Lab-on-a-Chip Vyrobeno z papíru

Vědci z Harvardu využili přirozeného pohybu kapaliny papírem Whitesides Research Group možná našli způsob, jak zlevnit mikrofluidní technologii. Výsledkem by mohly být jednorázové diagnostické testy jednoduché a dostatečně bohaté pro použití v rozvojovém světě.

Barevné kódování: Tento prototyp nového papírového diagnostického testu z Harvardské univerzity analyzuje obsah glukózy (vlevo jamka) a bílkovin (pravá jamka) v moči; horní jamka je kontrola pro test glukózy. Béžová část testovacího papíru byla ošetřena hydrofobním polymerem, který vede kapalinu do jamek. V tomto testu byl papír ponořen do roztoku umělé moči, který obsahoval glukózu a protein extrahovaný z kravské krve.

Oblast mikrofluidiky se zabývá přesnou manipulací s malým množstvím kapaliny. Jednou z jeho nejslibnějších aplikací je takzvaný lab-on-a-chip, který může pracovat s mnohem menšími vzorky tekutin, než vyžadují větší zařízení, což potenciálně umožňuje přenosnější diagnostické nástroje. Ale stávající mikrofluidní čipy jsou obecně vyrobeny z poměrně drahých materiálů, jako je křemík, sklo nebo plast, a mají malá čerpadla a ventily, jejichž výroba může být obtížná.

Nyní George Whitesides z Harvardu a jeho tým postavili mikrofluidní zařízení na čtverečku papíru velikosti nehtu malíčku. Je to první příklad, který jsem slyšel o papírové mikrofluidice, říká Albert Folch , bioinženýr z University of Washington, který se zabývá mikrovýrobou. Je to opravdu chytré, protože jako substrát používá papír, který je univerzálně dostupný.

Zatímco větší papírové testy (např. těhotenské) jsou běžné, smrštění papíru a minimalizace množství požadovaných chemických činidel snižuje výrobní náklady. Schopnost nasměrovat vzorek do konkrétních oblastí papíru umožňuje současné provedení několika testů, aby se hledalo více příznaků stavu, jako je selhání ledvin nebo infekční onemocnění, říká Whitesides. A zmenšení velikosti vzorku je zvláštní výhodou v rozvojových zemích, kde neinvazivní shromažďování malých množství tekutin eliminuje potřebu injekčních stříkaček, které mohou být obtížné čistit a likvidovat.

Špendlík krve nebo kapka moči nasáklé na okraji zařízení Whitesides se přirozeně pohybuje papírem, podobně jako se víno roztírá přes papírový ubrousek. Papír je však ošetřen hydrofobním polymerem, který směřuje kapalinu podél předepsaných kanálů. Jakmile se kapalina dostane do jamek na koncích kanálků, interaguje s činidly a změní barvu papíru. Barvy lze sladit s barvami na barevném klíči, stejně jako v testu pH. Jeden testovací design, který vypadá jako miniaturní, třívětvený, geometrický strom, může mít například jamky na konci dvou větví pro test glukózy a jeden na konci třetí pro test proteinů.

Konstrukce se obejde bez drahých součástek běžných v konvenčních mikrofluidních zařízeních: chemické reakce, které zbarvují části papíru, nahrazují sofistikované senzory a analyzátory, zatímco využití přirozené kapilární činnosti papíru k absorbování kapalin eliminuje potřebu externích čerpadel nebo zdrojů energie. Diagnostic for All – spinoff, který spoluzaložili Whitesides a hostující vědec z Harvardu Hayat Sindi s podporou partnerů z MIT – komercializuje technologii.

Namísto leptání kanálů do materiálu, jak to dělá většina návrhářů mikrofluidiky, Whitesides a Sindi byli schopni využít síť kanálů vlastní papíru; hydrofobní polymer jednoduše utěsňuje kanály, které výzkumníci nechtějí používat. Co je na tomto systému opravdu chytré, je to, že ve skutečnosti vzorovali celý objem substrátu, vysvětluje Folch. Samotný papír tvoří síť kapilár.

Jednou z nevýhod Folch je, že kvůli omezenému čerpacímu účinku papírových testů pravděpodobně nebudou schopny provádět složitější chemické reakce.

Kromě toho, že byla zařízení levnější, měli návrháři na paměti i další vlastnosti, které by je učinily praktičtějšími v rozvojovém světě. Díky nízké hmotnosti a odolnosti vůči rozbití je test přenosnější než testy vzorované na snadno rozbitných skleněných površích. Papírový čip je také snadno likvidovatelný spálením, což je klíčový faktor v rozvojových zemích zabývajících se udržováním veřejného zdraví, říká Whitesides. Druhy věcí, které zde vyvíjíme, mají být užitečné pro screening veřejného zdraví v rozvojovém světě, říká. Místo toho, aby vzal medicínu prvního světa a pokusil se ji zmenšit, začal tým navrhovat technologii s ohledem na rozvojové země a soustředil se na snadné použití, cenovou dostupnost a přenositelnost, říká Whitesides.

Za účelem optimalizace zařízení pro rozvojové země plánuje tým zkombinovat papírové testy se systémem mobilních telefonů pro diagnostiku mimo pracoviště, čímž se minimalizuje úroveň odbornosti potřebná k použití testů. Je to především způsob, jak ušetřit drahocenný čas a omezené zdroje lidí ve zdravotnictví, říká Whitesides. Tým předpokládá, že ve venkovských oblastech, kde jsou lékaři omezeni, lidé, kteří jsou vyškoleni pouze k provádění testů, je provedou a pošlou je zpět do centrálního zařízení, kde se lékař na tyto informace podívá a [doporučí] diagnózu a léčbu, aniž by museli skutečně tam být, říká Whitesides.

Whiteside a jeho kolegové zatím testovali papírový diagnostický nástroj pomocí umělé moči. V článku zveřejněném minulý měsíc analyzovali výsledky papíru na dálku pomocí telefonních kamer a zjistili, že výsledky jsou srovnatelné s přesností s analýzou na místě, říká Whitesides.

Dalším krokem je klinická zkouška a nasazení někde v Africe, říká Sindi. Právě teď tým testuje zařízení v drsných podmínkách, říká, jako je vysoký tlak, teplota a vlhkost. Zatím se nezdá, že by byl test nepříznivě ovlivněn, říká Whitesides. Tým nakonec doufá, že se posune za hranice lidské diagnostiky a vyvine zařízení pro testování vody, dobytka a dalších zdrojů potravy.

Druhy diagnostických testů, které chcete provádět, a druhy problémů, které chcete řešit, jsou v reálném světě velmi rozmanité, říká Mehmet Fatih Yanik , odborný asistent ve Výzkumné laboratoři elektroniky na MIT. Na papíru je hezké, že je to velmi flexibilní platforma pro provádění různých testů. Dodává, že výroba mikrofluidních zařízení, jako je skupina Whitesides, je mnohem levnější než výroba hromadných diagnostických strojů. Kombinace dvou levných systémů – papírové fluidiky a mobilních telefonů, které jsou v rozvojovém světě zcela všudypřítomné – to je nová myšlenka, říká Yanik.

Skutečně přináší nástroj, který bude mít velký dopad na implementaci mikrofluidiky, technologie, která obvykle vyžaduje hodně hardwaru a odborných znalostí, říká Folch. Snížili bariéru a jsou schopni přinést mikrofluidiku masám, abych tak řekl.

skrýt