Lab-on-a-chip lavet af papir

Ved at drage fordel af den naturlige bevægelse af væske gennem papir, har forskere ved Harvard's Whitesides forskningsgruppe kan have fundet en måde at gøre mikrofluidikteknologi meget billigere. Resultatet kunne være diagnostiske engangstests enkle og rigelige nok til brug i udviklingslandene.

Farvekodning: Denne prototype af en ny papirdiagnostisk test fra Harvard University analyserer indholdet af glukose (venstre brønd) og protein (højre brønd) i urin; den øverste brønd er en kontrol for glucoseanalysen. Den beige del af testpapiret er blevet behandlet med en hydrofob polymer, der kanaliserer væsken ind i brøndene. I denne test blev papiret dyppet i en kunstig urinopløsning, der indeholdt glukose og et protein ekstraheret fra koblod.

Området for mikrofluidik beskæftiger sig med den præcise manipulation af små mængder væske. En af dens mest lovende applikationer er den såkaldte lab-on-a-chip, som kan arbejde med meget mindre væskeprøver, end større enheder kræver, hvilket potentielt giver mulighed for mere bærbare diagnostiske værktøjer. Men eksisterende mikrofluidchips er generelt lavet af forholdsvis dyre materialer som silicium, glas eller plast og har små pumper og ventiler, der kan være svære at fremstille.

Nu har Harvards George Whitesides og hans team bygget en mikrofluidisk enhed på en firkant af papir på størrelse med en pinky fingernegl. Det er det første eksempel, jeg har hørt om papirmikrofluidik, siger Albert Folch , en bioingeniør ved University of Washington, der arbejder med mikrofabrikation. Det er virkelig smart, fordi det bruger papir som underlag, som er universelt tilgængeligt.

Mens større papirprøver (som dem for graviditet) er almindelige, reducerer fremstillingsomkostningerne at skrumpe papiret og minimere mængden af ​​de nødvendige kemiske reagenser. Evnen til at lede prøven til bestemte områder af papiret muliggør samtidig udførelse af flere tests, for at lede efter flere symptomer på en tilstand, som nyresvigt eller infektionssygdom, siger Whitesides. Og at reducere prøvestørrelsen er en særlig fordel i udviklingslande, hvor non-invasiv opsamling af små mængder væske undgår behovet for sprøjter, som kan være svære at rengøre og bortskaffe.

Et nålestik af blod eller en dråbe urin opsuget i kanten af ​​Whitesides-enheden bevæger sig naturligt gennem papiret, på samme måde som vin spredes gennem en papirserviet. Men papiret er behandlet med en hydrofob polymer, som leder væsken langs foreskrevne kanaler. Når væsken når brøndene i enderne af kanalerne, interagerer den med reagenser, hvilket giver papiret forskellige farver. Farverne kan matches med dem på en farvenøgle, ligesom de er i en pH-test. Et testdesign, der ligner et miniature, tre-grenet, geometrisk træ kan have brønde for enden af ​​to grene til en glukoseanalyse og en i slutningen af ​​den tredje til en proteinanalyse, for eksempel.

Designet undlader dyre komponenter, der er almindelige i konventionelle mikrofluidiske enheder: kemiske reaktioner, der farver dele af papiret, erstatter sofistikerede sensorer og analysatorer, mens brug af papirets naturlige kapillære virkning til at absorbere væsker undgår behovet for eksterne pumper eller strømkilder. Diagnostic for All – et spin-off, der blev grundlagt af Whitesides og Harvard-gæsteforskeren Hayat Sindi, med støtte fra partnere fra MIT – kommercialiserer teknologien.

I stedet for at ætse kanaler ind i et materiale, som de fleste mikrofluidikdesignere gør, var Whitesides og Sindi i stand til at drage fordel af det netværk af kanaler, der er iboende i papir; den hydrofobe polymer lukker simpelthen de kanaler, som forskerne ikke ønsker at bruge. Det, der virkelig er smart ved dette system, er, at de faktisk har mønstret hele volumen af ​​underlaget, forklarer Folch. Selve papiret danner et netværk af kapillærer.

En ulempe Folch bemærker er, at på grund af papirtestens begrænsede pumpevirkning, vil de sandsynligvis ikke være i stand til at udføre mere komplekse kemiske reaktioner.

Udover at gøre enhederne billigere, huskede designerne på andre egenskaber, der ville gøre dem mere praktiske i udviklingslandene. Testens lette vægt og modstand mod brud gør den mere bærbar end test mønstret på let knust glasoverflader. Papirchippen er også let at bortskaffe ved forbrænding, hvilket er en vigtig overvejelse i udviklingslande, der er interesseret i at opretholde folkesundheden, siger Whitesides. Den slags ting, vi udvikler her, er beregnet til at være nyttige til screening af folkesundheden i udviklingslandene, siger han. I stedet for at tage førsteverdensmedicin og forsøge at reducere den, begyndte holdet at designe teknologien med udviklingslande i tankerne, idet de koncentrerede sig om brugervenlighed, overkommelig pris og bærbarhed, siger Whitesides.

For at optimere enheden til udviklingslande planlægger teamet at kombinere papirtestene med et system af mobiltelefoner til off-site diagnose, hvilket minimerer det ekspertniveau, der er nødvendigt for at bruge testene. Det er primært en måde at bevare den værdifulde tid og begrænsede ressourcer hos sundhedsplejersker, siger Whitesides. Teamet forestiller sig, at i landdistrikter, hvor lægerne er begrænsede, udfører folk, der kun er uddannet til at udføre testene dem og sender dem tilbage til en central facilitet, hvor en læge ser på disse oplysninger og [anbefaler] diagnose og behandling uden at skulle faktisk være der, siger Whitesides.

Lige nu har Whiteside og hans kolleger testet papirdiagnoseværktøjet ved hjælp af kunstig urin. I et papir, der blev offentliggjort i sidste måned, analyserede de papirresultaterne eksternt via telefonkameraer og fandt ud af, at resultaterne var sammenlignelige med hensyn til nøjagtighed med analyse på stedet, siger Whitesides.

Det næste trin er et klinisk forsøg og implementering et sted i Afrika, siger Sindi. Lige nu tester holdet enheden under barske forhold, siger hun, såsom højt tryk, temperatur og luftfugtighed. Indtil videre ser testen ikke ud til at være negativt påvirket, siger Whitesides. Holdet håber i sidste ende at komme videre end menneskelig diagnostik ved at udvikle enheder til at teste vand, husdyr og andre fødekilder.

Den slags diagnostiske analyser, du vil lave, og den slags problemer, du vil løse, er meget forskellige i den virkelige verden, siger Mehmet Fatih Yanik , en assisterende professor ved Research Laboratory of Electronics ved MIT. Det gode ved papir er, at det er en meget fleksibel platform til at udføre en række forskellige analyser. Han tilføjer, at det er meget billigere at lave mikrofluidiske enheder som Whitesides-gruppens end at lave bulk-diagnosemaskiner. Kombinationen af ​​de to billige systemer - den papirbaserede fluidics og mobiltelefoner, som er ret allestedsnærværende i udviklingslandene - det er en ny idé, siger Yanik.

Det bringer virkelig et værktøj, der vil have en stor indflydelse på implementeringen af ​​mikrofluidik, en teknologi, der normalt kræver en masse hardware og ekspertise at bruge, siger Folch. De har sænket barrieren og er i stand til at bringe mikrofluidik til masserne, så at sige.

skjule