ภายในเส้นใยเหล่านี้, หยดน้ำกำลังเคลื่อนไหว: อุปกรณ์ไมโครฟลูอิดิกส์สำหรับการผสม, แยกจากกัน, และการทดสอบของเหลวอาจเปิดโอกาสใหม่สำหรับการตรวจคัดกรองทางการแพทย์

อุปกรณ์ไมโครฟลูอิดิกส์เป็นระบบขนาดเล็กที่มีช่องขนาดเล็กมากซึ่งสามารถใช้สำหรับการทดสอบและการวิจัยทางเคมีหรือชีวการแพทย์. ในความก้าวหน้าที่อาจเปลี่ยนแปลงเกม, ขณะนี้นักวิจัยของ MIT ได้รวมระบบไมโครฟลูอิดิกส์ไว้ในเส้นใยแต่ละเส้น, ทำให้สามารถประมวลผลของเหลวในปริมาณที่มากขึ้นได้, ด้วยวิธีที่ซับซ้อนมากขึ้น. ในความรู้สึก, ความก้าวหน้าดังกล่าวได้เปิดศักราช “มาโคร” ใหม่ของไมโครฟลูอิดิกส์.

ด้วยการรวมสายนำไฟฟ้าเข้ากับช่องไมโครฟลูอิดิกในเส้นใยยาว, นักวิจัยสามารถแสดงให้เห็นถึงความสามารถในการจัดเรียงเซลล์ได้ ในกรณีนี้, แยกเซลล์ที่มีชีวิตออกจากเซลล์ที่ตายแล้ว, เพราะเซลล์ตอบสนองต่อสนามไฟฟ้าต่างกัน. เซลล์ที่มีชีวิต, แสดงเป็นสีเขียว, ถูกดึงไปทางขอบด้านนอกของช่อง, ในขณะที่เซลล์ที่ตายแล้ว (แต่เป็นมะเร็งเต้านมชนิดหายาก) ถูกดึงเข้าหาศูนย์กลาง, เพื่อให้สามารถส่งแยกช่องทางได้.

ภาพประกอบโดยนักวิจัย.

อุปกรณ์ไมโครฟลูอิดิกแบบดั้งเดิม, พัฒนาและใช้กันอย่างแพร่หลายในช่วงสองสามทศวรรษที่ผ่านมา, ถูกผลิตขึ้นบนโครงสร้างคล้ายไมโครชิปและจัดให้มีวิธีการผสม, แยกจากกัน, และการทดสอบของเหลวในปริมาตรที่มองด้วยกล้องจุลทรรศน์. การทดสอบทางการแพทย์ที่ต้องใช้เลือดหยดเพียงเล็กน้อย, ตัวอย่างเช่น, มักอาศัยไมโครฟลูอิดิก. แต่ขนาดที่เล็กของอุปกรณ์เหล่านี้ก็มีข้อจำกัดเช่นกัน; ตัวอย่างเช่น, โดยทั่วไปจะไม่มีประโยชน์สำหรับขั้นตอนที่ต้องใช้ของเหลวในปริมาณมากเพื่อตรวจจับสารที่มีอยู่ในปริมาณเพียงเล็กน้อย.

ทีมนักวิจัยของ MIT พบวิธีแก้ไขปัญหานั้น, โดยการสร้างช่องไมโครฟลูอิดิกภายในเส้นใย. เส้นใยสามารถผลิตได้นานเท่าที่จำเป็นเพื่อรองรับปริมาณงานที่มากขึ้น, และให้การควบคุมและความยืดหยุ่นที่ยอดเยี่ยมเหนือรูปร่างและขนาดของช่อง. แนวคิดใหม่นี้ได้อธิบายไว้ในบทความที่ปรากฏในวารสารสัปดาห์นี้ การดำเนินการของสถาบันวิทยาศาสตร์แห่งชาติ, เขียนโดยนักศึกษาระดับบัณฑิตศึกษาของ MIT Rodger Yuan, ศาสตราจารย์ โจเอล โวลด์แมน และ โยเอล ฟิงค์, และอีกสี่คน.

แนวทางสหสาขาวิชาชีพ

โครงการนี้เกิดขึ้นจากเหตุการณ์ "พายุเร่งความเร็ว" (การรวมกันของการระดมความคิดและการออกเดทแบบรวดเร็ว, แนวคิดที่ริเริ่มโดยศาสตราจารย์เจฟฟรีย์ กรอสแมน) ที่ถูกกระตุ้นโดย Fink เมื่อเขาดำรงตำแหน่งผู้อำนวยการห้องปฏิบัติการวิจัยอิเล็กทรอนิกส์ของ MIT. กิจกรรมนี้มีจุดมุ่งหมายเพื่อช่วยให้นักวิจัยพัฒนาโครงการความร่วมมือใหม่ๆ, โดยให้นักเรียนและ postdocs ร่วมกันระดมความคิดครั้งละหกนาที และเกิดแนวคิดหลายร้อยรายการในหนึ่งชั่วโมง, ซึ่งได้รับการจัดอันดับและประเมินผลโดยคณะผู้พิจารณา. ในเซสชั่นการเร่งความเร็วโดยเฉพาะนี้, นักศึกษาสาขาวิศวกรรมไฟฟ้าทำงานร่วมกับคนอื่นๆ ในสาขาวัสดุศาสตร์และเทคโนโลยีไมโครซิสเต็มส์เพื่อพัฒนาแนวทางใหม่ในการคัดแยกเซลล์โดยใช้เส้นใยหลายวัสดุประเภทใหม่.

หยวนอธิบายว่า, แม้ว่าเทคโนโลยีไมโครฟลูอิดิกจะได้รับการพัฒนาอย่างกว้างขวางและใช้กันอย่างแพร่หลายในการแปรรูปของเหลวจำนวนเล็กน้อย, มีข้อจำกัดสามประการที่เกี่ยวข้องกับขนาดโดยรวมของอุปกรณ์, โปรไฟล์ช่องของพวกเขา, และความยากลำบากในการรวมวัสดุเพิ่มเติม เช่น อิเล็กโทรด.

เนื่องจากโดยทั่วไปแล้วจะทำโดยใช้วิธีการผลิตชิป, อุปกรณ์ไมโครฟลูอิดิกถูกจำกัดขนาดของเวเฟอร์ซิลิคอนที่ใช้ในระบบดังกล่าว, ซึ่งไม่มากไปกว่านั้น 8 นิ้วข้าม. และวิธีการพิมพ์หินด้วยแสงที่ใช้ทำชิปดังกล่าวจะจำกัดรูปร่างของช่องสัญญาณ; พวกเขาสามารถมีส่วนตัดขวางสี่เหลี่ยมหรือสี่เหลี่ยมเท่านั้น. ในที่สุด, วัสดุเพิ่มเติมใด ๆ, เช่นอิเล็กโทรดสำหรับการตรวจจับหรือจัดการเนื้อหาของช่อง, จะต้องถูกวางแยกกันในตำแหน่งในกระบวนการที่แยกจากกัน, จำกัดความซับซ้อนอย่างรุนแรง.

“เทคโนโลยีชิปซิลิคอนนั้นดีมากในการสร้างโปรไฟล์สี่เหลี่ยม, แต่อะไรที่นอกเหนือไปจากนั้นต้องใช้เทคนิคเฉพาะทางจริงๆ,“หยวนกล่าว, ซึ่งดำเนินงานเป็นส่วนหนึ่งของการวิจัยระดับปริญญาเอกของเขา. “พวกมันสามารถสร้างรูปสามเหลี่ยมได้, แต่เฉพาะบางมุมเท่านั้น” ด้วยวิธีการใช้ไฟเบอร์แบบใหม่ที่เขาและทีมงานพัฒนาขึ้น, สามารถใช้รูปทรงหน้าตัดที่หลากหลายสำหรับช่องได้, รวมทั้งดาวด้วย, ข้าม, หรือรูปทรงหูกระต่ายที่อาจเป็นประโยชน์ในการใช้งานโดยเฉพาะ, เช่นการคัดแยกเซลล์ประเภทต่างๆ ในตัวอย่างทางชีวภาพโดยอัตโนมัติ.

นอกจากนี้, สำหรับไมโครฟลูอิดิกแบบธรรมดา, องค์ประกอบต่างๆ เช่น สายไฟตรวจจับหรือสายไฟทำความร้อน, หรืออุปกรณ์เพียโซอิเล็กทริกเพื่อกระตุ้นการสั่นสะเทือนในของเหลวตัวอย่าง, จะต้องเพิ่มในขั้นตอนการประมวลผลในภายหลัง. แต่สามารถรวมเข้ากับช่องสัญญาณในระบบที่ใช้ไฟเบอร์ใหม่ได้อย่างสมบูรณ์.

โปรไฟล์ที่หดตัว

เช่นเดียวกับระบบไฟเบอร์ที่ซับซ้อนอื่นๆ ที่พัฒนาขึ้นในช่วงหลายปีที่ผ่านมาในห้องปฏิบัติการของผู้เขียนร่วม Yoel Fink, ศาสตราจารย์ด้านวัสดุศาสตร์และวิศวกรรมศาสตร์ และหัวหน้า Advanced Functional Fabrics of America (อัฟโฟเอ) สมาคม, เส้นใยเหล่านี้ทำขึ้นโดยเริ่มจากกระบอกโพลีเมอร์ขนาดใหญ่ที่เรียกว่าพรีฟอร์ม. ผลิตภัณฑ์ที่ขึ้นรูปขั้นต้นเหล่านี้มีรูปร่างและวัสดุที่ต้องการสำหรับเส้นใยขั้นสุดท้าย, แต่ในรูปแบบที่ใหญ่กว่ามาก — ซึ่งทำให้ง่ายขึ้นมากในการกำหนดค่าที่แม่นยำมาก. แล้ว, ผลิตภัณฑ์ที่ขึ้นรูปขั้นต้นจะถูกให้ความร้อนและบรรจุลงในดรอปทาวเวอร์, โดยที่มันถูกดึงอย่างช้าๆ ผ่านหัวฉีดที่บีบให้เป็นเส้นใยแคบซึ่งมีเส้นผ่านศูนย์กลางหนึ่งในสี่สิบของผลิตภัณฑ์ที่ขึ้นรูปขั้นต้น, โดยยังคงรักษารูปทรงและการจัดวางภายในทั้งหมดไว้.

ในกระบวนการ, วัสดุยังถูกยืดออกด้วยปัจจัยของ 1,600, เพื่อให้มีความยาว 100 มิลลิเมตร (4-ยาวเป็นนิ้ว) พรีฟอร์ม, ตัวอย่างเช่น, กลายเป็นเส้นใย 160 ยาวเมตร (เกี่ยวกับ 525 เท้า), จึงเอาชนะข้อจำกัดด้านความยาวที่มีอยู่ในอุปกรณ์ไมโครฟลูอิดิกในปัจจุบันได้อย่างมาก. นี่อาจเป็นสิ่งสำคัญสำหรับบางแอปพลิเคชัน, เช่นการตรวจจับวัตถุที่มีกล้องจุลทรรศน์ซึ่งมีความเข้มข้นน้อยมากในของเหลว เป็นต้น, เซลล์มะเร็งจำนวนเล็กน้อยในเซลล์ปกตินับล้านเซลล์.

“บางครั้งคุณจำเป็นต้องประมวลผลเนื้อหาจำนวนมากเพราะสิ่งที่คุณกำลังมองหานั้นหายาก,"โวลด์แมนกล่าว, ศาสตราจารย์ด้านวิศวกรรมไฟฟ้าที่เชี่ยวชาญด้านไมโครเทคโนโลยีชีวภาพ. นั่นทำให้เทคโนโลยีไมโครฟลูอิดิกส์แบบไฟเบอร์ใหม่นี้เหมาะสมอย่างยิ่งสำหรับการใช้งานดังกล่าว, เขาพูดว่า, เพราะ “เส้นใยสามารถสร้างความยาวได้ตามใจชอบ,” ช่วยให้มีเวลามากขึ้นสำหรับของเหลวที่จะยังคงอยู่ในช่องและโต้ตอบกับมัน.

ในขณะที่อุปกรณ์ไมโครฟลูอิดิกแบบเดิมสามารถสร้างช่องสัญญาณยาวได้โดยการวนซ้ำไปมาบนชิปขนาดเล็ก, การบิดและหมุนที่เกิดขึ้นจะเปลี่ยนโปรไฟล์ของช่องและส่งผลต่อวิธีการไหลของของเหลว, ในขณะที่รุ่นไฟเบอร์สามารถทำได้ตราบเท่าที่จำเป็น, โดยไม่มีการเปลี่ยนแปลงรูปร่างหรือทิศทาง, ปล่อยให้ไหลได้ไม่สะดุด, หยวนกล่าว.

ระบบยังช่วยให้ส่วนประกอบทางไฟฟ้า เช่น สายไฟนำไฟฟ้า สามารถรวมเข้ากับเส้นใยได้. สิ่งเหล่านี้สามารถใช้เพื่อควบคุมเซลล์ต่างๆ, โดยใช้วิธีที่เรียกว่าไดอิเล็กโทรโฟรีซิส, ซึ่งเซลล์ได้รับผลกระทบแตกต่างกันจากสนามไฟฟ้าที่เกิดขึ้นระหว่างสายนำไฟฟ้าสองเส้นที่ด้านข้างของช่อง.

ด้วยสายนำไฟฟ้าเหล่านี้ในไมโครช่อง, เราสามารถควบคุมแรงดันไฟฟ้าเพื่อให้แรง "ผลักและดึงเซลล์", และคุณสามารถทำได้ด้วยอัตราการไหลที่สูง,โวลด์แมนกล่าว.

เป็นการสาธิต, ทีมงานได้สร้างอุปกรณ์ไฟเบอร์แบบช่องยาวที่ออกแบบมาเพื่อแยกเซลล์, คัดแยกเซลล์ที่ตายแล้วออกจากเซลล์ที่มีชีวิต, และได้พิสูจน์ประสิทธิภาพในการบรรลุภารกิจนี้. ด้วยการพัฒนาต่อไป, พวกเขาคาดหวังว่าจะสามารถแยกแยะประเภทเซลล์ได้อย่างละเอียดมากขึ้น, หยวนกล่าว.

“สำหรับฉัน นี่เป็นตัวอย่างที่ยอดเยี่ยมที่แสดงให้เห็นว่าความใกล้ชิดระหว่างกลุ่มวิจัยในห้องปฏิบัติการสหวิทยาการอย่าง RLE นำไปสู่การวิจัยที่ก้าวล้ำได้อย่างไร, ริเริ่มและนำโดยนักศึกษาระดับบัณฑิตศึกษา. พวกเราคณาจารย์ถูกนักศึกษาของเราลากเข้ามาเป็นหลัก,"ฟิงค์กล่าว.

นักวิจัยเน้นย้ำว่าพวกเขาไม่เห็นวิธีการใหม่นี้มาทดแทนไมโครฟลูอิดิกในปัจจุบัน, ซึ่งทำงานได้ดีกับแอพพลิเคชั่นมากมาย. “มันไม่ได้หมายถึงการแทนที่; มีจุดมุ่งหมายเพื่อเพิ่ม” วิธีการปัจจุบัน, โวลด์แมนกล่าว, อนุญาตให้มีฟังก์ชันใหม่บางอย่างสำหรับการใช้งานเฉพาะที่ไม่เคยมีมาก่อน.

“ตัวอย่างพลังของความร่วมมือแบบสหวิทยาการ, ความเข้าใจใหม่เกิดขึ้นที่นี่จากการผสมผสานการผลิตที่ไม่คาดคิด, วัสดุศาสตร์, ฟิสิกส์การไหลทางชีวภาพ, และการออกแบบระบบไมโคร,“เอมี่ เฮอร์ กล่าว, ศาสตราจารย์ด้านวิศวกรรมชีวภาพที่มหาวิทยาลัยแคลิฟอร์เนียที่เบิร์กลีย์, ที่ไม่ได้มีส่วนร่วมในการวิจัยครั้งนี้. เธอเสริมว่างานนี้ "เพิ่มระดับอิสระที่สำคัญเกี่ยวกับเรขาคณิตของหน้าตัดของเส้นใยและคุณสมบัติของวัสดุ" ให้กับกลยุทธ์การออกแบบไมโครฟลูอิดิกที่ใช้ไฟเบอร์ที่เกิดขึ้นใหม่

แหล่งที่มา: http://news.mit.edu, โดย David L. แชนด์เลอร์