin-off współzałożony przez Whitesides i naukowca z Harvardu, Hayat Sindi, przy wsparciu partnerów z MIT – komercjalizuje technologię.
Zamiast wytrawić kanały w materiale, jak robi to większość projektantów mikroprzepływów, Whitesides i Sindi mogli wykorzystać sieć kanałów nieodłączną od papieru; polimer hydrofobowy po prostu zamyka kanały, których naukowcy nie chcą używać. To, co jest naprawdę sprytne w tym systemie, to to, że w rzeczywistości ukształtowały całą objętość podłoża, wyjaśnia Folch. Sam papier tworzy sieć kapilar.
Jedną z wad, jak zauważa Folch, jest to, że ze względu na ograniczone działanie pompujące w testach papierowych prawdopodobnie nie będą w stanie przeprowadzić bardziej złożonych reakcji chemicznych.
Projektanci oprócz obniżenia ceny urządzeń mieli na uwadze także inne cechy, które uczyniłyby je bardziej praktycznymi w krajach rozwijających się. Lekka waga i odporność na stłuczenie sprawiają, że test jest bardziej przenośny niż testy wykonane na łatwo rozbijających się szklanych powierzchniach. Jak mówi Whitesides, chip papierowy jest również łatwy do usunięcia poprzez spalanie, co jest kluczowym czynnikiem w krajach rozwijających się, zainteresowanych utrzymaniem zdrowia publicznego. Rzeczy, które tutaj rozwijamy, mają być przydatne do badania zdrowia publicznego w krajach rozwijających się, mówi. Zamiast brać leki z pierwszego świata i próbować je zmniejszać, zespół zaczął projektować technologię z myślą o krajach rozwijających się, koncentrując się na łatwości użytkowania, przystępności cenowej i przenośności, mówi Whitesides.
Aby zoptymalizować urządzenie pod kątem krajów rozwijających się, zespół planuje połączyć testy papierowe z systemem telefonów komórkowych do diagnostyki poza siedzibą, minimalizując poziom wiedzy potrzebnej do korzystania z testów. To przede wszystkim sposób na oszczędzanie cennego czasu i ograniczonych zasobów pracowników służby zdrowia, mówi Whitesides. Zespół przewiduje, że na obszarach wiejskich, gdzie liczba lekarzy jest ograniczona, osoby przeszkolone tylko do przeprowadzania badań przeprowadzają je i odsyłają z powrotem do ośrodka centralnego, gdzie lekarz zapoznaje się z tymi informacjami i [zaleca] diagnozę i leczenie bez konieczności rzeczywiście tam być, mówi Whitesides.
Jak na razie Whiteside i jego koledzy testowali papierowe narzędzie diagnostyczne przy użyciu sztucznego moczu. W artykule opublikowanym w zeszłym miesiącu, przeanalizowali wyniki pracy zdalnie, za pomocą kamer w telefonie i odkryli, że wyniki były porównywalne pod względem dokładności z analizą na miejscu, mówi Whitesides.
Następnym krokiem jest próba kliniczna i wdrożenie gdzieś w Afryce, mówi Sindi. Obecnie zespół testuje urządzenie w trudnych warunkach, takich jak wysokie ciśnienie, temperatura i wilgotność. Jak dotąd wydaje się, że test nie został naruszony, mówi Whitesides. Zespół ma ostatecznie nadzieję wyjść poza diagnostykę człowieka, opracowując urządzenia do testowania wody, zwierząt gospodarskich i innych źródeł żywności.
Rodzaje testów diagnostycznych, które chcesz wykonać, i rodzaje problemów, które chcesz rozwiązać, są bardzo zróżnicowane w rzeczywistym świecie, mówi Mehmet Fatih Yanik , adiunkt w Laboratorium Badawczym Elektroniki MIT. Zaletą papieru jest to, że jest to bardzo elastyczna platforma do przeprowadzania różnorodnych testów. Dodaje, że wytwarzanie urządzeń mikroprzepływowych, takich jak grupa Whitesides, jest znacznie tańsze niż wytwarzanie masowych maszyn diagnostycznych. Kombinacja dwóch tanich systemów – papierowych systemów płynnych i telefonów komórkowych, które są dość wszechobecne w rozwijającym się świecie – to nowy pomysł, mówi Yanik.
To naprawdę daje narzędzie, które będzie miało duży wpływ na implementację mikroprzepływów, technologii, która zwykle wymaga dużego sprzętu i wiedzy, mówi Folch. Obniżyli barierę i są w stanie dostarczyć masom mikroprzepływy, że tak powiem.