با تکنیک LOC بیشتر آشنا شوید
LOC زیر مجموعه‌ای است از دستگاه‌های MEMS که اغلب با نام «میکرو سیستمهای تحلیل کلی» (µTAS) شناخته میشود. تفاوت عمده بین LoC و μTAS در این است که μTAS به طور کلی نشانگر ادغام توالی کل فرآیندهای آزمایشگاهی به منظور انجام تجزیه و تحلیل شیمیایی است در حالی که LoC به ادغام یک یا چند فرآیند آزمایشگاه بر روی یک تراشه اختصاص داده شده است. پس از اختراع میکروتکنولوژی (۱۹۵۴) برای تکمیل ساختارهای نیمه هادی در تراشه‌های میکروالکترونیک، این فناوری که مبتنی برلیتروگرافی بود به سرعت در ساخت سنسورهای فشار استفاده شد. اولین سیستم تحلیلی LOC یک کروماتوگراف گازی بود که در سال ۱۹۷۹ توسط اس. سی تری در دانشگاه استنفورد ساخته شد. با این حال تنها در اواخر دهه ۱۹۸۰ و اوایل ۱۹۹۰ پژوهش LOC در تعداد محدودی از گروه‌های تحقیقاتی در اروپا رشد جدی خویش را آغاز کرد و باعث توسعه مواردی نظیر میکروپمپ‌ها، سنسورهای جریان و نیز گسترش مفاهیمی برای رفتار مایعات اختلاط شده در سیستمهای آنالیزی شد. کاربرد سیستمهای میکروالکترومکانیکی MEMS)) زیستی در پزشکی را میتوان در دو گروه درمانی و تشخیصی جای داد. هر دو سیستم (آزمایشگاه روی یک تراشه) و (میکروایمپلنتهای درمانی) پتانسیل بالقوه ی بالینی جهت افزایش سطح سلامت جامعه دارند. همچنین مزایایی نظیر قابلیت استفاده برای سلولهای بنیادی، افزایش بازده در دارورسانی، حساسیت بیشتر در حسگرهای مانیتورینگ سرطان و غیره را میتوانند با خود به ارمغان بیاورند. پیشرفت در ایمپلنتهای شبکیه چشم برای درمان نابینایی، ایمپلنتهای عصبی برای تحریک یا ذخیره سازی از سیستم اعصاب مرکزی و میکروسوزنها برای واکسیناسیون بدون درد، نمونه ای از کاربردهایی هستند که در آن از ویژگیهای منحصربه فرد فناوری MEMS ،دیده میشود.
فرآیندهای بسیار متنوعی بر روی LOC ها انجام می‌گیرد. بر اساس نوع فرآیندها و کاربرد آنها تراشه LOC به گروه‌هایی تقسیم می‌گردند که به برخی از آنها اشاره می‌گردد:
-
تراشه LOC برای جداسازی ذره و سلول
-
تراشه LOC برای جداسازی ذرات و سلول‌ها یا برای بیرون راندن ذرات دلخواه
-
مرتب کردن ذرات مختلف
-
عمل غنی‌سازی ذرات در میکرو تراشه.
تاریخچه
چهار عامل را میتوان منشاء پیدایش فناوری میکروسیالی دانست که هرکدام سهمی در ایجاد و پیشرفت این فناوری داشته‌اند. قدیمی‌ترین عامل مربوط به پیدایش روش‌های میکروآنالیز همچون کروماتوگرافی مایع با فشار بالا (HPLC) است؛ که توانستند انقلابی در روش‌های آنالیز شیمیایی ایجاد کنند
دومین محرک را زیست‌شناسی مولکولی ایجاد کرد، زمانی که در دهه‌ی ۱۹۸۰ یک افزایش انفجاری در داده‌های ژنومیک رخ داد این روش‌ها نیاز به ابزارهایی با کارکرد بالاتر و حساسیت و قدرت تفکیک بیشتر نسبت به ابزارهای قدیمی داشتند. فناوری میکروسیالی راه حل بسیار مناسبی برای غلبه بر این مشکلات بود. که ایجاد روش‌های میکروآنالیزی مرتبط با زیست مولکولی مانند روش‌های توالی‌یابی را به دنبال داشت.
سومین عامل مربوط به صنایع میکروالکترونیک است. اولین امیدواری‌ها برای ساخت تراشه‌های میکروسیالی، لیتوگرافی و فناوری‌های مرتبط با آن که این فناوری‌ها به صورت مستقیم در میکروسیال‌ها قابل استفاده هستند.
آخرین عامل ایجاد این فناوری در بخشی کاملا مجزا به وجود آمد. زمانی که پس از جنگ سرد صلاح‌های شیمیایی و بیولوژیکی در صنایع نظامی کاربرد پیدا کردند؛ وزارت دفاع ایالات متحده‌ی امریکا با ایجاد یک مرکز تحقیقاتی (DARPA)، سرمایه‌گذاری در بخش سیستمهای میکروسیالی را افزایش داد؛ تا از قدرت این فناوری، در بخش نظامی سود ببرد.
عملکرد این روش به چه صورت است؟
میکروفلوئیدیک، علمی میان رشته ای محسوب می شود که پذیرای طیف گسترده ای از رشته های علمی، از جمله پزشکی، شیمی، فیزیک، زیست شناسی، علم مواد، بیو تکنولوژی، نانو تکنولوژی، مهندسی مکانیک و مهندسی الکترونیک است. هر تراشه میکروفلوئیدیکی به منظور کاربرد خاصی طراحی و ساخته می شود و کانال های میکرونی می توانند شکل های بسیار گوناگونی با توجه به کاربرد های متفاوت داشته باشند. کانال ها همانند یک لوله از ورودی کانال، مسیری که لوله را تشکیل می دهد و خروجی آن تشکیل شده است. در تصاویر زیر کانال های متفاوت میکرونی را مشاهده می کنید. برای انجام آزمایشات متفاوت سیال های مختلفی (بر اساس ویژگی های شیمیایی و فیزیکی) را برحسب نیاز توسط شلنگ های باریک یا پیپت ها به درون کانال ها پمپ می کنیم. پس با استفاده از سیستم ها میکروفلوئیدیکی میتوان یک یا چند فرآیند آزمایشگاهی را (از نمونه برداری تا بازخوانی مستقیم و تجزیه و تحلیل خروجی) روی یک تراشه کوچک انجام داد. درواقع یک آزمایشگاه قابل حمل داریم که کوچک تر از یک تلفن همراه است و از آن به عنوان «سیستم تجزیه و تحلیل کلی میکرونی » یا « آزمایشگاه رو یک تراشه » یاد می شود. قابل حمل بودن این تراشه این مزیت را دارد که در هر مکانی حتی در مناطق دور افتاده و بدون امکانات نیز می توان از آن استفاده کرد.
شکل1: کانال های متفاوت میکرونی
شکل 2. آزمایشگاه بر روی تراشه.
اجزای دستگاه و عملکرد آنها
تراشه میکرو فلوئیدیک مجموعه ای از میکرو کانال هایی است که به شکل مواد شیشه، سیلیکون یا پلیمر مانند PDMS PolyDimethylSiloxane) ) هستند. میکرو کانال های تشکیل دهنده تراشه میکروسیالی برای دستیابی به ویژگی های مورد نظر (مخلوط کردن ، پمپ ، مرتب سازی یا کنترل محیط بیوشیمیایی) به یکدیگر وصل می شوند. در یک دستگاه میکروسیالی ساختارهایی تعبیه میشود که عملکرد آنها سبب هدایت سیالات درون تراشه و ایجاد واکنش‌های مورد نظر می‌گردد. از جمله میتوان به دریچه‌ها، مخلوط کننده‌ها و پمپ‌ها اشاره کرد. دریچه محلی است که دو یا چند کانال به هم می‌رسند؛ بنابراین نقش دریچه‌ها، هدایت مسیر سیالات است. طیف گسترده ای از روش های کنترل جریان را می توان در میکروسیالیشن مشاهده کرد.
با توجه به حرکت خطی سیالات درون میکرولوله‌ها و کُند بودن مخلوط شدن سیالات، در دستگاه‌هایی که مخلوط شدن سریع مد نظر است از مخلوط کننده‌ها استفاده میشود. مخلوط کننده‌ها به دو نوع غیرفعال و فعال تقسیم می‌شوند. جابه‌جایی سیالات در تراشه معمولا با بهره‌گیری از سازوکارهای غیرفعال صورت می‌گیرد. با این حال بسیاری از سیستمهای میکروسیالی برای وارد کردن سیال و جابه‌جایی آن درون دستگاه از پمپ‌های فعال بهره می‌برند. پمپ‌ها به دو دسته‌ی اصلی مکانیکی و غیرمکانیکی تقسیم می شود. این شبکه از کانال ها در تراشه میکروسیالیک توسط ورودی ها و خروجی های از طریق سوراخ های تراشه به بیرون متصل می شوند. از طریق این سوراخ ها مایعات (یا گازها) از تراشه میکروسیالی (از طریق لوله ، آداپتورهای سرنگ یا حتی سوراخ های ساده در تراشه) با سیستم های فعال خارجی (کنترل کننده فشار ، فشار سرنگ یا پمپ دورستال) تزریق و از بین می روند. روش های غیرفعال (به عنوان مثال فشار هیدرواستاتیک).یا هدایت جریان به وسیله‌ی دریچه‌های غیرمکانیکی مانند استفاده از خواص جریان الکترواسمزی یا ایجاد قطعات آب‌گریز روی سطح کانال صورت می‌گیرد. دریچه‌های مکانیکی نیز قطعات متحرکی از جنس سیلیکون، شیشه یا PDMS هستند که در عرض کانال قرار گرفته و باز و بسته می‌شوند.
شکل3:اجزای دستگاه LOC
روش ساخت
در ابتدا روش‌های فتولیتوگرافی، مهم‌ترین کاندیدا برای ساخت تراشه‌های زیستی بودند و در ساخت آرایه‌های DNA مورد استفاده قرار گرفتند. با وجود پیشرفته بودن این فناوری، استفاده از آن در علوم زیستی محدودیت‌هایی ایجاد می‌کند. در سال ۱۹۹۸ مجموعه‌ای از تکنیک‌ها با نام لیتوگرافی نرم معرفی شدند که قادر به ایجاد الگوسازی در ابعاد میکرو هستند و از گسترش و تکامل روش‌های قدیمی به دست آمده‌اند. همچنین با کوچک شدن ابزارها، نسبت سطح به حجم افزایش پیدا می‌کند و خصوصیات سطحی نقش مهمی را در کارایی ایفا خواهند کرد. در سیستمهای میکروسکوپی غالبا ایجاد تغییرات در خواص سطحی، در حد جزئیات مولکولی ضروری است، در ساخت تراشه‌ها نیز به منظور تنظیم ارتباطات زیستی لایه‌های از آلکان تیولات‌ها که بر روی صفحات طلا قرار دارند استفاده میشود. ادغام این دو روش نقش ممتازی در ایجاد میکروسیستم‌های قابل استفاده در زیست شناسی داشته است. در ساخت تراشه‌های میکروسیالی تنها شکل فیزیکی و محل قرارگیری کانال‌ها اهمیت ندارد. بلکه یک الگوی شیمیایی نیز باید وجود داشته باشد که مشخص می‌کند نمونه‌های پروتئینی یا سلولی در کدام بخش‌ها قرار بگیرند. سطوح داخلی کانال‌ها باید به گونه‌ای طراحی شوند که بر اساس نیاز آزمایش، قسمت‌هایی قابل دسترس و جاذب برای پروتئین‌ها و سلول باشند؛ در حالی‌که سایر قسمت‌ها مانع اتصال شوند. به عنوان نمونه پروتئین‌ها توانایی اتصال به اغلب سطوح آب‌گریز را دارند، بنابراین با تغییر آب دوستی میتوان سطوحی ایجاد کرد که جاذب و یا غیرجاذب برای پروتئین‌ها باشند. روش چاپ نرم توانایی ایجاد این الگوهای شیمیایی را دارد. از لایه‌های SAMs نیز برای ایجاد خواص مولکولی سطوح مانند رطوبت، چسبندگی، جذب پروتئین‌ها و اتصال سلول‌ها استفاده می شود.
جنس تراشه ها از چیست؟
یک دستگاه میکروسیالی، تراشه‌ای از جنس سیلیکون، شیشه یا الاستومر است که لوله‌هایی با ابعاد میکرونی در آن تعبیه شده و سیالات درون این لوله‌ها جریان پیدا می‌کنند. بر اساس نیاز میتوان تراشه‌هایی طراحی کرد که عملیات مورد نظر در آزمایش‌های معمولی زیستی و پزشکی را در ابعاد کوچک انجام دهد. با توجه به مزایای فراوان سیستمهای میکروسیالی و همچنین انعطاف‌پذیری بالای آنها برای تولید ساختارهای جدید، آشنایی و ایجاد این فناوری در کشور امری ضروری به نظر می‌رسد.
ذرات مورد بررسی توسط این روش
سلول ها: بررسی از نظر شمارش، آنالیز فعالیت و کشت
ماکرومولکول های بین سلولی: که شامل بررسی پروتئین ها و نوکلئواسیدها می باشد.
ماکرومولکول های حل شده: شامل پروتئین ها، نوکلئواسیدها، کربوهیدرات ها و لیپیدها
هدف های کوچک: یون ها، مولفه های طبیعی، مولکول های کوچک
زمینه های کاربردی
تولید بافت روی تراشه: جهت بافت های کبد، قلب، شش، کلیه، بافت استخوانی، جنین، تومور، سیستم عصبی
پایش بیماری های: سرطان، ویروسی، باکتریایی، انگلی، سیالات بدن، ریوی، قلبی، صرع، آلزایمر
درمان بیماری: سرطان، دیابت
جداسازس اجزای زیستی: نانوذرات از پلاسمای خون، استخراج سلول از میلیونها سلول، جمع آوری سلولهای شناور در خون
مشخصه یابی پارامترهای زیستی: DNA، شمارش سلول های خونی
سایر موارد: تشخیص آلودگی آب و هوا، سیستم گرده افشانی در گلها، هورمون بویین در گاوها، آنالیز هیدروژن سولفید در مایعات، مدل بندی جهان هستی
کاربرد فناوری میکروسیالی در پزشکی
یکی از مهم‌ترین کاربردهای سیستمهای میکروسیالی، زیست پزشکی و کاربردهای مرتبط با آن است، که حجم کمی از نمونه‌ها مورد نیاز است؛ که از مزایای آن قابل استفاده بودن به وسیله‌ی افراد غیرمتخصص و کاهش هزینه‌های درمانی می باشد. تاکنون تعداد زیادی سیستمهای میکروسیالی ساخته شده که در بخش‌های تشخیصی کاربرد دارند. به نظر می‌رسد در آینده‌ای نزدیک با انجام اصلاحاتی در این فناوری میتوان ابزارهای میکروسیالی تشخیصی ساخت که تمامی تکنسین‌ها در آزمایشگاه‌های تشخیصی، زیست‌شناسان، مأمورین پلیس، کارمندان مراکز درمانی عمومی و حتی مردم عادی در منزل قادر به استفاده از آنها باشند. در گذشته، آنفولانزای خوکی ، ویروس Zika و ویروس آبولا هزاران نفر را می کشد و خطر ابتلا به بیماری همه گیر را ایجاد می کرد. در حال حاظر برای همه این بیماری ها ، تشخیص LoC به دلیل توانایی آن برای ارائه به موقع تشخیص به منظور بهبود چشم انداز مدیریت بیماری، به شدت مورد نیاز است. علاوه بر این، این فن آوری می تواند برای یافتن روشی جدید برای درمان اختلالات سیستم عصبی مرکزی مانند بیماری پارکینسون و آسیب نخاع به کمک استخراج مایعات مغزی-نخاعی مفید باشد. پتانسیل این فناوری را می توان بیشتر در مورد بیماری های خود ایمنی مفاصل مانند آرتریت روماتوئید بررسی کرد. همچنین بسیاری از بیماریهای عفونی مانند مالاریا، HIV ایدز، سرخک ، سل ، بیماری های تنفسی تحتانی و غیره وجود دارد که نیاز به تشخیص و درمان به موقع دارد تا میزان مرگ و میر ناشی از بیماری ها کاهش یابد، این فناوری می تواند در این زمینه کارگشا باشد.
شکل4– نمونه‌ای از تراشه‌های میکروسیالی تشخیصی
کاربرد فناوری میکروسیالی در زیست شناسی سلولی و مولکولی
وجود مزایای فراوان از جمله کاهش حجم نمونه‌ها، تولید مقادیر کم ضایعات و صرفه‌جویی در وقت و هزینه، سبب شده است تا فناوری میکروسیالی کاربران فراوانی را در بخش‌های مختلف زیست شناسی، شیمی، مهندسی و پزشکی جذب کند. علاوه بر این تراشه‌های میکروسیالی میتوانند سازنده‌ی ساختارهایی باشند که ابعاد آنها متناسب با ابعاد سلولهای پروکاریوت و یوکاریوت است. علاوه بر این در این سیستم‌ها جداسازی و تشخیص، با حساسیت و قدرت تفکیک بالا صورت می‌پذیرد. زمان بسیار کمتری برای انجام آزمایش مورد نیاز است و در نهایت با کاهش دخالت نیروی انسانی در انجام کار، از ایجاد بسیاری از آلودگی‌ها جلوگیری میشود. تشخیص اسیدهای نوکلئیک که اغلب به عنوان تشخیص مولکولی از آن یاد میشود همچنین سنجش توالی اسیدنوکلئیک و اندازه گیری انواع مختلفی از DNA و RNA به منظور سنجش ژنومی و ژنتیکی در این بررسی ها می تواند قرار گیرد.
مزایا و معایب
فناوری LOC استفاده از حجم مایعات کوچک را کاهش می دهد که به کاهش هزینه ها و تجزیه و تحلیل معرف ها و زمان پاسخ کمک می کند. همچنین امکان کنترل بیشتر بر غلظت نمونه ها و همچنین تعامل برای کاهش میزان ضایعات شیمیایی را فراهم می آورد. این فناوری می تواند به تولید سیستم های کاملاً فشرده از طریق تولید انبوه کمک کند. با این حال، LOC یک فناوری نوظهور است و معایب کمی دارد. اثرات جسمی و شیمیایی مانند زبری سطح، نیروهای مویرگی و اثر متقابل مواد شیمیایی بین مواد در سطح میکروسکول قابل توجه تر است. این اغلب می تواند منجر به عوارض در آزمایش های LOC شود که با تجهیزات آزمایشگاه سنتی انتظار نمی رود. اصول تشخیص ممکن است همیشه با پویایی ریزگردها مطابقت نداشته باشد و این می تواند به نسبت سیگنال به نویز پایین منجر شود. مزایای اصلی آزمایشات بر روی تراشه عبارتند از: سهولت در استفاده ، سرعت آنالیز ، مصرف نمونه کم و معرفها و تکرارپذیری زیاد به دلیل استاندارد سازی و اتوماسیون
جمع‌بندی
همان‌گونه که ذکر شاد به دلیل کاربردهای متنوع و فراوان سیستمهای میکروسیالی و همچنین انعطاف‌پذیری بالای آنها برای تولید ساختارهای جدید، استفاده از این سیستم‌ها جذابیت فراوانی دارد. در حال حاضر انواع مختلفی از این دستگاه‌ها طراحی شده‌اند. با این وجود این فناوری تنها در بخش‌های تحقیقاتی مورد استفاده است و نتوانسته به عنوان یک فناوری کاربردی وارد بازار مصرف شود. اما هنوز هم به نظر می رسد که این فناوری LoC یک رویا به ویژه در کشورهای در حال توسعه است. در مناطقی با منابع کم مصرف مانند کشورهای در حال توسعه ، هنوز هم تلاش می شود تا استفاده از دستگاه های LoC در مراکز تحقیقاتی و پزشکی جایگاه خود را بهبود ببخشد و مردم را نسبت به استفاده کارآمد خود آگاه سازد. بسیاری از بیماریهای عفونی مانند مالاریا ، HIV و ایدز ، سرخک ، سل ، شرایط تنفسی تحتانی و غیره وجود دارد که نیاز به تشخیص و درمان به موقع دارد تا میزان مرگ و میر کاهش یابد. و این فناوری می تواند در این زمینه کارگشا باشد. به این منظور، باید اصلاحاتی در نحوه‌ی کاربرد و هزینه‌های آن صورت گیرد؛ تا تبدیل به یک تکنیک همگانی و قابل استفاده به وسیله‌ی کاربران غیرمتخصص شود. علاوه بر این فناوری میکروسیالی، هنوز نتوانسته است ارتباط مناسبی با صنعت برقرار کند. برای برقراری این ارتباط، باید یک تفاهم دوجانبه میان مراکز دانشگاهی و صنعتی صورت گیرد. مراکز دانشگاهی باید قیمت اولیه‌ی ایده‌های خود را کاهش داده و در مقابل کاربران بخش صنعت، ریسک تجاری‌سازی این ایده‌ها را بپذیرند.
منابع:
