Lab-on-a-chip

Το εργαστήριο σε τσιπ (lab-on-a-chip - LOC) είναι συσκευή που ενσωματώνει μία ή περισσότερες εργαστηριακές λειτουργίες σε ένα ενιαίο ολοκληρωμένο κύκλωμα (κοινώς αποκαλούμενο "τσιπ") μόλις χιλιοστών έως μερικών τετραγωνικών εκατοστών για την επίτευξη αυτοματοποίησης και ελέγχου υψηλής απόδοσης. Τα LOC μπορούν να χειριστούν εξαιρετικά μικρούς όγκους υγρών σε λιγότερο από πικο-λίτρα. Οι συσκευές Lab-on-a-chip είναι ένα υποσύνολο των συσκευών μικροηλεκτρομηχανικών συστημάτων (MEMS) και μερικές φορές αποκαλούνται "συστήματα συνολικής μικροανάλυσης" (micro total analysis systems, µTAS). Τα LOC μπορούν να χρησιμοποιούν τη μικρορευστομηχανική, τη φυσική, το χειρισμό και τη μελέτη μικροσκοπικών ποσοτήτων υγρών. Ωστόσο, το αυστηρά θεωρούµενο "εργαστήριο σε ένα τσιπ" υποδηλώνει γενικά την κλιµάκωση µιάς ή περισσοτέρων εργαστηριακών διεργασιών σε µορφή τσιπ, ενώ το "µTAS" είναι αφιερωµένο στην ενσωµάτωση της συνολικής ακολουθίας εργαστηριακών διεργασιών για την εκτέλεση χηµικής ανάλυσης. Ο όρος "lab-on-a-chip" εισήχθη όταν αποδείχθηκε ότι οι τεχνολογίες µTAS ήταν εφαρμόσιμες για περισσότερους από μόνο σκοπούς ανάλυσης.

Ιστορία
Μετά την εφεύρεση της μικροτεχνολογίας (~1954) για την υλοποίηση ολοκληρωμένων δομών ημιαγωγών για μικροηλεκτρονικά τσιπ, αυτές οι τεχνολογίες που βασίζονται στη λιθογραφία εφαρμόστηκαν σύντομα και στην κατασκευή αισθητήρων πίεσης (1966). Λόγω της περαιτέρω ανάπτυξης αυτών των συνήθως περιορισμένης συμβατότητας με CMOS διεργασιών, έγινε διαθέσιμη μια εργαλειοθήκη για τη δημιουργία μηχανικών δομών μεγέθους μικρομέτρων ή υπομικρομέτρων σε πλακίδια πυριτίου: η εποχή των μικροηλεκτρομηχανικών συστημάτων (MEMS) είχε ξεκινήσει.

Δίπλα στους αισθητήρες πίεσης, τους αισθητήρες αερόσακων και άλλες μηχανικά κινητές δομές, αναπτύχθηκαν συσκευές χειρισμού ρευστών. Παραδείγματα είναι: κανάλια (τριχοειδείς συνδέσεις), αναμίκτες, βαλβίδες, αντλίες και συσκευές δοσομέτρησης. Το πρώτο σύστημα ανάλυσης LOC ήταν ένας αέριος χρωματογράφος, που αναπτύχθηκε το 1979 από τον S.C. Terry στο Πανεπιστήμιο του Στάνφορντ. Ωστόσο, μόνο στα τέλη της δεκαετίας του 1980 και στις αρχές της δεκαετίας του 1990 η έρευνα LOC άρχισε να αναπτύσσεται σοβαρά, καθώς μερικές ερευνητικές ομάδες στην Ευρώπη ανέπτυξαν μικροαντλίες, αισθητήρες ροής και τις έννοιες για ολοκληρωμένες επεξεργασίες ρευστών για συστήματα ανάλυσης. Αυτές οι έννοιες µTAS έδειξαν ότι η ενσωµάτωση των βηµάτων προεπεξεργασίας, που συνήθως γίνονται σε εργαστηριακή κλίµακα, θα µπορούσε να επεκτείνει τη λειτουργικότητα του απλού αισθητήρα προς µια πλήρη εργαστηριακή ανάλυση, συµπεριλαµβανοµένων πρόσθετων βηµάτων καθαρισµού και διαχωρισµού.

Μεγάλη ώθηση στο ερευνητικό και εμπορικό ενδιαφέρον δόθηκε στα μέσα της δεκαετίας του 1990, όταν αποδείχθηκε ότι οι τεχνολογίες µTAS παρέχουν ενδιαφέροντα εργαλεία για εφαρμογές γονιδιωματικής, όπως η τριχοειδής ηλεκτροφόρηση και οι μικροσυστοιχίες DNA. Μεγάλη ώθηση στην ερευνητική υποστήριξη δόθηκε επίσης από τον στρατό, ιδίως από την DARPA (Defense Advanced Research Projects Agency), για το ενδιαφέρον τους για φορητά συστήματα ανίχνευσης βιολογικών/χημικών πολεμικών παραγόντων. Η προστιθέμενη αξία δεν περιοριζόταν μόνο στην ενσωμάτωση εργαστηριακών διεργασιών για ανάλυση, αλλά και στις χαρακτηριστικές δυνατότητες των επιμέρους στοιχείων και στην εφαρμογή σε άλλες, μη αναλυτικές, εργαστηριακές διεργασίες. Ως εκ τούτου, εισήχθη ο όρος "lab-on-a-chip".

Αν και η εφαρμογή των LOCs είναι ακόμη νέα και μέτρια, παρατηρείται αυξανόμενο ενδιαφέρον από εταιρείες και ομάδες εφαρμοσμένης έρευνας σε διάφορους τομείς όπως η ανάλυση (π.χ. χημική ανάλυση, περιβαλλοντική παρακολούθηση, ιατρική διάγνωση και κυτταρομετρία) αλλά και η συνθετική χημεία (π.χ. ταχεία διαλογή και μικροαντιδραστήρες για φαρμακευτική). Εκτός από τις περαιτέρω εξελίξεις των εφαρμογών, η έρευνα στα συστήματα LOC αναμένεται να επεκταθεί και προς την υποβάθμιση των δομών χειρισμού υγρών, με τη χρήση νανοτεχνολογίας. Κανάλια υπομικρομετρικού και νανομετρικού μεγέθους, λαβύρινθοι DNA, ανίχνευση και ανάλυση μεμονωμένων κυττάρων και νανοαισθητήρες ενδέχεται να καταστούν εφικτά, επιτρέποντας νέους τρόπους αλληλεπίδρασης με βιολογικά είδη και μεγάλα μόρια. Έχουν γραφτεί πολλά βιβλία που καλύπτουν διάφορες πτυχές αυτών των συσκευών, συμπεριλαμβανομένης της μεταφοράς υγρών, των ιδιοτήτων του συστήματος, των τεχνικών ανίχνευσης και των βιοαναλυτικών εφαρμογών.

Υλικά και τεχνολογίες κατασκευής τσιπ

Η βάση για τις περισσότερες διαδικασίες κατασκευής LOC είναι η φωτολιθογραφία. Αρχικά οι περισσότερες διεργασίες ήταν σε πυρίτιο, καθώς αυτές οι καλά αναπτυγμένες τεχνολογίες προέρχονταν άμεσα από την κατασκευή ημιαγωγών. Λόγω των απαιτήσεων για π.χ. συγκεκριμένα οπτικά χαρακτηριστικά, βιολογική ή χημική συμβατότητα, χαμηλότερο κόστος παραγωγής και ταχύτερη κατασκευή πρωτοτύπων, αναπτύχθηκαν νέες διεργασίες όπως η χάραξη, εναπόθεση και συγκόλληση γυαλιού, κεραμικών και μετάλλων, η επεξεργασία πολυδιμεθυλοσιλοξάνης (PDMS) (π.χ. μαλακή λιθογραφία), η επεξεργασία πολυμερών θειολενολίνης εκτός στοιχειομετρίας (OSTEmer), η τρισδιάστατη εκτύπωση με βάση παχύ υμένιο και στερεολιθογραφία, καθώς και οι μέθοδοι ταχείας αναπαραγωγής μέσω ηλεκτρολυτικής επιμετάλλωσης, χύτευσης με έγχυση και ανάγλυφου. Η ζήτηση για φθηνή και εύκολη κατασκευή πρωτοτύπων LOC οδήγησε σε μια απλή μεθοδολογία για την κατασκευή μικρορευστομηχανών PDMS: ESCARGOT (Embedded SCAffold RemovinG Open Technology). Αυτή η τεχνική επιτρέπει τη δημιουργία μικρορευστολογικών καναλιών, σε ένα μόνο μπλοκ PDMS, μέσω ενός διαλυτού ικριώματος (που κατασκευάζεται π.χ. με τρισδιάστατη εκτύπωση). Επιπλέον, ο τομέας LOC ξεπερνά όλο και περισσότερο τα όρια μεταξύ της τεχνολογίας μικροσυστημάτων με βάση τη λιθογραφία, της νανοτεχνολογίας και της μηχανικής ακριβείας.

Πλεονεκτήματα
Τα LOC μπορούν να παρέχουν πλεονεκτήματα, τα οποία είναι ειδικά για την εφαρμογή τους. Τυπικά πλεονεκτήματα είναι:

χαμηλή κατανάλωση όγκων υγρών (λιγότερα απόβλητα, χαμηλότερο κόστος αντιδραστηρίων και λιγότεροι απαιτούμενοι όγκοι δειγμάτων για διαγνωστικά)
ταχύτεροι χρόνοι ανάλυσης και απόκρισης λόγω μικρών αποστάσεων διάχυσης, γρήγορης θέρμανσης, υψηλών λόγων επιφάνειας προς όγκο, μικρών θερμοχωρητικοτήτων.
καλύτερος έλεγχος διεργασιών λόγω ταχύτερης απόκρισης του συστήματος (π.χ. θερμικός έλεγχος για εξώθερμες χημικές αντιδράσεις)
συμπαγή συστήματα λόγω ενσωμάτωσης πολλών λειτουργιών και μικρών όγκων
μαζικός παραλληλισμός λόγω της συμπαγούς κατασκευής, ο οποίος επιτρέπει την ανάλυση υψηλής απόδοσης
χαμηλότερο κόστος κατασκευής, επιτρέποντας οικονομικά αποδοτικά τσιπ μίας χρήσης, που κατασκευάζονται σε μαζική παραγωγή
η ποιότητα των τμημάτων μπορεί να επαληθεύεται αυτόματα
ασφαλέστερη πλατφόρμα για χημικές, ραδιενεργές ή βιολογικές μελέτες λόγω της ενσωμάτωσης της λειτουργικότητας, των μικρότερων όγκων υγρών και των αποθηκευμένων ενεργειών

Μειονεκτήματα
Τα σημαντικότερα μειονεκτήματα των labs-on-chip είναι τα εξής:

Η διαδικασία μικροκατασκευής που απαιτείται για την κατασκευή τους είναι πολύπλοκη και εντάσεως εργασίας, απαιτώντας τόσο ακριβό εξοπλισμό όσο και εξειδικευμένο προσωπικό. Αυτό μπορεί να ξεπεραστεί με την πρόσφατη τεχνολογική πρόοδο στην τρισδιάστατη εκτύπωση χαμηλού κόστους και τη χάραξη με λέιζερ.
Το πολύπλοκο δίκτυο ρευστομηχανικής ενεργοποίησης απαιτεί πολλαπλές αντλίες και συνδέσμους, όπου ο λεπτός έλεγχος είναι δύσκολος. Μπορεί να ξεπεραστεί με προσεκτική προσομοίωση, μια εγγενή αντλία, όπως το τσιπ με ενσωματωμένο αερόσακο, ή με τη χρήση φυγόκεντρης δύναμης για :αντικατάσταση της άντλησης, δηλαδή φυγόκεντρο μικρο-ρευστομηχανικό βιοτσιπ.
Τα περισσότερα LOC είναι νέες εφαρμογές απόδειξης της έννοιας που δεν έχουν ακόμη αναπτυχθεί πλήρως για ευρεία χρήση. Απαιτούνται περισσότερες επικυρώσεις πριν από την πρακτική εφαρμογή.
Στην κλίμακα των μικρολίτρων με την οποία ασχολούνται τα LOC, οι επιφανειακές επιδράσεις όπως οι τριχοειδείς δυνάμεις, η τραχύτητα της επιφάνειας ή οι χημικές αλληλεπιδράσεις είναι πιο κυρίαρχες. Αυτό μπορεί μερικές φορές να κάνει την αναπαραγωγή εργαστηριακών διεργασιών σε LOC αρκετά δύσκολη και πιο πολύπλοκη από ό,τι σε συμβατικό εργαστηριακό εξοπλισμό.
Οι αρχές ανίχνευσης μπορεί να μην είναι πάντα θετικά κλιμακούμενες, οδηγώντας σε χαμηλό λόγο σήματος προς θόρυβο.

Παγκόσμια υγεία
Η τεχνολογία Lab-on-a-chip μπορεί σύντομα να αποτελέσει σημαντικό μέρος των προσπαθειών για τη βελτίωση της παγκόσμιας υγείας, ιδίως μέσω της ανάπτυξης συσκευών εξέτασης σε σημεία περίθαλψης. Σε χώρες με λίγους πόρους υγειονομικής περίθαλψης, οι μολυσματικές ασθένειες που θα μπορούσαν να θεραπευτούν σε ένα ανεπτυγμένο έθνος είναι συχνά θανατηφόρες. Σε ορισμένες περιπτώσεις, οι φτωχές κλινικές υγειονομικής περίθαλψης διαθέτουν τα φάρμακα για τη θεραπεία μιας συγκεκριμένης ασθένειας, αλλά δεν διαθέτουν τα διαγνωστικά εργαλεία για τον εντοπισμό των ασθενών που πρέπει να λάβουν τα φάρμακα. Πολλοί ερευνητές πιστεύουν ότι η τεχνολογία LOC μπορεί να είναι το κλειδί για νέα ισχυρά διαγνωστικά όργανα. Στόχος των ερευνητών αυτών είναι να δημιουργήσουν μικρορευστικά τσιπ που θα επιτρέπουν στους παρόχους υγειονομικής περίθαλψης σε φτωχά εξοπλισμένες κλινικές να εκτελούν διαγνωστικές εξετάσεις όπως μικροβιολογικές αναλύσεις καλλιέργειας, ανοσολογικές αναλύσεις και αναλύσεις νουκλεϊκών οξέων χωρίς εργαστηριακή υποστήριξη.

Παγκόσμιες προκλήσεις

Για να χρησιμοποιηθούν τα τσιπ σε περιοχές με περιορισμένους πόρους, πρέπει να ξεπεραστούν πολλές προκλήσεις. Στα ανεπτυγμένα έθνη, τα πιο πολύτιμα χαρακτηριστικά των διαγνωστικών εργαλείων περιλαμβάνουν την ταχύτητα, την ευαισθησία και την ειδικότητα, αλλά σε χώρες όπου η υποδομή της υγειονομικής περίθαλψης είναι λιγότερο ανεπτυγμένη, πρέπει επίσης να ληφθούν υπόψη χαρακτηριστικά όπως η ευκολία χρήσης και η διάρκεια ζωής. Τα αντιδραστήρια που συνοδεύουν το τσιπ, για παράδειγμα, πρέπει να είναι σχεδιασμένα έτσι ώστε να παραμένουν αποτελεσματικά για μήνες ακόμη και αν το τσιπ δεν φυλάσσεται σε κλιματικά ελεγχόμενο περιβάλλον. Οι σχεδιαστές των τσιπ πρέπει επίσης να έχουν κατά νου το κόστος, την επεκτασιμότητα και την ανακυκλωσιμότητα καθώς επιλέγουν τα υλικά και τις τεχνικές κατασκευής που θα χρησιμοποιήσουν.

Παραδείγματα παγκόσμιας εφαρμογής LOC

Μία από τις πιο εξέχουσες και γνωστές συσκευές LOC που έχουν φτάσει στην αγορά είναι το σετ για τεστ εγκυμοσύνης στο σπίτι, μια συσκευή που χρησιμοποιεί τεχνολογία μικρορευστοποίησης με βάση το χαρτί. Ένας άλλος ενεργός τομέας της έρευνας LOC αφορά τρόπους διάγνωσης και διαχείρισης κοινών μολυσματικών ασθενειών που προκαλούνται από βακτήρια, π.χ. βακτηριουρία ή ιούς, π.χ. γρίπη. Το χρυσό πρότυπο για τη διάγνωση της βακτηριουρίας (λοιμώξεις του ουροποιητικού συστήματος) είναι η μικροβιακή καλλιέργεια. Μια πρόσφατη μελέτη βασισμένη στην τεχνολογία lab-on-a-chip, Digital Dipstick, σμίκρυνε τη μικροβιολογική καλλιέργεια σε μορφή dipstick και επέτρεψε τη χρήση της στο σημείο περίθαλψης. Όσον αφορά τις ιογενείς λοιμώξεις, οι λοιμώξεις από τον ιό HIV αποτελούν ένα καλό παράδειγμα. Περίπου 36,9 εκατομμύρια άνθρωποι έχουν μολυνθεί με τον ιό HIV στον κόσμο σήμερα και το 59% αυτών των ανθρώπων λαμβάνουν αντιρετροϊκή θεραπεία. Μόνο το 75% των ατόμων που ζουν με τον ιό HIV γνώριζαν την κατάστασή τους στον ιό HIV. Η μέτρηση του αριθμού των CD4+ Τ λεμφοκυττάρων στο αίμα ενός ατόμου είναι ένας ακριβής τρόπος για να διαπιστωθεί εάν ένα άτομο έχει HIV και να παρακολουθηθεί η πρόοδος μιας λοίμωξης HIV. Προς το παρόν, η κυτταρομετρία ροής είναι το χρυσό πρότυπο για τη λήψη του αριθμού των CD4, αλλά η κυτταρομετρία ροής είναι μια περίπλοκη τεχνική που δεν είναι διαθέσιμη στις περισσότερες αναπτυσσόμενες περιοχές, επειδή απαιτεί εκπαιδευμένους τεχνικούς και ακριβό εξοπλισμό. Πρόσφατα αναπτύχθηκε ένα τέτοιο κυτταρόμετρο για μόλις 5 δολάρια. Ένας άλλος ενεργός τομέας της έρευνας LOC είναι ο ελεγχόμενος διαχωρισμός και η ανάμιξη. Σε τέτοιες συσκευές είναι δυνατή η γρήγορη διάγνωση και ενδεχομένως η θεραπεία ασθενειών. Όπως αναφέρθηκε παραπάνω, ένα μεγάλο κίνητρο για την ανάπτυξη αυτών των συσκευών είναι ότι μπορούν δυνητικά να κατασκευαστούν με πολύ χαμηλό κόστος. Ένας ακόμη τομέας έρευνας που εξετάζεται σε σχέση με το LOC είναι η ασφάλεια στο σπίτι. Η αυτοματοποιημένη παρακολούθηση των πτητικών οργανικών ενώσεων (VOC) είναι μια επιθυμητή λειτουργία για το LOC. Εάν αυτή η εφαρμογή γίνει αξιόπιστη, αυτές οι μικροσυσκευές θα μπορούσαν να εγκατασταθούν σε παγκόσμια κλίμακα και να ειδοποιούν τους ιδιοκτήτες σπιτιών για δυνητικά επικίνδυνες ενώσεις.

Επιστήμες των φυτών
Οι συσκευές Lab-on-a-chip θα μπορούσαν να χρησιμοποιηθούν για τον χαρακτηρισμό της καθοδήγησης των γυρεοσωλήνων στο Arabidopsis thaliana. Συγκεκριμένα, το φυτό σε ένα τσιπ είναι μια μικροσκοπική συσκευή στην οποία θα μπορούσαν να επωαστούν ιστοί γύρης και ωάρια για μελέτες φυτικών επιστημών.

Παραπομπές

Πηγές
 Geschke, Klank & Telleman, eds.: Microsystem Engineering of Lab-on-a-chip Devices, 1st ed, John Wiley & Sons. .



 (2012) Gareth Jenkins & Colin D Mansfield (eds): Methods in Molecular Biology – Microfluidic Diagnostics, Humana Press, 

Εξωτερικοί σύνδεσμοι

Κατηγορία:Νανοτεχνολογία
Κατηγορία:Αναδυόμενες τεχνολογίες