इन तंतुओं के अंदर, बूंदें चल रही हैं: मिश्रण के लिए माइक्रोफ्लुइडिक्स डिवाइस, पृथक करना, और परीक्षण तरल पदार्थ चिकित्सा जांच के लिए नई संभावनाएं खोल सकते हैं

माइक्रोफ्लुइडिक्स डिवाइस माइक्रोस्कोपिक चैनलों के साथ छोटे सिस्टम हैं जिनका उपयोग रासायनिक या बायोमेडिकल परीक्षण और अनुसंधान के लिए किया जा सकता है. संभावित रूप से गेम-चेंजिंग एडवांस में, MIT के शोधकर्ताओं ने अब व्यक्तिगत तंतुओं में माइक्रोफ्लुइडिक्स सिस्टम को शामिल किया है, इससे बहुत अधिक मात्रा में तरल पदार्थ को संसाधित करना संभव हो जाता है, अधिक जटिल तरीकों से. एक अर्थ में, इस प्रगति से माइक्रोफ्लुइडिक्स का एक नया "मैक्रो" युग खुल गया है.

लंबे तंतुओं में माइक्रोफ्लुइडिक चैनलों के साथ प्रवाहकीय तारों को एकीकृत करके, शोधकर्ता इस मामले में कोशिकाओं को क्रमबद्ध करने की क्षमता प्रदर्शित करने में सक्षम थे, जीवित कोशिकाओं को मृत कोशिकाओं से अलग करना, क्योंकि कोशिकाएँ विद्युत क्षेत्र के प्रति अलग-अलग प्रतिक्रिया करती हैं. जीवित कोशिकाएँ, हरे रंग में दिखाया गया है, चैनलों के बाहरी किनारे की ओर खींचे जाते हैं, जबकि मृत कोशिकाएं (लाल) केंद्र की ओर खींचे जाते हैं, उन्हें अलग-अलग चैनलों में भेजने की अनुमति देना.

चित्र शोधकर्ताओं के सौजन्य से.

पारंपरिक माइक्रोफ्लुइडिक्स उपकरण, पिछले कुछ दशकों में बड़े पैमाने पर विकसित और उपयोग किया गया, माइक्रोचिप जैसी संरचनाओं पर निर्मित होते हैं और मिश्रण के तरीके प्रदान करते हैं, पृथक करना, और सूक्ष्म मात्रा में तरल पदार्थों का परीक्षण करना. चिकित्सीय परीक्षण जिनमें केवल रक्त की एक छोटी बूंद की आवश्यकता होती है, उदाहरण के लिए, अक्सर माइक्रोफ्लुइडिक्स पर निर्भर रहते हैं. लेकिन इन उपकरणों का छोटा पैमाना भी सीमाएं पैदा करता है; उदाहरण के लिए, वे आम तौर पर उन प्रक्रियाओं के लिए उपयोगी नहीं होते हैं जिनमें सूक्ष्म मात्रा में मौजूद पदार्थों का पता लगाने के लिए बड़ी मात्रा में तरल की आवश्यकता होती है.

एमआईटी शोधकर्ताओं की एक टीम ने इसके लिए एक रास्ता खोजा, रेशों के अंदर माइक्रोफ्लुइडिक चैनल बनाकर. बड़े थ्रूपुट को समायोजित करने के लिए फाइबर को आवश्यकतानुसार लंबे समय तक बनाया जा सकता है, और वे चैनलों के आकार और आयामों पर बहुत अच्छा नियंत्रण और लचीलापन प्रदान करते हैं. इस सप्ताह जर्नल में छपे एक पेपर में नई अवधारणा का वर्णन किया गया है राष्ट्रीय विज्ञान अकादमी की कार्यवाही, एमआईटी स्नातक छात्र रॉजर युआन द्वारा लिखित, प्रोफेसर जोएल वोल्डमैन और योएल फ़िंक, और चार अन्य.

एक बहुविषयक दृष्टिकोण

यह परियोजना एक "स्पीडस्टॉर्मिंग" घटना के परिणामस्वरूप उत्पन्न हुई (विचार-मंथन और स्पीड डेटिंग का मिश्रण, प्रोफेसर जेफरी ग्रॉसमैन द्वारा शुरू किया गया एक विचार) इसे फ़िंक ने तब भड़काया था जब वह एमआईटी की इलेक्ट्रॉनिक्स अनुसंधान प्रयोगशाला के निदेशक थे. इन आयोजनों का उद्देश्य शोधकर्ताओं को नई सहयोगी परियोजनाएं विकसित करने में मदद करना है, छात्रों और पोस्टडॉक्स के जोड़े को एक समय में छह मिनट तक विचार-मंथन करने और एक घंटे में सैकड़ों विचार लाने से, जिन्हें एक पैनल द्वारा रैंक और मूल्यांकन किया जाता है. इस विशेष स्पीडस्टॉर्मिंग सत्र में, इलेक्ट्रिकल इंजीनियरिंग के छात्रों ने मल्टीमटेरियल फाइबर की एक नई श्रेणी का उपयोग करके सेल सॉर्टिंग के लिए एक नया दृष्टिकोण विकसित करने के लिए सामग्री विज्ञान और माइक्रोसिस्टम्स प्रौद्योगिकी में अन्य लोगों के साथ काम किया।.

युआन इसे समझाता है, हालाँकि माइक्रोफ़्लुइडिक तकनीक बड़े पैमाने पर विकसित की गई है और छोटी मात्रा में तरल के प्रसंस्करण के लिए व्यापक रूप से उपयोग की जाती है, यह उपकरणों के समग्र आकार से संबंधित तीन अंतर्निहित सीमाओं से ग्रस्त है, उनके चैनल प्रोफ़ाइल, और इलेक्ट्रोड जैसी अतिरिक्त सामग्री को शामिल करने में कठिनाई.

क्योंकि वे आम तौर पर चिप-निर्माण विधियों का उपयोग करके बनाए जाते हैं, माइक्रोफ्लुइडिक उपकरण ऐसी प्रणालियों में उपयोग किए जाने वाले सिलिकॉन वेफर्स के आकार तक सीमित हैं, जो कि लगभग से अधिक नहीं हैं 8 इंच भर में. और ऐसे चिप्स बनाने के लिए उपयोग की जाने वाली फोटोलिथोग्राफी विधियां चैनलों के आकार को सीमित करती हैं; उनमें केवल वर्गाकार या आयताकार क्रॉस सेक्शन हो सकते हैं. आखिरकार, कोई अतिरिक्त सामग्री, जैसे कि चैनलों की सामग्री को समझने या हेरफेर करने के लिए इलेक्ट्रोड, एक अलग प्रक्रिया में व्यक्तिगत रूप से स्थिति में रखा जाना चाहिए, उनकी जटिलता को गंभीर रूप से सीमित करना.

“सिलिकॉन चिप तकनीक आयताकार प्रोफाइल बनाने में वास्तव में अच्छी है, लेकिन इससे आगे की किसी भी चीज़ के लिए वास्तव में विशिष्ट तकनीकों की आवश्यकता होती है,युआन कहते हैं, जिन्होंने अपने डॉक्टरेट अनुसंधान के हिस्से के रूप में कार्य को अंजाम दिया. “वे त्रिकोण बना सकते हैं, लेकिन केवल कुछ विशिष्ट कोणों के साथ।” नई फ़ाइबर-आधारित पद्धति के साथ उन्होंने और उनकी टीम ने इसे विकसित किया, चैनलों के लिए विभिन्न प्रकार के क्रॉस-अनुभागीय आकार लागू किए जा सकते हैं, स्टार सहित, पार करना, या धनुषाकार आकृतियाँ जो विशेष अनुप्रयोगों के लिए उपयोगी हो सकती हैं, जैसे कि जैविक नमूने में विभिन्न प्रकार की कोशिकाओं को स्वचालित रूप से क्रमबद्ध करना.

इसके साथ - साथ, पारंपरिक माइक्रोफ्लुइडिक्स के लिए, सेंसिंग या हीटिंग तार जैसे तत्व, या नमूने वाले तरल पदार्थों में कंपन उत्पन्न करने के लिए पीज़ोइलेक्ट्रिक उपकरण, बाद के प्रसंस्करण चरण में जोड़ा जाना चाहिए. लेकिन उन्हें नए फाइबर-आधारित सिस्टम में चैनलों में पूरी तरह से एकीकृत किया जा सकता है.

एक सिकुड़ती प्रोफ़ाइल

सह-लेखक योएल फ़िंक की प्रयोगशाला में वर्षों से विकसित अन्य जटिल फाइबर प्रणालियों की तरह, सामग्री विज्ञान और इंजीनियरिंग के प्रोफेसर और अमेरिका के एडवांस्ड फंक्शनल फैब्रिक्स के प्रमुख (AFFOA) संघ, इन रेशों को एक बड़े आकार के पॉलिमर सिलेंडर से शुरू करके बनाया जाता है जिसे प्रीफॉर्म कहा जाता है. इन प्रीफॉर्मों में अंतिम फाइबर के लिए वांछित सटीक आकार और सामग्री होती है, लेकिन बहुत बड़े रूप में - जिससे उन्हें बहुत सटीक कॉन्फ़िगरेशन में बनाना बहुत आसान हो जाता है. फिर, प्रीफॉर्म को गर्म किया जाता है और ड्रॉप टावर में लोड किया जाता है, जहां इसे धीरे-धीरे एक नोजल के माध्यम से खींचा जाता है जो इसे एक संकीर्ण फाइबर तक सीमित कर देता है जो प्रीफॉर्म के व्यास का एक-चालीसवां हिस्सा होता है, सभी आंतरिक आकृतियों और व्यवस्थाओं को संरक्षित करते हुए.

कार्रवाई में, सामग्री भी एक कारक द्वारा लम्बी होती है 1,600, ताकि 100-मिलीमीटर लंबा हो (4-इंच लंबी) पहिले, उदाहरण के लिए, रेशा बन जाता है 160 मीटर लंबा (के बारे में 525 पैर), इस प्रकार वर्तमान माइक्रोफ्लुइडिक उपकरणों में निहित लंबाई की सीमाओं पर नाटकीय रूप से काबू पा लिया गया है. यह कुछ अनुप्रयोगों के लिए महत्वपूर्ण हो सकता है, जैसे कि सूक्ष्म वस्तुओं का पता लगाना जो तरल पदार्थ में बहुत कम सांद्रता में मौजूद हैं - उदाहरण के लिए, लाखों सामान्य कोशिकाओं के बीच कैंसरग्रस्त कोशिकाओं की एक छोटी संख्या.

“कभी-कभी आपको बहुत सारी सामग्री संसाधित करने की आवश्यकता होती है क्योंकि आप जो खोज रहे हैं वह दुर्लभ है,वोल्डमैन कहते हैं, इलेक्ट्रिकल इंजीनियरिंग के एक प्रोफेसर जो जैविक सूक्ष्म प्रौद्योगिकी में विशेषज्ञ हैं. यह इस नई फाइबर-आधारित माइक्रोफ्लुइडिक्स तकनीक को ऐसे उपयोगों के लिए विशेष रूप से उपयुक्त बनाता है, वह कहते हैं, क्योंकि “रेशों को मनमाने ढंग से लंबा बनाया जा सकता है,"तरल को चैनल के अंदर रहने और उसके साथ बातचीत करने के लिए अधिक समय की अनुमति देना.

जबकि पारंपरिक माइक्रोफ्लुइडिक्स उपकरण एक छोटी चिप पर आगे और पीछे लूप करके लंबे चैनल बना सकते हैं, परिणामी मोड़ और मोड़ चैनल की प्रोफ़ाइल को बदल देते हैं और तरल प्रवाह के तरीके को प्रभावित करते हैं, जबकि फ़ाइबर संस्करण में इन्हें आवश्यकतानुसार लंबे समय तक बनाया जा सकता है, आकार या दिशा में कोई परिवर्तन नहीं, निर्बाध प्रवाह की अनुमति, युआन कहते हैं.

यह प्रणाली प्रवाहकीय तारों जैसे विद्युत घटकों को फाइबर में शामिल करने की भी अनुमति देती है. उदाहरण के लिए इनका उपयोग कोशिकाओं में हेरफेर करने के लिए किया जा सकता है, डाइइलेक्ट्रोफोरेसिस नामक विधि का उपयोग करना, जिसमें चैनल के किनारों पर दो प्रवाहकीय तारों के बीच उत्पन्न विद्युत क्षेत्र से कोशिकाएं अलग-अलग तरह से प्रभावित होती हैं.

माइक्रोचैनल में इन प्रवाहकीय तारों के साथ, कोई वोल्टेज को नियंत्रित कर सकता है इसलिए बल "कोशिकाओं पर दबाव डाल रहे हैं और खींच रहे हैं, और आप इसे उच्च प्रवाह दर पर कर सकते हैं,वोल्डमैन कहते हैं.

एक प्रदर्शन के रूप में, टीम ने कोशिकाओं को अलग करने के लिए डिज़ाइन किए गए लंबे चैनल फाइबर डिवाइस का एक संस्करण बनाया, मृत कोशिकाओं को जीवित कोशिकाओं से अलग करना, और इस कार्य को पूरा करने में अपनी दक्षता साबित की. आगे के विकास के साथ, वे कोशिका प्रकारों के बीच अधिक सूक्ष्म भेदभाव करने में सक्षम होने की उम्मीद करते हैं, युआन कहते हैं.

"मेरे लिए यह एक अद्भुत उदाहरण था कि आरएलई जैसी अंतःविषय प्रयोगशाला में अनुसंधान समूहों के बीच निकटता कैसे अभूतपूर्व अनुसंधान की ओर ले जाती है, एक स्नातक छात्र द्वारा आरंभ और नेतृत्व किया गया. हम संकाय सदस्यों को अनिवार्य रूप से हमारे छात्रों द्वारा घसीटा गया था,फ़िंक कहते हैं.

शोधकर्ता इस बात पर जोर देते हैं कि वे नई पद्धति को वर्तमान माइक्रोफ्लुइडिक्स के विकल्प के रूप में नहीं देखते हैं, जो कई अनुप्रयोगों के लिए बहुत अच्छा काम करता है. “यह प्रतिस्थापित करने के लिए नहीं है; इसका उद्देश्य मौजूदा तरीकों को बढ़ाना है, वोल्डमैन कहते हैं, विशेष उपयोगों के लिए कुछ नए कार्यों की अनुमति देना जो पहले संभव नहीं थे.

“अंतरविषयक सहयोग की शक्ति का उदाहरण, यहां विनिर्माण के अप्रत्याशित संयोजनों से एक नई समझ पैदा होती है, पदार्थ विज्ञान, जैविक प्रवाह भौतिकी, और माइक्रोसिस्टम्स डिज़ाइन,एमी हेर कहती हैं, बर्कले में कैलिफोर्निया विश्वविद्यालय में बायोइंजीनियरिंग के प्रोफेसर, जो इस शोध में शामिल नहीं था. वह कहती हैं कि यह काम "उभरती फाइबर-आधारित माइक्रोफ्लुइडिक डिजाइन रणनीतियों के लिए फाइबर क्रॉस-सेक्शन और भौतिक गुणों की ज्यामिति के संबंध में स्वतंत्रता की महत्वपूर्ण डिग्री जोड़ता है।"

स्रोत: एचटीटीपी://news.mit.edu, डेविड एल द्वारा. दुकानदार