مروری جامع بر فناوری میکروفلوئیدیک
مقدمه
میکروفلوئیدیک بهعنوان مطالعه و دستکاری مایعات در مقیاس زیرمیلیمتری تعریف میشود. تصور کنید یک برد الکترونیکی، اما برای مایعات داریم؛ دستگاههای میکروفلوئیدیک که اغلب با عنوان تراشه یا chip شناخته میشوند، دارای کانالها و مجاری بسیار ریزی هستند که مایعات از درون آنها عبور میکنند. در این شرایط رفتار مایعات بهگونهای متفاوت ظاهر میشود که بستر مناسبی برای طراحی آزمایشهای نوآورانه و توسعه فناوریهای پیشرفته فراهم میکند. وقتی با این حجمهای کوچک کار میکنیم، میتوانیم چندین فرآیند (مثل مخلوطکردن، واکنشدادن، جداسازی) را در یک سیستم کوچک و خودکار ترکیب کرده و سیستمهایی یکپارچه مثل آزمایشگاه روی تراشه (Lab-on-a-Chip) بسازیم.
فناوری میکروفلوئیدیک بهعنوان پیوندی میان مهندسی و زیستشناسی، چشماندازهای نوینی در طراحی آزمایشگاههای مینیاتوری، کشت سلولی پیشرفته و مدلسازی دقیق بیماریها فراهم ساخته است. این سیستمهای میکروفلوئیدیک با بهرهگیری از حجمهای میکروسیال، امکان انجام فرآیندهای پیچیده آزمایشگاهی را در بستری قابلکنترل فراهم میکنند. از جمله مزایای برجسته این فناوری میکروفلوئیدیک میتوان به کاهش چشمگیر مصرف نمونه و مواد شیمیایی، افزایش حساسیت و دقت آزمایشها، کاهش ابعاد و فضای مورد نیاز نسبت به تجهیزات سنتی و قابلیت تنظیم دقیق پارامترهای فیزیکی و شیمیایی اشاره کرد. در این مقاله، مفاهیم پایه تا کاربردهای پیشرفته تراشههای میکروفلوئیدیک از طراحی تراشه و انتخاب مواد ساخت تا بازآفرینی عملکرد اندامهای انسانی در قالب پلتفرمهای اندام-روی-تراشه بررسی میشود.
تراشه میکروفلوئیدیک چیست و چگونه ساخته میشود؟
میکروفلوئیدیک علم و فناوری سیستمهایی است که از مایعات در حجمهای بسیار کم (در حدود از مرتبهٔ ۱۰ به توان منفی ۹ تا ۱۰ به توان منفی ۱۸ ) استفاده کرده و ویژگیهای آنها را مطالعه میکند. تراشه میکروفلوئیدیک الگوی دقیقی از میکروکانالهاست که بهصورت قالبگیری یا حکاکیشده طراحی میشود. هر تراشه میکروفلوئیدیک دارای ورودی و خروجیهایی است که سیالات از طریق این مسیرها به داخل تراشه تزریق شده یا از آن خارج میشوند. به طور دقیقتر ابتدا طراحی تراشهها با نرم افزارهایی مثل CAD (Computer-aided design) و SolidWorks صورت میگیرد.
شبیهسازی و تحلیل جریان، بهینهسازی و اعتبارسنجی تراشه طراحی شده با استفاده از نرمافزارهایی مثل کامسول (Multiphysics COMSOL) یا ANSYS Fluent صورت میگیرد. در اینجا مثالی داریم که برای بررسی دقیق رفتار سیال در تراشه از نرمافزارکامسول استفاده کرده است.
مثال بعدی مربوط به شبیهسازی با نرمافزارANSYS Fluent با هدف بررسی اثر عمق و شکل میکروولهای تراشه بر تحریک مکانیکی وارد بر اسفروئیدها (نوعی کشت سلولی سهبعدی) است. میکروول به عنوان یکی از هندسههای طراحی تراشه، محل کشت سلولی است.
روشهای ساخت رایج شامل استفاده از پرینتر سهبعدی، فوتولیتوگرافی و ماشینکاری (Micromilling) هستند. انتخاب روش ساخت تراشه میکروفلوئیدیک باید بر اساس پارامترهایی مثل طراحی تراشه، دقت ابعادی (Resolution)، شفافیت نوری، زیستسازگاری و محدودیتهای تجهیزات موجود انجام شود. نکته جالب در مورد اتاق فوتولیتوگرافی این است که این اتاق تمیزها به yellow room نیز معروف هستند؛ چراکه نوعی ماده پلیمری که در فرایند اجرایی به کار میرود (فوتورزیست) به نور آبی و نورهایی با فرکانس بالاتر از آن حساس است و نور اتاق باید به رنگ زرد باشد.
ویژگیهای جریان سیال در تراشه چگونه است؟
رفتار جریان سیال در سیستمهای میکروفلوئیدیک با پارامترهایی مانند چگالی، ویسکوزیته، گرادیان سرعت (Velocity Gradient) و عدد رینولدز (Reynolds Number) توصیف میشود. این پارامترها پایهای برای طراحی و توسعه انواع مختلف تراشههای میکروفلوئیدیک فراهم میسازند. کاربر میتواند با تنظیم این متغیرها، نرخ جریان (Flow Rate) و جهت حرکت سیال را کنترل کند. همچنین، هندسه کانال و ویژگیهای فیزیکی سیال نقش مهمی در تنظیم دقیق جریان ایفا میکنند. بسته به نوع کاربرد، سیستمهای میکروفلوئیدیک از مکانیسمهای مختلفی برای ایجاد نیروهای محرک جریان بهره میبرند و به تغییرات متنوعی در پارامترهای میکروکانال نیاز دارند. در ادامه به تعریف چهار پارامتر ذکر شده میپردازیم.
- گرادیان سرعت
گرادیان سرعت به نرخ تغییر سرعت بین دو نقطه یا دو لایه مجاور درون سیال گفته میشود. در جریان سیال، لایههای مختلف ممکن است با سرعتهای متفاوتی حرکت کنند؛ این تفاوت در سرعت، در واحد فاصله، همان گرادیان سرعت است. اختلاف سرعت بین لایهها باعث ایجاد اصطکاک و اعمال نیروهایی بر سطح مشترک آنها میشود؛ این نیروها همان تنش برشی هستند.
- عدد رینولدز
عدد رینولدز (Reynolds) یک شاخص بدون بعد در دینامیک سیالات است که الگوی جریان سیال را با مقایسه نیروهای اینرسی و ویسکوزیته بررسی میکند. این عدد تعیینکننده نوع جریان سیال است؛
در عدد رینولدز پایین، نیروهای ویسکوز غالباند و جریان بهصورت لایهای (Laminar) و یکنواخت است.
در عدد رینولدز بالا، نیروهای اینرسی غالب میشوند و جریان بهصورت آشفته (Turbulent) با گردابهها و ناپایداریهای پیچیده ظاهر میشود.
برای تجسم این تفاوت، جریان را میتوان به یک دایره چرخان از افراد تشبیه کرد که دستهای یکدیگر را گرفتهاند. قدرت گرفتن دستها نمایانگر ویسکوزیته و سرعت چرخش دایره نمایانگر اینرسی است. اگر قدرت گرفتن دستها زیاد باشد (عدد رینولدز پایین)، دایره پایدار میماند و جریان لایهای رخ میدهد؛ اما با افزایش سرعت چرخش (عدد رینولدز بالا)، دستها رها میشوند و دایره از هم میپاشد که نمایانگر جریان آشفته است.
عدد رینولدز با استفاده از رابطه زیر محاسبه میشود:
- چگالی و ویسکوزیته
چگالی بهعنوان جرم در واحد حجم یک ماده تعریف میشود و یکی از خواص بنیادی سیالات است که بر نحوه تعامل آنها با محیط اطراف تأثیر میگذارد و ویسکوزیته به میزان مقاومت سیال در برابر تغییر شکل یا حرکت لایهها نسبت به یکدیگر اشاره دارد. چگالی و ویسکوزیته مستقیماً وارد فرمول عدد رینولدز میشوند.
روشهای تولید جریان در تراشههای میکروفلوئیدیک
حرکت مایعات در کانالهای تراشه یکی از مسائل اصلی در طراحی میکروفلوئیدیک است؛ به این معنی که طراحی تراشه مدل استاتیک یا دینامیک باشد. در حالت کشت استاتیک سیال پس از تزریق اولیه در تراشه باقی میماند درحالیکه در کشت دینامیک جریان مداوم یا متناوب رخ میدهد. بنابراین سیستمهای تولید جریان به دو دسته کلی تقسیم میشوند:
- سیستمهای فعال
در این روش، جریان با استفاده از تجهیزاتی مانند پمپها، valveهای سلونوئیدی، میکروپمپها یا اعمال نیروهای مغناطیسی، الکتریکی و حرارتی ایجاد میشود. این سیستمها کنترل دقیقتری بر جریان دارند و برای سیستمهای پیچیده مناسباند.
- سیستمهای فعال
- سیستمهای غیرفعال
در این روش با بهرهگیری از ویژگیهای ذاتی سیال و طراحی هندسی تراشه، جریان را از طریق مکانیسمهایی مانند کشش سطحی، فشار هیدرواستاتیک، اسمز، نیروی گرانش، مکش خلأ و موئینگی هدایت میکنند. هر یک از این روشها مزایا و محدودیتهای خاص خود را دارند. این رویکردها بهدلیل سادگی، هزینه پایین، قابلیت حمل و عدم نیاز به تجهیزات پیچیده، مورد توجه هستند.
علاوه بر این دسته بندی، مدلهای نیمه دینامیک هم وجود دارند که به معنی استفاده از پمپها در بخشی از فرایند کار با تراشه و نه تمام فرایند است. برای مثال مدل نیمهدینامیک تراشه گوارشی مینیاتوری که معده را بهصورت دینامیک و روده را بهصورت ایستا شبیهسازی میکند. این تراشه گوارشی مینیاتوری با استفاده از میکروپمپهای پریستالتیک، حسگرهای pH و دما، فرآیندهایی مانند اسیدیشدن تدریجی، تزریق مرحلهای آنزیمها و تخلیه معده به روده را بازسازی میکند. این سیستم میتواند برای بررسی زیستدسترسی ترکیبات نانومهندسیشده و داروهای گرانقیمت در مراحل اولیه توسعه بسیار مؤثر باشد.
تراشههای میکروفلوئیدیک از چه موادی ساخته میشوند؟
مواد مورد استفاده در ساخت تراشههای میکروفلوئیدیک به شش گروه تقسیم میشوند:
۱. شیشه و سیلیکون
بهعنوان نخستین نسل از مواد مورد استفاده در ساخت تراشههای میکروفلوئیدیک شناخته میشوند، اما هزینه بالای ساخت، عدم شفافیت برای سیلیکون و برخی محدودیتهای دیگر استفاده گستردهشان را محدود کرده است.
۲. الاستومرها
PDMS رایجترین پلیمر آلی مبتنی بر سیلیکون در ساخت تراشههای میکروفلوئیدیک است. این ماده یک الاستومر لاستیکیشکل، شفاف از نظر نوری، زیستسازگار، خنثی، غیرسمی و غیرقابل اشتعال است. تراشههای PDMS بهدلیل انعطافپذیری بالا، قابلیت نفوذپذیری به گازی و سهولت نمونهسازی، بهعنوان یکی از پرکاربردترین پلتفرمها در طراحی سیستمهای میکروفلوئیدیک شناخته میشوند.
از آنجا که PDMS دارای خواص مکانیکی لاستیکیشکل است، قطعات ساختهشده از آن، بهویژه در ضخامتهای کمتر از ۱ میلیمتر، از استحکام کافی برخوردار نیستند. این قطعات اغلب به اسلایدهای شیشهای میکروسکوپ، کاورگلسهای نازک، یا زیرلایههای شیشهای با ابعاد سفارشی متصل میشوند. اتصال محکم و پایدار بین PDMS و شیشه ضروری است؛ در غیر این صورت احتمال نشت سیال از کانالهای میکروفلوئیدیک وجود دارد. برای اتصال دائمی از روش Plasma Bonding استفاده میشود.
۳. ترموپلاستیکها
ترموپلاستیکها (مثل PMMA، پلی کربنات و پلی استر) برای تولید انبوه مناسباند و زمانی بهکار میروند که نیاز به ساخت تراشههایی با ساختار سخت و مقاوم باشد، اما اتصال آنها به سطوح دیگر نیازمند روشهای خاصی است.
۴. پلیمرهای گرماسخت (Thermosetting Polymer)
این دسته شامل رزینهایی است که با نور سخت میشوند و برای ساخت تراشه در پرینت سهبعدی و لیتوگرافی نوری استفاده میشوند.
۵. کاغذ
تراشههای میکروفلوئیدیک کاغذی (Paper-Based Microfluidic Devices) ابزارهای تشخیصی ساده، قابل حمل و کمهزینهای هستند که با استفاده از انواع جنسهای مختلف از کاغذ طراحی میشوند و حرکت سیال در آنها از طریق کشش موئینگی انجام میگیرد. این تراشهها بهویژه برای سیستمهای تشخیص در محل مناسباند.
۶. هیدروژل
هر چند در برخی طراحیها، ممکن است از هیدروژل در ساخت کل تراشه نیز بهره گرفته شود، اما به طور معمول در کاربردهای مرتبط با سلولهای زنده، مهندسی بافت و کشت سهبعدی سلولی بهعنوان داربست زیستی استفاده میشود؛ این مواد با فراهم آوردن محیطی سهبعدی، امکان مدلسازی دقیق ماتریکس خارجسلولی و برقراری تعاملات بینسلولی را فراهم میکنند.
کاربرد تراشههای میکروفلوئیدیک
تراشههای میکروفلوئیدیک در حوزههای مختلف علوم زیستپزشکی کاربرد دارند، از جمله:
- کشت سلول
- شمارش و جداسازی سلولها
- تحلیل فلوسایتومتری و دستکاری سلولی
- تحلیل ژنتیکی شامل PCR و توالییابی DNA
- غربالگری سریع بیوشیمیایی و دارویی
- بازسازی بافتهای انسانی (organ-on-a-chip)
- تحلیل پاسخهای ایمنی و التهابی
- توسعه پلتفرمهای point-of-care برای تشخیص سریع
- شناسایی عوامل بیماریزای غذایی
کشت سلول روی تراشه و مدلهای پیشرفته
تراشههای میکروفلوئیدیک نوع جدیدی از ظروف کشت سلولی هستند که توانایی ما را در کنترل ریزمحیط سلولی بهطور چشمگیری گسترش میدهند. بهعنوان یک رویکرد نوین، امکان بازآفرینی دقیقتر ریزمحیط سلولی را فراهم میسازد و محدودیتهای سیستمهای کشت سنتی را در کنترل فضایی و زمانی برهمکنشهای سلول–محیط برطرف میسازد. طراحی فیزیکی این تراشهها، از جمله هندسه کانالها، حجم مؤثر کشت و الگوهای جریان نقش کلیدی در شکلگیری گرادیانهای پایدار فاکتورهای محلول و تنظیم تعاملات سلول–سلول و سلول–ماتریکس ایفا میکند. مطالعات نشان دادهاند که حتی تغییرات جزئی در ارتفاع کانال یا نرخ جریان میتواند بر زندهمانی، عملکرد و بیان ژن سلولها تأثیرگذار باشد. این سیستمهای میکروفلوئیدیک نهتنها برای کشت دوبعدی (تکلایه و معلق) بلکه برای کشت سهبعدی نیز بهکار رفتهاند و امکان ایجاد ساختارهای پیچیده را فراهم کردهاند.
فراتر از مدلهای سهبعدی روی تراشه، رویکردهایی که بتوانند ارتباط زیستی مدلهای کشت سلولی فعلی را افزایش دهند و در عین حال بازدهی را حفظ یا افزایش دهند، مورد توجه جدی جامعه علوم زیستی هستند. هدف اصلی در طراحی سیستمهای کشت سلولی، بازسازی دقیقتر ریزمحیط تومور یا بافتهای طبیعی است. این هدف مستلزم استفاده از کشت همزمان چند نوع سلول (co-culture) در بسترهای میکروفلوئیدیک است. کشت همزمان سلولی نیازمند حفظ شرایط کشت ایدهآل است، شرایطی که بهشدت متغیر و وابسته به نوع سلول و هدف آزمایش است. همکشتی به هر نوع سیستم کشت اطلاق میشود که در آن دو یا چند جمعیت سلولی متمایز بهطور همزمان در یک محیط مشترک یا در محیطهای مرتبط با هم قرار میگیرند، بهطوری که تعاملات بینسلولی امکانپذیر باشد. این تعاملات میتوانند شامل تبادل سیگنالهای محلول، تماس فیزیکی سلول-سلول یا سلول-ماتریکس خارج سلولی باشد. مثال این مدل پلتفرم میکروفلوئیدیک چهارعضوی (four-organ-chip) است که امکان کشت همزمان و طولانیمدت (28روز) ردههای سلولی انسانی روده، کبد، پوست و کلیه را فراهم میسازد. این سیستم با بهرهگیری از میکروپمپهای پریستالتیک و طراحی دو مدار مجزا برای جریان خون مصنوعی و دفع متابولیتها، امکان تبادل سیگنالهای محلول، جذب، متابولیسم و دفع را بهصورت مرحلهای و قابل ردیابی فراهم میسازد.
سیستمهای میکروفلوئیدیک ماژولار نیز امکان کشت همزمان چندین رده سلولی را در پیکربندیهای متنوع (سری، موازی، و ترکیبی) فراهم میسازند. طراحی ماژولار سیستم اجازه میدهد تا هر تراشه بهصورت مستقل یا در ترکیب با سایر تراشهها مورد استفاده قرار گیرد و ترتیب فضایی و جهتگیری آنها متناسب با هدف آزمایش تغییر یابد. در مجموع، این سیستم نمونهای از نسل جدید پلتفرمهای همکشت چندسلولی است که با هدف بازسازی ساختارهای شبهاندام و مطالعه تعاملات بینبافتی طراحی شده است.
در راستای توسعه مدلهای پیشرفتهتر و نزدیکتر به شرایط فیزیولوژیک برای مطالعه تعاملات بین سلولی، ارگانهایی مانند ریه، روده، کبد، کلیه، مغز، پوست، مغز استخوان و بافت چربی از طریق کانالهای میکروفلوئیدیک به یکدیگر متصل شدهاند تا جریان خون و لنف را بازسازی کنند و عملکرد واقعی اندامهای انسانی را با حضور سلولهای ایمنی بازسازی کنند.
این سیستمهای چندارگانی نهتنها برای بررسی بیماریهای پیچیده مانند سرطان، التهاب مزمن، و بیماریهای خودایمنی کاربرد دارند، بلکه بستری قدرتمند برای غربالگری دارو، ارزیابی سمیت و توسعه درمانهای شخصیسازیشده فراهم میکنند. این نوع پلتفرمها بهعنوان نسل جدید مدلهای immunocompetent، توانایی بازسازی پاسخهای ایمنی در سطح سیستمیک را دارند و میتوانند جایگزینی مؤثر برای مدلهای حیوانی باشند؛ بهویژه با تصویب قانون FDA Modernization Act ۲.۰ که مسیر قانونی استفاده از مدلهای پیشرفته in vitro را بهجای تستهای حیوانی هموار کرده است. با این حال، برخی پژوهشگران بر این باورند که فناوری میکروفلوئیدیک هنوز در جستجوی یک کاربرد تحولآفرین (killer application) است، کاربردی که بتواند در قالب یک سیستم نمونه تا پاسخ (sample-to-answer)راهحلی جامع و قابل اتکا ارائه دهد که بهطور چشمگیر از روشهای فعلی مؤثرتر، سریعتر و مقرونبهصرفهتر باشد. به امید روزی که مدلهای روی تراشه بتوانند جایگزین مدلهای حیوانی شوند…
منابع | References
بهار مانی
