دستگاه میکروفلوئیدی قابل تنظیم برای دارورسانی

شکل ۱: داروی شیمی درمانی، از دستگاه نصب شده در مچ به سمت روده حرکت و به سلول‌های سرطانی برخورد می‌کند.
بسته‌های میکروفلوئیدی که به آن‌ها (Lab on a Chip(LOC هم می‌گویند، شامل مجموعه‌ای از عملیات واحد یکپارچه‌است که برای دسترسی به کنترل دقیق، راحت و سریع در سیستم‌های بیولوژیکی و شیمیایی تولید می‌شود.
LOCها شامل توسعه دستگاه‌های تشخیص نقطه‌ای در مراقبت پزشکی با مزایایی نظیر حساسیت بیشتر، کمتر بودن حجم نمونه، کم‌تر بودن حجم معرف (reagent)، انرژی کم، هزینه کم، نیروی انسانی کمتر و احتمال خطای انسانی کمتر است.
با توجه به این مزایا، LOCها دارای پتانسیل قابل توجهی هستند تا در پزشکی برای آزمایش‌های تشخیصی و تحلیلی و در بیوسنسورها و همچنین در تحویل دارو مورد استفاده قرار گیرند.
از LOCها برای رساندن داروی شیمی درمانی به عضوی که تحت حمله سلول‌های سرطانی قرار گرفته‌است نیز، استفاده می‌شود.
در درمان سرطان، روش شیمی درمانی علاوه بر اینکه برای بیماری عوارضی به همراه دارد، موجب ایجاد درد برای وی می‌شود. بنابراین در فناوری جدید، نیاز بسیار زیادی برای ایجاد روشی در درمان بیماران سرطانی حس می‌شود. این فناوری جدید، باید دو هدف زیر را دارا باشد:
۱)درمان موثر بیماران سرطانی برای ریشه کن کردن بیماری
۲)تا حد امکان بدون درد و غیرتهاجمی کردن درمان سرطان
ترکیب ۴ تکنولوژی در یک دستگاه میکروفلوئیدی برای فراهم کردن تحویل دارو در مقیاس نانو برای بیماران سرطانی بوسیله دستگاهی شبیه ساعت مچی امکان پذیر است. در این دستگاه، مخازن هر دارو در حفره‌هایی متمرکز شده‌اند.
تمرکز این تکنولوژی جدید، بطور خاص برای سرطان معده‌است اما می‌توان آن را برای درمان دیگر سرطان‌ها نیز تطبیق داد.(شکل ۱)
گزینه معمول برای درمان سرطان معده، شیمی درمانی است. تا به حال، چندین داروی شیمی درمانی بطور تنها برای درمان این سرطان استفاده شده‌اند که از جمله می‌توان فلوروراسیل، میتومایسین، دوکسوروبیسین، سیس پلاتین و اپیروبیسین اشاره کرد. اثر بخشی این داروها از طریق میزان آهنگ پاسخ (clinical response rate) است. این معیار بیانگر درصد بیمارانی است که به درمان سرطان پاسخ دادند بطوریکه سلول‌های سرطانی دیگر شناسایی نشدند.
آهنگ پاسخ دهی به این داروها کم و در حدود ۳۵-۱۵ درصد بود. در درمان موثرتر، از ترکیب ۲، ۳ یا تعداد بیشتری داروی شیمی درمانی استفاده کردند. پس از آزمایش ترکیبات مختلف که شامل استفاده از داروهای مختلف با تعداد متفاوت بود، نتیجه گرفتند که ترکیب ۳ دارو بسیار موثرتر از دیگر ترکیبات بود و دارای میزان پاسخ دهی ماکسیمم به میزان ۷۱ درصد است. این داروها عبارتند از فلوروراسیل5 (5-fluorouracil)، اپیروبیسین (epirubicin) و سیس پلاتین (cisplatin).
شمایی از ترکیب داروها در دستگاه را می‌توان در شکل ۲ مشاهده کرد. این شکل بیانگر توانایی‌تر کیب داروها در یک دستگاه و هم چنین توانایی کنترل دوز داروها بطور جداگانه‌است.
شکل ۲: در دستگاه نشان داده شده، هر کدام از داروهای ECFدر مخزنی جداگانه ذخیره شده‌اند. پس دوزشان می‌تواند بطور مستقل از هم کنترل شود.
برای رساندن داروی ECF به بیماران مبتلا به سرطان معده، از ۴ روش زیر برای تولید یک پلت فرم میکروفلوئیدی قابل کنترل استفاده می‌کنند:
1) Microchannels
2) Electrodispersion
3) Dielectrophoretic
4) Microneedles
در این گزارش به دو روش اول اشاره خواهد شد.
روش Flow focusing (FF) geometry
در این روش، در تقاطع دوکانال، یکی از فازها از دو کانال عمودی تزریق می‌شود و به فاز دیگر فشار وارد می‌کند تا قطره تشکیل شود.(شکل ۳)
شکل ۳:استفاده از هیدرو دینامیک Flow focusing برای تولید قطره آغشته به روغن
قطرات امولسیون با اندازه‌های باریک، می‌توانند بوسیله بهره گیری از این رفتار هیدرودینامیکی درون سیستم‌های میکروفلوئیدی تولید شوند سیال داخلی (دارو) به درون روغن و سپس به درون سرم پراکنده می‌شود.
فاز درونی، فاز پراکنده شده (dispersed phase) و فاز بیرونی، فاز پیوسته (continuous phase) نام دارد.
از این روش به منظور حفاظت از سیال درونی (دارو) توسط سیال بیرونی (روغن) استفاده می‌شود. (شکل ۴)
شکل ۴
مزیت روش FF
هدف این روش دارورسانی تولید کوچکترین قطرات ممکن است. مزیت این روش توانی آن در کنترل دقیق بر تولید قطرات با اندازه‌ای در حدود چند صد نانومتر است. هر چه قدر قطرات بزرگتر باشند، پایداری شان کمتر است و احتمال اینکه با یکدیگر تماس پیدا کنند بیشتر می‌شود و این موجب تغییر شکل قطره و انعقاد آن می‌شود.
استفاده از سورفکتانت (surfactant)برای کوچکتر کردن قطرات
سورفکتانت‌ها موادی هستند که هر دو گروه آبدوست و آبگریز را دارا می‌باشند………… به همین علت، موجب کاهش کشش سطحی مایعات می‌شوند. چون کشش سطحی کاهش پیدا می‌کند، احتمال پیوستن قطرات به هم و ایجاد انعقاد بینشان کمتر می‌شود. در صورت اضافه کردن آن، باید واکنش دراز مدت بین دارو و سورفکتانت در نظر گرفته شود. (شکل ۵)
شکل ۵: برای کوچک‌تر کردن قطرات، می‌توان از سورفکتانت استفاده کرد و آن را با فاز پیوسته یا پراکنده مخلوط کرد.
عدد مویینگی
نحوه رفتار و شکل گیری قطره، بوسیله عدد مویینگی(Capillary Number) تعیین می‌شود. این عدد نمایش گر رابطه نیروی ویسکوزیته و کشش بین سطحی سیال است.
در معادله زیر، بیانگر ویسکوزیته فاز پیوسته، نمایش گر سرعت مشخصه و بیانگر کشش سطحی است.
پارامترهای حاکم بر شکل گیری قطره
و و پارامترهای حاکم بر شکل گیری قطره‌اند و به ترتیب نمایشگر نسبت سرعت جریان، نسبت ویسکوزیته و نسبت عرض دهانه خارجی به عرض دهانه داخلی هستند. در شکل ۶، می‌توان عرض دهانه‌ها را مشاهده کرد.
شکل ۶
علاوه بر روش flow focusing، روش دیگری نیز به منظور کاهش اندازه قطرات و افزایش سرعتشان وجود دارد و electrodispersion نام دارد. در شکل ۷ می‌توان مکان قرار دادن الکترودها جهت اعمال میدان الکتریکی و استفاده از روش electrodispersion را مشاهده کرد.
شکل ۷: در این شکل می‌توان در قسمت a محل قراردادن الکترودها را مشاهده کرد.
نتایج اعمال میدان الکتریکی
۱)شکستن قطرات برای رسیدن از قطر چند صد نانومتر به کمتر از ۱۰۰ نانومتر
۲)پراکنده کردن قطرات به فاز پیوسته(روغن وسرم) به منظور حداقل شدن انعقاد
آن‌ها با استفاده از میدان الکتریکی مدل شده و رفتار قطره در این ابزار میکرو را شبیه سازی کردند تا مقادیر بهینه را به دست آورند.
برای شبیه سازی رفتار سیال در ابزار میکرو، از الکترودهای طلا با فاصله ۱میکرومتر(در جهت x) و ۲ میکرومتر (در جهت y) و با ضخامت ۲۰ نانومتر استفاده کردند.
برای شبیه سازی گرادیان میدان در سیال، از معادلات زیر استفاده کردند.
با فرض صفر بودن قطبش الکتریکی (P) در سیال و ترکیب معادلات بالا، معادله زیر بدست می‌آید که از آن در شبیه سازی گرادیان میدان الکتریکی در الکترود استفاده شد.
در شبیه سازی با COMSOL، برای شبیه سازی سرم از خواص فیزیکی آب استفاده کردند. علت استفاده از سرم این است که می‌تواند قطرات را در طی تزریق، به راحتی به درون بافت حمل کند.
هم چنین، از خواص فیزیکی روغن دانه خشخاش برای شبیه سازی روغن استفاده کردند. روغن دانه خشخاش می‌تواند خاصیت سمی دارو را کاهش دهد و در عین حال، قدرت اثر دارو هنگام رسیدن به سلول بدخیم را حفظ کند.
برای جنس الکترودها از طلا و برای جنس دهانه‌ها در اتصال میکروکانال، از PDMS(پلی دی متیل سیلوکسان) استفاده کردند.
آهنگ جریان سیال در میکروکانال بصورت زیر انتخاب شد:
ماده
سرعت جریان در میکروکانال (L/min)
دارو
۰٫۰۱
روغن دانه خشخاش
۰٫۱
سرم
۱
برای شبیه سازی سرعت سیال در میکروکانال، از نمونه سیال لایه‌ای (laminar) و معادله ناویر استوکس و معادله پیوستگی استفاده شد و سیال تراکم ناپذیر و سیستم در حالت پایدار (steady-state) فرض شد.
سرعت قطرات، از مجموع سرعت ناشی از جریان حاصل از اعمال فشار driven flow و پمپ کردن بصورت electro-osmotic محاسبه می‌شود.
روش Pressure driven flow
در این روش، سیال به درون دستگاه پمپ می‌شود. سرعت سیال، همانطور که در شکل ۸ پیداست، در دیواره صفر می‌باشد.
شکل ۸
روش Electro-osmotic Pumping
اگر دیواره میکروکانال، دارای بار الکتریکی باشد، هنگام تماس مایع با دیواره، بارهای الکتریکی آزاد موجود درون مایع، جذب جامد می‌شوند و در نزدیکی جامد لایه‌ای ایجاد می‌کنند که به آن double electrical layer می‌گویند. درصورت اعمال میدان به موازات کانال، یون‌ها به سمت قطب مخالف حرکت می‌کنند و باعث حرکت سیال در نزدیکی دیواره می‌شود و سپس این حرکت توسط ویسکوزیته سیال، به کل آن منتقل می‌شود و فاز پراکنده شده درون فاز پیوسته حرکت می‌کند.(شکل 9)
شکل ۹
رابطه بین سرعت ناشی از جریان الکترواوسموتیک و جریان ناشی از فشار از رابطه زیر محاسبه می‌شود. در این رابطه، u سرعت ناشی از فشار است که در سه جهت اندازه گیری شد.
شکل ۱۰، گرادیان میدان الکتریکی و سرعت سیال در حضور و عدم حضور میدان را نشان می‌دهد.
ملاحظه می‌شود که هنگام برقراری میدان، سرعت قطرات بطور چشمگیری افزایش یافت.
شکل ۱۰
میدان الکتریکی با فرکانس رزونانس قطرات تنظیم شد تا قطرات از ابعاد ۵۰۰ نانومتر به کمتر از ۱۰۰ نانومتر برسند.
قدرت ماکسیمم میدان الکتریکی در طول حرکت سیال، محاسبه شد.