211service.com
Lab-on-a-chip gjord av papper
Genom att dra fördel av den naturliga rörelsen av vätska genom papper, forskare vid Harvard's Whitesides forskargrupp kan ha hittat ett sätt att göra mikrofluidikteknik mycket billigare. Resultatet kan bli diagnostiska engångstester som är enkla och rikliga nog för användning i utvecklingsländerna.
Färgkodning: Denna prototyp av ett nytt diagnostiskt test på papper från Harvard University analyserar innehållet av glukos (vänster brunn) och protein (höger brunn) i urin; den övre brunnen är en kontroll för glukosanalysen. Den beige delen av testpapperet har behandlats med en hydrofob polymer som kanaliserar vätskan i brunnarna. I detta test doppades papperet i en konstgjord urinlösning som innehöll glukos och ett protein extraherat från koblod.
Området mikrofluidik handlar om den exakta manipuleringen av små mängder vätska. En av dess mest lovande tillämpningar är den så kallade lab-on-a-chip, som kan fungera med mycket mindre vätskeprover än större enheter kräver, vilket potentiellt möjliggör mer portabla diagnostiska verktyg. Men befintliga mikrofluidchips är i allmänhet gjorda av jämförelsevis dyra material som kisel, glas eller plast och har små pumpar och ventiler som kan vara svåra att tillverka.
Nu har Harvards George Whitesides och hans team byggt en mikrofluidisk enhet på en fyrkant av papper som är lika stor som en pinky fingernagel. Det är det första exemplet jag har hört om pappersmikrofluidik, säger Albert Folch , en bioingenjör vid University of Washington som arbetar med mikrotillverkning. Det är verkligen smart eftersom det använder papper som substrat, vilket är universellt tillgängligt.
Medan större papperstester (som de för graviditet) är vanliga, minskar tillverkningskostnaderna genom att krympa papperet och minimera mängden nödvändiga kemiska reagenser. Förmågan att rikta provet till särskilda delar av papperet möjliggör samtidig utförande av flera tester, för att leta efter flera symptom på ett tillstånd, som njursvikt eller infektionssjukdom, säger Whitesides. Och att minska provstorleken är en särskild fördel i utvecklingsländer, där icke-invasiv insamling av små mängder vätskor undviker behovet av sprutor, som kan vara svåra att rengöra och kassera.
Ett nålstick av blod eller en droppe urin som sugs upp i kanten av Whitesides-enheten rör sig naturligt genom papperet, på ungefär samma sätt som vin sprids genom en pappersservett. Men papperet behandlas med en hydrofob polymer, som leder vätskan längs föreskrivna kanaler. När vätskan når brunnarna i ändarna av kanalerna interagerar den med reagenser, vilket gör att papperet får olika färger. Färgerna kan matchas med de på en färgnyckel, ungefär som de är i ett pH-test. En testdesign som ser ut som ett tregrenat, geometriskt träd i miniatyr kan ha brunnar i slutet av två grenar för en glukosanalys och en i slutet av den tredje för en proteinanalys, till exempel.
Designen undviker dyra komponenter som är vanliga i konventionella mikrofluidiska enheter: kemiska reaktioner som färgar delar av papperet ersätter sofistikerade sensorer och analysatorer, samtidigt som pappers naturliga kapillärverkan för att absorbera vätskor undviker behovet av externa pumpar eller strömkällor. Diagnostic for All – en spinoff som grundats av Whitesides och Harvard-besöksforskaren Hayat Sindi, med stöd av partners från MIT – kommersialiserar tekniken.
Istället för att etsa in kanaler i ett material, som de flesta mikrofluidikdesigners gör, kunde Whitesides och Sindi dra fördel av nätverket av kanaler som är inneboende i papper; den hydrofoba polymeren stänger helt enkelt av kanalerna som forskarna inte vill använda. Det som är riktigt smart med det här systemet är att de faktiskt har mönstrat hela volymen av substratet, förklarar Folch. Själva papperet bildar ett nätverk av kapillärer.
En nackdel som Folch noterar är att på grund av papperstesternas begränsade pumpverkan, kommer de förmodligen inte att kunna utföra mer komplicerade kemiska reaktioner.
Bortsett från att göra enheterna billigare, tänkte designarna på andra egenskaper som skulle göra dem mer praktiska i utvecklingsvärlden. Testets låga vikt och motståndskraft mot brott gör den mer bärbar än tester mönstrade på lätt krossade glasytor. Papperschipet är också lätt att kassera, genom förbränning, en viktig faktor i utvecklingsländer som är intresserade av att upprätthålla folkhälsan, säger Whitesides. Den typ av saker vi utvecklar här är avsedda att vara användbara för att screena folkhälsan i utvecklingsländerna, säger han. Istället för att ta förstavärldsmedicin och försöka minska den, började teamet designa tekniken med utvecklingsländer i åtanke, och koncentrerade sig på användarvänlighet, överkomliga priser och portabilitet, säger Whitesides.
För att optimera enheten för utvecklingsländer planerar teamet att kombinera papperstesterna med ett system av mobiltelefoner för diagnostik utanför platsen, vilket minimerar den expertis som behövs för att använda testerna. Det är i första hand ett sätt att bevara den värdefulla tiden och begränsade resurserna för hälsovårdsfolk, säger Whitesides. Teamet föreställer sig att på landsbygden där läkarna är begränsade, utför personer som är utbildade att endast utföra testerna och skickar tillbaka dem till en central anläggning där en läkare tittar på den informationen och [rekommenderar] diagnos och behandling utan att behöva faktiskt vara där, säger Whitesides.
Från och med nu har Whiteside och hans kollegor testat det pappersdiagnostiska verktyget med konstgjord urin. I en tidning som publicerades förra månaden analyserade de pappersresultaten på distans, via telefonkameror, och fann att resultaten var jämförbara i noggrannhet med analys på plats, säger Whitesides.
Nästa steg är en klinisk prövning och utplacering någonstans i Afrika, säger Sindi. Just nu testar teamet enheten under svåra förhållanden, säger hon, som högt tryck, temperatur och luftfuktighet. Än så länge verkar testet inte påverkas negativt, säger Whitesides. Teamet hoppas så småningom kunna gå bortom mänsklig diagnostik, utveckla enheter för att testa vatten, boskap och andra matkällor.
De typer av diagnostiska analyser du vill göra och de typer av problem du vill lösa är väldigt olika i den verkliga världen, säger Mehmet Fatih Yanik , en biträdande professor vid Research Laboratory of Electronics vid MIT. Det fina med papper är att det är en mycket flexibel plattform för att utföra en mängd olika analyser. Han tillägger att det är mycket billigare att tillverka mikrofluidiska enheter som Whitesides-gruppen än att tillverka bulkdiagnosmaskiner. Kombinationen av de två lågkostnadssystemen – pappersbaserade fluidics och mobiltelefoner, som är ganska allmänt förekommande i utvecklingsvärlden – det är en ny idé, säger Yanik.
Det ger verkligen ett verktyg som kommer att ha stor inverkan på implementeringen av mikrofluidik, en teknik som vanligtvis kräver mycket hårdvara och expertis att använda, säger Folch. De har sänkt barriären och kan föra mikrofluidik till massorna så att säga.