Ngày 19 tháng 2020 năm XNUMX (Tiêu điểm Nanowerk) Nhiều thiết bị vi lỏng được sử dụng trong khoa học đời sống sử dụng nhựa hoặc silicon làm vật liệu cơ bản. Các thiết bị này thường được tạo mẫu bởi các kỹ sư và trải qua một quá trình sản xuất phức tạp và kéo dài trước khi được các nhà nghiên cứu sử dụng. Quan trọng hơn, các mẫu sinh học không thể tiếp cận được về mặt vật lý và quang học, do các bức tường kiên cố xung quanh hạn chế tính hữu ích của chúng ở hạ lưu; ví dụ, việc truy xuất ô cụ thể cho các xét nghiệm hạ nguồn có thể là một thách thức. “Đây là một phần của vấn đề lớn hơn với các thiết bị vi lỏng trong khoa học đời sống: hầu hết các nền tảng dựa vào vật liệu hoặc hóa chất nằm ngoài bề rộng sinh học như các khối xây dựng, giàn giáo hoặc lớp phủ cho các thiết bị,” Ed Walsh, Phó giáo sư về Khoa học Kỹ thuật tại Viện Thermofluids của Đại học Oxford, nói với Nanowerk. “Như tiêu đề của một bài báo tham khảo trong lĩnh vực này, "Các kỹ sư đến từ PDMS-land, các nhà sinh học đến từ Polystyrenia", có nghĩa là có sự chênh lệch lớn giữa những gì các nhà sinh học cần và những gì các kỹ sư thiết kế. " Trong một cách tiếp cận thay đổi trò chơi, Walsh và các cộng sự của anh ấy từ các lĩnh vực kỹ thuật và y sinh đang phát triển một cách biến đổi để chế tạo các thiết bị vi lỏng, trong đó các bức tường rắn được thay thế bằng các bức tường chất lỏng biến hình, trong suốt chỉ sử dụng vật liệu tương thích sinh học. Một tờ báo mới trong Khoa học nâng cao (“Thiết bị Microfluidic in bằng phản lực theo yêu cầu”) mô tả
phương pháp mới của nhóm để tạo ra các thiết bị vi lỏng thân thiện với tế bào theo yêu cầu với các tính năng có kích thước <50 µm. Giao thức sáng tạo này mang lại những lợi ích đáng kể cho các nhà khoa học trong sinh học và y sinh học, những người giờ đây có thể dễ dàng tạo ra môi trường vi lỏng tế bào của riêng họ trong vài phút - gần như nhanh như mẫu mạch có thể được vẽ trên giấy - sử dụng các vật liệu thực sự thân thiện với tế bào, đĩa Petri tiêu chuẩn và nuôi phương tiện truyền thông. Walsh giải thích: “Ý tưởng cốt lõi đằng sau công nghệ của chúng tôi là trong thế giới vi mô, các lực giao diện thống trị lực hấp dẫn, vì vậy các giao diện chất lỏng có thể hoạt động như những bức tường vững chắc cho các cấu trúc kích thước siêu nhỏ,” Walsh giải thích. “Chúng tôi sử dụng một loại fluorocarbon trơ sinh học, không thể trộn lẫn, FC40, để tạo hình hai chất lỏng bất phân hủy thành các môi trường vi mô mà các nhà sinh học quan tâm. Các vi môi trường mới được hình thành nằm trên các đĩa nuôi cấy tế bào thông thường và hoàn toàn có thể tiếp cận được để điều tra quang học và vật lý do các bức tường biến hình, trong suốt của chúng ”. “Hơn nữa,” ông nói thêm, “chúng không bị các vấn đề về bong bóng khí thảm khốc thường thấy trong các chất lỏng siêu lỏng truyền thống; với thành chất lỏng, các bong bóng khí sẽ tự động được giải phóng vào khí quyển thông qua các lực nổi tự nhiên. ”
Nguyên tắc của kỹ thuật: Một 'tia siêu nhỏ' của một fluorocarbon không cháy (FC40) được chiếu qua FC40 và phương tiện truyền thông xuống đáy đĩa; phương tiện được đẩy sang một bên, và FC40 dính vào đáy (nó thấm polystyrene tốt hơn phương tiện). Di chuyển máy bay phản lực bây giờ vẽ các đường để tạo thành một lưới với các bức tường FC40. (Tái bản với sự cho phép của Wiley-VCH Verlag) Tại sao chúng ta chế tạo các vật thể từ chất rắn chứ không phải chất lỏng? Các tác giả của điều này Những tiến bộ khoa học giấy đã cân nhắc câu hỏi này trong nhiều năm. Câu trả lời: Ở quy mô chiều dài mà con người tương tác với các vật thể thì trọng lực chiếm ưu thế; và bất cứ thứ gì người ta có thể tạo ra từ chất lỏng ở quy mô này sẽ sụp đổ thành vũng trên mặt đất. Walsh chỉ ra: “Khi mọi thứ trở nên nhỏ hơn nhiều thì vật lý đã khác đi, lực hấp dẫn trở nên không liên quan và các lực liên phương chiếm ưu thế. “Chúng tôi khai thác vật lý này để tạo ra các vật thể từ chất lỏng, từ máy bơm chất lỏng đến mạng lưới dòng chảy vi lỏng, và do đó cung cấp một nền tảng công nghệ mới đang định hình những khám phá trong tương lai trong sinh học thông qua việc định hình chất lỏng bất khả phân hủy.” Hãy tưởng tượng khi viết trên giấy, ngoại trừ việc thay vì một cây bút đưa mực, bạn có một chiếc kim siêu nhỏ truyền chất lỏng không thể trộn lẫn trong nước (fluorocarbon), vào một đĩa petri đã có sẵn một màng mỏng của môi trường tế bào. Các bức tường fluorocarbon (chất lỏng) được ghim vào bề mặt polystyrene, giống như cách mực dính vào giấy, bao bọc các cấu trúc nước. Bằng cách này, nhóm có thể tạo ra một loạt các khoang vi lỏng, hoặc bất kỳ môi trường vi mô nào, được cách ly với nhau bằng các bức tường lỏng của FC40. Sau đó, các khoang có thể được sử dụng giống như các giếng trong vi khuôn: chất lỏng được thêm vào / loại bỏ vào / ra khỏi chúng bằng cách dùng pipet hút qua FC40 thay vì không khí. Hoặc các ống dẫn chất lỏng có thành ống có thể được sử dụng để bơm chất lỏng qua chúng giống như mạng lưới đường ống của chúng đối với các đối tác có thành kiên cố. Các nhà nghiên cứu cũng giới thiệu một trục 3 trục để mang kim tiêm truyền, giúp quá trình chế tạo nhanh hơn và chính xác hơn giống như cách một máy in tự động viết tay.
Chất lỏng tìm đường đi qua mê cung với một đầu vào và đầu ra duy nhất. Mạch được xây dựng bằng cách phun FC40 qua môi trường cộng với thuốc nhuộm đỏ; khi thuốc nhuộm xanh được bơm vào đầu vào, nó sẽ đi theo con đường có ít lực cản nhất qua mê cung. (Video: Viện Thermofluids Oxford)
Công nghệ mới này cho phép các nhà sinh học định hình môi trường vi mô cho các thí nghiệm của họ một cách dễ dàng. Ví dụ, trong các mẫu sinh học tế bào, môi trường tế bào và thuốc thử được lưu trữ trong các đĩa microtiter thông thường. Mặc dù chúng có nhiều định dạng tiêu chuẩn, chúng hoạt động với khối lượng lớn hơn vài bậc so với những gì mẫu thực sự cần. Ngược lại, công nghệ in máy bay phản lực theo yêu cầu mới của nhóm cho phép các nhà sinh học nhanh chóng tạo ra các tấm đa giếng của riêng họ ở quy mô sinh lý phù hợp hơn cho các mẫu của họ. Đĩa Petri có thể được lắp lại thành đĩa 256 hoặc 1024 giếng trong vòng chưa đầy 5 phút. Việc chế tạo theo yêu cầu này có thể được mở rộng cho một loạt các mạch vi lỏng động với dòng chảy, trước đây chỉ có thể sử dụng các quy trình sản xuất chuyên biệt, với giới hạn vận hành cố hữu, có thể mất hàng tuần. Ví dụ, công nghệ này có thể đẩy nhanh quy trình nhân bản tế bào đơn trong sinh học tế bào một cách đáng kể: từ 1-2 tháng, giảm xuống 7-8 ngày. Điều này hiện được tự động hóa bằng cách sử dụng isoCell, một thiết bị để bàn được thương mại hóa bởi khoa học iota, một công ty cũng hỗ trợ nghiên cứu này. Các tác giả chứng minh rằng cường độ của tia fluorocarbon có thể được điều chỉnh để phục vụ nhiều chức năng cho các xét nghiệm sinh học. Ví dụ, cường độ tia FC40 có thể được điều chỉnh để đánh bật các tế bào kết dính khỏi đĩa (hãy nghĩ đến một vòi phun tia làm sạch đáy hồ bơi), trong khi không đủ mạnh để tạo thành chất lỏng ổn định. Điều này được chứng minh trong video dưới đây hoặc ở một cài đặt khác, nó có thể được sử dụng để trộn các thể tích nhỏ trong môi trường vi mô (xem giấy).
Tạo một lỗ sâu chất lỏng. Sử dụng một tia siêu nhỏ để tạo ra một dòng xoáy trong chất lỏng để đánh bật, tách chiết và tái tạo các tế bào trong các thiết bị vi lỏng. (Video: Viện Thermofluids Oxford)
Nhóm nghiên cứu hiện đang mở rộng không gian ứng dụng công nghệ nền tảng của họ với các nhóm nghiên cứu sinh học trong Đại học Oxford. Một số lĩnh vực ứng dụng mà chúng tập trung vào bao gồm hóa học (phản ứng của tế bào với gradient hóa học); kháng khuẩn; tương tác tế bào-tế bào; Văn hóa 3D; và phát triển các mô hình 'nội tạng trên chip' để tổng hợp tốt hơn sinh học của con người trong một món ăn. Ngoài ra, công nghệ hiện đang được sử dụng thường xuyên bên ngoài Đại học Oxford trong các phòng thí nghiệm học thuật và công nghiệp với nhiều ứng dụng đa dạng liên quan đến CRISPR, chỉnh sửa gen và một loạt các dòng tế bào từ tế bào ung thư đến Tế bào gốc đa năng do con người cảm ứng (hiPSC). “Ở cấp độ lý thuyết, không giống như dòng chảy qua một đường ống, nơi có một khung lý thuyết vững chắc được phát triển trong nhiều thập kỷ, để hướng dẫn các thí nghiệm, dòng chảy qua các kênh có thành chất lỏng đại diện cho một lãnh thổ chưa được khám phá trong kỹ thuật,” Walsh kết luận. “Chúng tôi đang đối phó với một hệ thống mà các bức tường biến đổi liên tục để thích ứng với những thay đổi của áp suất, điều này làm cho vấn đề này trở thành một vấn đề phức tạp, nhưng thú vị để xem xét.”
By Michael
Berger
–
Michael là tác giả của ba cuốn sách của Hiệp hội Hóa học Hoàng gia:
Xã hội Nano: Đẩy mạnh ranh giới của công nghệ,
Công nghệ nano: Tương lai nhỏ bévà
Nanoengineering: Các kỹ năng và công cụ làm cho công nghệ vô hình
Bản quyền ©
công trình nano
