(luchschen/iStock/Getty Images) Wenn Sie an Mikro- oder Nanotechnologie denken, denken Sie wahrscheinlich an kleine Elektronikgeräte wie Ihr Telefon, einen winzigen Roboter oder einen Mikrochip.
Aber COVID 19 Tests – die sich als zentral für die Kontrolle erwiesen haben Pandemie – sind ebenfalls eine Form miniaturisierter Technik. Viele COVID-19-Tests können innerhalb von Stunden Ergebnisse liefern, ohne dass eine Probe an ein Labor geschickt werden muss Die meisten dieser Tests verwenden einen Ansatz namens Mikrofluidik .
Ich bin ein Professor für Bioingenieurwesen und arbeite für meine Forschung mit Mikrofluidik.
Von Schwangerschaftstests über Glukosestreifen und Tintenstrahldrucker bis hin zu Gentests ist alles auf Mikrofluidik angewiesen. Diese Technologie, von der viele Menschen nichts wissen, ist überall und für viele Dinge, die die moderne Welt bestimmen, von entscheidender Bedeutung.
Was ist Mikrofluidik?
Mikrofluidische Systeme sind alle Geräte, die kleinste Flüssigkeitsmengen verarbeiten. Die Flüssigkeiten strömen durch Kanäle, die dünner als ein Haar sind, und winzige Ventile können den Fluss ein- und ausschalten. Diese Kanäle bestehen aus Materialien wie Glas, Polymeren, Papier oder Gelen.
Eine Möglichkeit, Flüssigkeiten zu bewegen, ist die Verwendung einer mechanischen Pumpe. Eine andere Möglichkeit besteht darin, die zu verwenden Oberflächenladungen bestimmter Materialien ; und noch eine andere besteht darin, das sogenannte zu verwenden Kapillarwirkung – besser bekannt als Dochtwirkung . Dochtwirkung ist der Prozess, durch den die Energie in der Flüssigkeit gespeichert wird treibt die Flüssigkeit durch enge Räume .
In kleinen Maßstäben verhalten sich Flüssigkeiten auf unintuitive Weise. Stellen Sie sich nicht den turbulenten, chaotischen Fluss vor, der aus einem Gartenschlauch oder Ihrem Duschkopf kommt. Stattdessen wird in den begrenzten Volumina eines Mikrokanals Ströme sind unheimlich stabil .
Flüssigkeiten bewegen sich in organisierten parallelen Strömen durch den Kanal – die sogenannte laminare Strömung. Die laminare Strömung ist eines der großen Wunder mikrofluidischer Systeme. Es folgen die Flüssigkeiten und Partikel in laminarer Strömung Wege, die mathematisch vorhersehbar sind – eine Notwendigkeit für die Präzisionstechnik und das Design medizinischer Geräte.
Diese für Forscher inspirierenden Prozesse gibt es in der Natur schon seit Äonen. Pflanzen transportieren Nährstoffe von ihren Wurzeln bis zu den höchsten Zweigen mithilfe der Kapillarität, der Inspiration für Mikrofluidische Schaltkreise, die autonom angetrieben werden .
Chemiker haben Geräte entwickelt, die die physikalischen Eigenschaften von Regentropfen nachahmen und eine Probe zerkleinern Millionen von Tröpfchen und analysieren sie in schwindelerregender Geschwindigkeit . Jedes Tröpfchen ist im Wesentlichen ein winziges chemisches Labor, das es Chemikern unter anderem ermöglicht, die Entwicklung von Biomolekülen zu untersuchen und ultraschnelle genetische Analysen durchzuführen.
Und schließlich ist jeder Winkel des menschlichen Körpers mikrofluidisch. Ohne komplizierte Blutkapillaren, die jede Zelle mit Nahrung, Sauerstoff und Signalmolekülen versorgen, könnten wir weder geboren werden noch funktionieren.
Die Vorteile winziger Technologie
Ähnlich wie bei der Mikroelektronik kommt es auch bei der Mikrofluidik auf die Größe an.
Da die Komponenten kleiner werden, können Geräte auf die seltsamen Eigenschaften von Flüssigkeiten in winzigen Maßstäben zurückgreifen arbeiten schneller und effizienter und sind kostengünstiger in der Herstellung . Die Mikrofluidik-Revolution hat ihr elektronisches Gegenstück stillschweigend huckepack getragen.
Ein weiterer großer Vorteil mikrofluidischer Geräte besteht darin, dass sie nur sehr geringe Flüssigkeitsmengen benötigen und daher winzig klein sein können.
Die NASA hat darüber nachgedacht Mikrofluidik-Analysatoren für seine Marsrover seit langem . Auch die Analyse wertvoller Flüssigkeiten – wie etwa menschliches Blut – profitiert von der Möglichkeit, kleine Proben zu verwenden. Beispielsweise sind Glukosemessgeräte mikrofluidische Instrumente, die nur einen Tropfen Blut benötigen, um den Blutzucker eines Diabetikers zu messen.
Mikrofluidik in Technik, Biologie und Medizin
Die Chancen stehen gut, dass Sie in Ihrem Leben häufig Mikrofluidik verwenden. Tintenstrahldrucker verschießen winzige Tintentröpfchen. 3D-Drucker pressen geschmolzenes Polymer durch eine Mikrofluidikdüse aus. Die Tinte in Füllfederhaltern und Kugelschreibern fließt über mikrofluidische Prinzipien. Vernebler für Asthmapatienten versprühen einen Nebel aus mikroskopisch kleinen Medikamententröpfchen. Ein Schwangerschaftstest basiert auf dem Urinfluss innerhalb eines mikrofluidischen Papierstreifens.
In der wissenschaftlichen Forschung kann die Mikrofluidik Medikamente, Nährstoffe oder beliebige Flüssigkeiten zu ganz bestimmten Teilen von Organismen leiten, um biologische Prozesse genauer zu simulieren.
Zum Beispiel haben Forscher Würmer wurden in Kanälen gefangen und mit Gerüchen angeregt um etwas über neuronale Schaltkreise zu lernen. Ein anderes Team richtete Nährstoffe auf bestimmte Bereiche einer Pflanzenwurzel, um sie zu beobachten unterschiedliche Reaktionen auf Wachstumschemikalien .
Andere Gruppen haben mikrofluidische Fallen entwickelt, die physikalisch funktionieren Erfassen Sie seltene Tumorzellen aus dem Blut .
Eine Vielzahl mikrofluidischer genetischer Chips bieten die Möglichkeit dazu das menschliche Genom schnell sequenzieren und personalisierte DNA-Tests durchführen, z 23andMe eine Wirklichkeit. Ohne Mikrofluidik wäre das alles nicht möglich gewesen.
Die Zukunft der Mikrofluidik
Mikrofluidik wird von entscheidender Bedeutung sein, um die Medizin in ein neues, schnelllebiges und erschwingliches Zeitalter zu führen. Tragbare Geräte, die Substanzen im Schweiß messen zur Trainingsüberwachung und implantierbare Geräte, die Krebsmedikamente lokal an den Tumor eines Patienten abgeben sind einige der nächsten Grenzen der biomedizinischen Mikrofluidik.
Forscher entwickeln komplexe, faszinierende Mikrofluidiksysteme namens Organe auf einem Chip die darauf abzielen, verschiedene Aspekte der menschlichen Physiologie zu simulieren.
In meinem eigenen Labor und anderen Laboren auf der ganzen Welt entwickeln Teams Tumor-on-a-Chip-Plattformen zum Testen Krebs Medikamente effizienter einsetzen. Diese Patienten-Avatare werden es Wissenschaftlern ermöglichen, neue Behandlungen auf eine Weise zu testen, die nicht mit den Kosten, dem Leiden und den ethischen Problemen verbunden ist, die mit Tests an Tieren oder Menschen verbunden sind.
In meinem Labor zerlegen wir zunächst eine Tumorbiopsie eines Krebspatienten in Tausende mikroskopisch kleine regelmäßige Stücke, die wir am Leben halten. Aufgrund ihrer geringen Größe können wir Mikrofluidik nutzen Fangen Sie die winzigen Tumorstücke in mehreren Vertiefungen ein , eine Vertiefung pro Medikament.
Diese Proben bewahren die geeignete zelluläre Umgebung des Tumors, wodurch wir genauer vorhersagen können, wie ein Medikament bei einer bestimmten Person wirken wird.
Stellen Sie sich vor, Sie gehen zum Arzt, lassen sich eine Biopsie entnehmen und in weniger als einer Woche kann der Arzt mithilfe unseres Mikrofluidikgeräts herausfinden, welcher Medikamentencocktail am besten zur Entfernung Ihres Tumors geeignet ist. Das liegt noch in der Zukunft, aber wir wissen, dass die Zukunft mikrofluidisch sein wird.
Albert Folch , Professor für Bioingenieurwesen, Universität von Washington .
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