מיקרופלואידיקה

מִיקְרוֹפלואידיקָה (באנגלית: Microfluidics) הוא תת-תחום בענף הפלואידיקה העוסק בהתנהגות, בקרה ושליטה של זורמים, לרוב נוזלים בממדים זעירים בסדר גודל של מיקרונים (ובננופלואידיקה ננומטרים).

המחקר בתחום משלב היבטים בהנדסה, פיזיקה, כימיה, מיקרוטכנולוגיה וביוטכנולוגיה.

לתחום חשיבות רבה בהקשר של מערכות טכנולוגיות הפועלות בתווך נוזלי, בפרט בשימושים ביולוגיים. בפרט BioMEMS - רכיבים אלקטרונים ביולוגיים זעירים המשמשים למשל כביו-חיישנים תוך גופיים לניטור וטיפול ברקמות ותאים. תחום המיקרופלואידיקה החל להתפתח בשנות ה-80, ומשמש בפיתוח של ראשי מדפסות הזרקת דיו, שבבי DNA, טכנולוגיית מעבדה על שבב, מיקרו-הנעה ומיקרו-תרמודינמיקה.

התנהגות זורמים בממדים זעירים
התנהגות זורמים בממדים זעירים (מיקרו) שונה מהתנהגותם בממדים גדולים (מקרו) בנושאים כמו מתח פנים, פיזור אנרגיה והתנגדות זרימה, אשר מתחילים להיות דומיננטיים יותר ככל שממדי המערכת קטנים.

מיקרופלואידקה חוקרת כיצד התנהגות זו משתנה וכיצד ניתן לעקוף את מגבלות או לנצל את יתרונות השוני בהתנהגות לשימושים חדשים. בממדים זעירים (קוטר ערוץ של כ-100 ננומטר עד כמה מאות מיקרומטר) מתרחשות מספר תופעות אשר לעיתים אינן אינטואיטיביות. במיוחד, מספר ריינולדס (המשווה בין האפקט של מומנט של זורם לבין האפקט צמיגות) אשר מהווה חשיבות גדולה בהבחנת ההתנהגות ובאופן זה היה ניתן לקבוע את סוג הזרימה. מסקנה חשובה מכך היא שזורמים, כאשר הם מונחים זה לצד זה, לא בהכרח מתערבבים בצורה מסורתית, ומעבר מולקולרי ביניהם לעיתים קרובות חייב להיעשות באמצעות פעפוע מולקולרי. תכונה זו השפיעה על התקנים מיקרופלואידים.

אפקטים בתחום המיקרו
 זרימה למינרית
 מתח פנים
 הרטבה חשמלית (Electrowetting)
 רלקסציה תרמית מהירה
 מטען חשמל משטחי
 פעפוע

תחומי יישום 
מבנים מיקרופלואידים כוללים מערכות מיקרו פנאומטיות כמו מיקרו מערכות לטיפול בזורמים מחוץ לשבבים, off-chip (משאבות נוזלים, שסתומי גז וכו'), מבנים מיקרופלואידים לטיפול בזורמים בתוך שבבים, on-chip, בנפחי ננו ופיקו ליטר. היישום המסחרי הנפוץ ביותר עד כה הוא מדפסת הזרקת דיו.
ההתקדמות בתחום טכנולוגיית המיקרופלואידיקה הביאה למהפכה בתחום הפרוצדורות לניתוח אנזימים בביולוגיה מולקולרית כמו גלוקוז ותבחיני חומצה לקטית, ניתוח DNA כמו תגובת שרשרת של פולימראז וריצוף בעל תפוקה גבוהה ו-Proteomics. הרעיון המרכזי של ביו-שבבים מיקרופלואידיים הוא לשלב פעולות ניתוח (Assay) כמו גילוי וטיפול מוקדם של המדגם והכנת המדגם, הכל על אותו שבב.
יישום מתפתח וחדשני בתחום הביו-שבבים הוא פתולוגיה קלינית ובמיוחד האבחון המהיר והמיידי של מחלות. התקנים מבוססי פלואידיקה מסוגלים לדגום בצורה רציפה ולבדוק בזמן אמת דגימות אוויר ומים ולגלות רעלנים ביוכימיים ופתוגנים מסוכנים אחרים, מעין "ביו גלאי עשן" הפועל תמיד לגילוי מוקדם.

מיקרופלואידיקה רציפת זרימה
טכנולוגיה זו מבוססת על מניפולציה של זרימת נוזלים רציפה בערוצים בתוך מיקרו-שבבים. הנעה של זרימת נוזל מיושמת על ידי מקורות לחץ חיצוניים, משאבות מכניות חיצוניות, מיקרו-משאבות מכניות המשולבות בתוך השבב או מנגנונים אלקטרו-קינטיים. מיקרופלואידיקה רציפת זרימה היא הגישה העיקרית מאחר שהיא קלה למימוש ופחות רגישה לבעיות של זיהום חלבונים. התקנים רציפי זרימה מתאימים להרבה יישומים ביוכימיים פשוטים ומוגדרים היטב, וכן למשימות מסוימות כמו הפרדה כימית, אך הם פחות מתאימות למשימות המצריכות רמה גבוהה של גמישות מניפולציות זרימה מורכבות. מערכות סגורות ערוץ אלו מטבע יסודם קשים לשילוב ולמזעור מאחר שהמשתנים המשפיעים על הזרימה משתנים לאורך מסלולי הזרימה והופכים את הזרימה בכל נקודה למושפעת מהתכונות של כל המערכת. מיקרו מבנים המאולחים באופן קבוע גם הם גורמים לכוונון מחדש מוגבל וסובלנות נמוכה במצבי תקלה. אפשרויות בקרת תהליכים במערכות רציפי זרימה ברי ביצוע על ידי שימוש בחיישני זרימה מיקרופלואידים רגישים ביותר מבוססי טכנולוגיית MEMS, המאפשרת בקרה עד לגבול הננו-ליטר.

מיקרופלואידיקה ספרתית (מבוססת אגלי נוזל) 
אלטרנטיבות למערכות סגורות ערוץ ורציפות זרימה כוללות מבנים פתוחים חדשניים, בהן טיפות בדידות ובלתי תלויות נשלטות בצורה מבוקרת על מצע באמצעות אלקטרו-הרטבה . בדומה לאנלוגיה שנעשתה לגבי מיקרואלקטרוניקה ספרתית, גישה זו מכונה מיקרופלואידיקה ספרתית, אשר פותחה לראשונה באוניברסיטת דיוק. על ידי שימוש באגלי נוזל בעלי יחידת נפח בדידה, פונקציה מיקרופלואידית מצטמצמת למערכת של פעולות חוזרות ובסיסיות כמו העברת יחידה אחת של זורם במהלך יחידה אחת של מרחק. ה"דיגיטציה" של השיטה מסייעת בשימוש היררכי ומבוסס תא כגישה תכנונית לביו-שבב מיקרופלואידי.

שבבי DNA (מיקרו-מערכים) 
ביו-שבבים ותיקים היו מבוססים על הרעיון של מיקרו מערכי DNA.

ביולוגיה מולקולרית
ביו-שבבים מבוססי מיקרו מערכי DNA תוכננו גם לאלקטרופורזה דו-ממדית, ניתוח טרנסקריפטום והגברת PCR. יישומים אחרים כוללים אלקטרופורזה ויישומי כרומטוגרפיה נוזלית עבור חלבונים ו-DNA, הפרדת תאים, במיוחד הפרדת תאי דם, אנליזת חלבונים, מניפולציה וניתוח תאים כולל ניתוח ישימות תאי ולכידת מיקרואורגניזמים.

אופטיקה
מערכי מיקרו עדשות מתכווננות.

פליטת טיפות אקוסטית (ADE) 
בפליטת טיפות אקוסטית (Acoustic droplet ejection) נעשה שימוש בפולס אולטרהסוני להזזת כמויות קטנות של נוזל (בדרך כלל ננוליטר או פיקוליטר) ללא מגע פיזי.

תאי דלק
תאי דלק מיקרופלואידיקים מנצלים זרימה למינרית להפרדת דלק מהמחמצנים שלו ולבקר את האינטראקציה בין שני נוזלים ללא מחסום פיזיקלי כנדרש בתאי דלק רגילים.

מקורות

ראו גם 
 MEMS
 פלואידיקה
 ננופלואידיקה
 מעבדה על שבב
 איבר על שבב

לקריאה נוספת 
Microfluidics for Biotechnology - J. Berthier, P. Silberzan (A-H, 2006) WW

קישורים חיצוניים

הערות שוליים 

הידרודינמיקה
ננוטכנולוגיה
ביוטכנולוגיה
מיקרוטכנולוגיה