Μικρορευστομηχανική και οι εφαρμογές της

Η μικρορευστομηχανική (microfluidics) είναι ο κλάδος της επιστήμης και της τεχνολογίας που ασχολείται με τη μελέτη και τις τεχνολογικές εφαρμογές των ρευστών σε μικροκλίμακα. Ο κλάδος πρωτοεμφανίστηκε τη δεκαετία του 1980 και έκτοτε έχει συνδράμει στην ανάπτυξη πολλών καινοτόμων προϊόντων και τεχνικών.

 Τα συστήματα μικροροής διαχειρίζονται ρευστά που έχουν πολύ μικρό όγκο (της τάξης των νανολίτρων, αλλά φτάνοντας και πολύ πιο χαμηλά, στην τάξη των αττολίτρων) σε μικροκανάλια που έχουν διαστάσεις της κλίμακας των μικρομέτρων. Σε αυτές τις κλίμακες, οι ιδιότητες των ρευστών διαφέρουν σημαντικά από τις ιδιότητές τους σε μακροκλίμακες. Το μεγάλο εμβαδό επιφάνειας των ρευστών σε μικροκανάλια σε σύγκριση με τον μικρό τους όγκο έχει ως αποτέλεσμα την ενισχυμένη επίδραση δυνάμεων όπως η επιφανειακή τάση, οι ηλεκτροστατικές αλληλεπιδράσεις και τα τριχοειδή φαινόμενα, ενώ οι δυνάμεις αδράνειας είναι αμελητέες. Αυτό έχει ως συνέπεια, για παράδειγμα, τη γραμμική ροή ρευστών σε μικροκανάλια. Η έλλειψη τυρβώδους ροής σημαίνει ότι ρευστά που βρίσκονται σε επαφή μεταξύ τους δεν αναμιγνύονται (όπως θα συνέβαινε στον μακρόκοσμο) και οι μοριακές μεταφορές μεταξύ τους ελέγχονται εξ ολοκλήρου από φαινόμενα διάχυσης. Αυτά τα χαρακτηριστικά της ροής σε μικροκανάλια μπορούν να αξιοποιηθούν για να επιτευχθούν αντιδράσεις και αναλύσεις με ελεγχόμενο τρόπο, σε μεγαλύτερη ταχύτητα (λόγω της μικρότερης κλίμακας) και καταναλώνοντας πολύ μικρούς όγκους αντιδραστηρίων. Γι’ αυτό το λόγο τα συστήματα μικροροής έχουν ονομαστεί και lab-on-a-chip, καθώς είναι μικροσυσκευές που μπορούν να ενσωματώσουν πολλές λειτουργίες ενός εργαστηρίου σε ένα μικρό τσιπ.

Ένα μεγάλο πλεονέκτημα των συστημάτων μικροροής είναι ότι μπορούν να συνδυαστούν με διάφορες αναλυτικές μεθόδους για την ανάλυση χημικών αντιδράσεων ή βιολογικών διεργασιών σε πραγματικό χρόνο. Οι κυριότερες μέθοδοι που έχουν χρησιμοποιηθεί γι’ αυτόν τον σκοπό είναι η οπτική μικροσκοπία και η ανίχνευση φθορισμού, λόγω της ευαισθησίας τους και της ταχύτητας των μετρήσεων που μπορούν να επιτευχθούν. Ωστόσο, κι άλλες αναλυτικές μέθοδοι έχουν χρησιμοποιηθεί για την ανάλυση των μικρορευστών όπως η φασματομετρία μάζας και η μέθοδος SERS (επιφανειακά ενισχυμένη φασματοσκοπία Ραμάν).

Η ανάπτυξη της μικρορευστομηχανικής τις τελευταίες δεκαετίες έχει επιφέρει σημαντικές προόδους σε διάφορους τομείς, συμπεριλαμβανομένης της βιοϊατρικής, της χημείας και της φαρμακευτικής.

Στη βιοϊατρική χρησιμοποιείται για τη δημιουργία μικροβιολογικών τσιπ που μπορούν να εκτελούν διάφορες βιοχημικές αναλύσεις. Αυτά τα τσιπ μπορούν να χρησιμοποιηθούν π.χ. για τη διάγνωση ασθενειών, την ανίχνευση και ανάλυση DNA, και την παρακολούθηση βιοδεικτών σε πραγματικό χρόνο. Για παράδειγμα, μικρορευστομηχανικές συσκευές χρησιμοποιούνται για την ανάλυση και ταξινόμηση κυττάρων, η οποία μπορεί να βοηθήσει στην ανίχνευση καρκινικών κυττάρων ή άλλων ανωμαλιών. Μία άλλη εφαρμογή της μικρορευστομηχανικής στη βιοϊατρική είναι στη δημιουργία συσκευών που μιμούνται βιολογικούς ιστούς (organ-on-a-chip). Τέτοιες συσκευές χρησιμοποιούνται σαν μοντέλα των ανθρώπινων οργάνων στην επιστημονική έρευνα, αντικαθιστώντας τα ανθρώπινα δείγματα ή τα πειραματόζωα σε κάποιες εφαρμογές, όπως π.χ. η ανάπτυξη και μελέτη νέων φαρμάκων.

Στη χημεία, η μικρορευστομηχανική επιτρέπει την εκτέλεση χημικών αντιδράσεων καταναλώνοντας πολύ μικρές ποσότητες αντιδραστηρίων, κάτι που είναι χρήσιμο για την ανάπτυξη νέων υλικών και φαρμάκων. Οι μικροαντιδραστήρες επιτρέπουν τον ακριβή έλεγχο των συνθηκών της αντίδρασης, βελτιώνοντας την αποδοτικότητα και την ασφάλεια των χημικών διεργασιών. Επιπλέον, μπορούν να χρησιμοποιηθούν για να ενισχύσουν καταλυτικές διεργασίες, βελτιώνοντας την απόδοσή τους και μειώνοντας την παραγωγή αποβλήτων.

Η μικρορευστομηχανική χρησιμοποιείται επίσης στη φαρμακευτική βιομηχανία για τη δημιουργία έξυπνων συστημάτων παράδοσης φαρμάκων που μπορούν να παρέχουν ακριβείς δόσεις των απαραίτητων φαρμάκων σε συγκεκριμένα σημεία του σώματος. Αυτή η τεχνολογία μπορεί να μειώσει τις παρενέργειες και να βελτιώσει την αποτελεσματικότητα των φαρμάκων. Αυτά τα συστήματα παράδοσης φαρμάκων περιλαμβάνουν τη χρήση μικροαντλιών που επιτρέπουν την ελεγχόμενη απελευθέρωση φαρμάκων στους ασθενείς, ή τη φόρτωση φαρμάκων σε μικροσωματίδια ή νανοσωματίδια που μπορούν να στοχεύσουν συγκεκριμένους ιστούς στο σώμα του ασθενή, μειώνοντας έτσι τις παρενέργειες από τα φάρμακα.

Η μικρορευστομηχανική συνεχίζει να εξελίσσεται και να επεκτείνει τις εφαρμογές της σε νέους τομείς. Παρ’ όλα αυτά, υπάρχουν προκλήσεις που πρέπει να αντιμετωπιστούν, όπως η μεγάλης κλίμακας κατασκευή και εμπορευματοποίηση των μικρορευστομηχανικών συστημάτων, η αυτοματοποίηση της χρήσης τους, η ελαχιστοποίηση του κόστους και η βελτίωση της ανθεκτικότητας και της αξιοπιστίας των συσκευών.

Εν κατακλείδι, η μικρορευστομηχανική αποτελεί έναν πολυσχιδή τομέα με ποικιλία εφαρμογών που συμβάλλουν στην πρόοδο της επιστήμης και της τεχνολογίας. Η ικανότητά της να παρέχει ακριβή έλεγχο και διαχείριση σε μικροκλίμακα την καθιστά ιδανική για εφαρμογές στην ιατρική, τη χημεία, τη βιοτεχνολογία και αλλού. Με τη συνεχή έρευνα και ανάπτυξη, αναμένεται να συνεχίσει να αποφέρει καινοτόμες λύσεις και σημαντικές προόδους σε πολλούς τομείς.

 

Δρ Τίνα Λεοντίδου, Χημικός

 

 

Βιβλιογραφία

1.     Whitesides, G. The origins and the future of microfluidics. Nature 442, 368–373 (2006). https://doi.org/10.1038/nature05058

2.     Niculescu, A. G., Chircov, C., Bîrcă, A. C., Grumezescu, A. M. Fabrication and Applications of Microfluidic Devices: A Review. Int J Mol Sci. 22, 2011 (2021). https://doi.org/10.3390/ijms22042011

3.     Convery, N., Gadegaard, N. 30 years of microfluidics, Micro Nano Eng. 2, 76-91 (2019). https://doi.org/10.1016/j.mne.2019.01.003