211service.com
Lab-on-a-Chip van papier
Door gebruik te maken van de natuurlijke beweging van vloeistof door papier, hebben onderzoekers van Harvard's Whitesides onderzoeksgroep misschien een manier hebben gevonden om de microfluïdische technologie veel goedkoper te maken. Het resultaat zouden diagnostische wegwerptests kunnen zijn die eenvoudig en overvloedig genoeg zijn voor gebruik in ontwikkelingslanden.
Kleur codering: Dit prototype van een nieuwe diagnostische test op papier van de universiteit van Harvard analyseert het glucose- (links goed) en eiwitgehalte (rechts goed) van urine; het bovenste putje is een controle voor de glucosetest. Het beige deel van het testpapier is behandeld met een hydrofoob polymeer dat de vloeistof naar de putjes leidt. Bij deze test werd het papier ondergedompeld in een kunstmatige urine-oplossing die glucose en een eiwit uit koeienbloed bevatte.
Het gebied van microfluïdica houdt zich bezig met de precieze manipulatie van kleine hoeveelheden vloeistof. Een van de meest veelbelovende toepassingen is de zogenaamde lab-on-a-chip, die kan werken met veel kleinere vloeistofmonsters dan grotere apparaten nodig hebben, waardoor mogelijk meer draagbare diagnostische hulpmiddelen mogelijk zijn. Maar bestaande microfluïdische chips zijn over het algemeen gemaakt van relatief dure materialen zoals silicium, glas of plastic en hebben kleine pompjes en kleppen die moeilijk te vervaardigen kunnen zijn.
Nu hebben George Whitesides van Harvard en zijn team een microfluïdisch apparaat gebouwd op een vierkant papier ter grootte van een roze vingernagel. Het is het eerste voorbeeld dat ik heb gehoord van papieren microfluïdica, zegt Albert Folke , een bio-ingenieur aan de Universiteit van Washington die werkt aan microfabricage. Het is heel slim omdat het papier als substraat gebruikt, dat universeel verkrijgbaar is.
Hoewel grotere papiertesten (zoals die voor zwangerschap) gebruikelijk zijn, verlaagt het krimpen van het papier en het minimaliseren van de hoeveelheid vereiste chemische reagentia de productiekosten. De mogelijkheid om het monster naar bepaalde delen van het papier te leiden, maakt het mogelijk om gelijktijdig verschillende tests uit te voeren, om te zoeken naar meerdere symptomen van een aandoening, zoals nierfalen of infectieziekte, zegt Whitesides. En het verkleinen van de steekproefomvang is een bijzonder voordeel in ontwikkelingslanden, waar het niet-invasief verzamelen van kleine hoeveelheden vloeistoffen de noodzaak voor spuiten vermijdt, die moeilijk schoon te maken en weg te gooien zijn.
Een speldenprikje bloed of een druppel urine die aan de rand van het Whitesides-apparaat is opgezogen, beweegt op natuurlijke wijze door het papier, net zoals wijn zich door een papieren servet verspreidt. Maar het papier is behandeld met een hydrofoob polymeer, dat de vloeistof langs voorgeschreven kanalen leidt. Zodra de vloeistof de putjes aan de uiteinden van de kanalen bereikt, interageert het met reagentia, waardoor het papier verschillende kleuren krijgt. De kleuren kunnen worden vergeleken met die op een kleursleutel, net zoals bij een pH-test. Een testontwerp dat eruitziet als een miniatuur, drievertakte, geometrische boom kan bijvoorbeeld putjes hebben aan het einde van twee takken voor een glucose-assay en een aan het einde van de derde voor een eiwitassay.
Het ontwerp maakt geen gebruik van dure componenten die gebruikelijk zijn in conventionele microfluïdische apparaten: chemische reacties die delen van het papier kleuren, vervangen geavanceerde sensoren en analysatoren, terwijl het gebruik van de natuurlijke capillaire werking van papier om vloeistoffen te absorberen de noodzaak voor externe pompen of stroombronnen vermijdt. Diagnostic for All - een spin-off die mede is opgericht door Whitesides en Harvard-onderzoeker Hayat Sindi, met de steun van partners van MIT - commercialiseert de technologie.
In plaats van kanalen in een materiaal te etsen, zoals de meeste microfluïdische ontwerpers doen, konden Whitesides en Sindi profiteren van het netwerk van kanalen dat inherent is aan papier; het hydrofobe polymeer sluit simpelweg de kanalen af die de onderzoekers niet willen gebruiken. Wat echt slim is aan dit systeem, is dat ze het hele volume van het substraat hebben gemodelleerd, legt Folch uit. Het papier zelf vormt een netwerk van haarvaten.
Een nadeel dat Folch opmerkt, is dat ze, vanwege de beperkte pompwerking van de papieren tests, waarschijnlijk geen complexere chemische reacties kunnen uitvoeren.
Afgezien van het goedkoper maken van de apparaten, hielden de ontwerpers rekening met andere kenmerken die ze praktischer zouden maken in de derde wereld. Het lichte gewicht en de breukvastheid van de test maken hem draagbaarder dan tests met patronen op gemakkelijk verbrijzelde glazen oppervlakken. De papieren chip is ook gemakkelijk wegwerpbaar, door verbranding, een belangrijke overweging in ontwikkelingslanden die zich bezighouden met het behoud van de volksgezondheid, zegt Whitesides. Het soort dingen dat we hier ontwikkelen, is bedoeld om bruikbaar te zijn voor het screenen van de volksgezondheid in ontwikkelingslanden, zegt hij. In plaats van medicijnen uit de eerste wereld te nemen en te proberen het te verkleinen, begon het team de technologie te ontwerpen met ontwikkelingslanden in gedachten, waarbij het zich concentreerde op gebruiksgemak, betaalbaarheid en draagbaarheid, zegt Whitesides.
Om het apparaat voor ontwikkelingslanden te optimaliseren, is het team van plan om de papieren tests te combineren met een systeem van mobiele telefoons voor externe diagnose, waardoor het expertiseniveau dat nodig is om de tests te gebruiken, wordt geminimaliseerd. Het is in de eerste plaats een manier om de kostbare tijd en beperkte middelen van mensen in de gezondheidszorg te sparen, zegt Whitesides. Het team stelt zich voor dat, in landelijke gebieden waar artsen beperkt zijn, mensen die alleen zijn opgeleid om de tests uit te voeren, ze uitvoeren en terugsturen naar een centrale faciliteit waar een arts die informatie bekijkt en diagnose en behandeling [aanbeveelt] zonder te hoeven daadwerkelijk aanwezig zijn, zegt Whitesides.
Vanaf nu hebben Whiteside en zijn collega's het papieren diagnostische hulpmiddel getest met behulp van kunstmatige urine. In een paper die vorige maand werd gepubliceerd, analyseerden ze de papieren resultaten op afstand, via telefooncamera's, en ontdekten dat de resultaten vergelijkbaar waren in nauwkeurigheid met analyse ter plaatse, zegt Whitesides.
De volgende stap is een klinische proef en inzet ergens in Afrika, zegt Sindi. Op dit moment test het team het apparaat onder zware omstandigheden, zegt ze, zoals hoge druk, temperatuur en vochtigheid. Tot nu toe lijkt de test niet nadelig te worden beïnvloed, zegt Whitesides. Het team hoopt uiteindelijk verder te gaan dan menselijke diagnostiek en apparaten te ontwikkelen voor het testen van water, vee en andere voedselbronnen.
De soorten diagnostische tests die u wilt doen en de soorten problemen die u wilt oplossen, zijn zeer divers in de echte wereld, zegt Mehmet Fatih Yanik , een assistent-professor aan het Research Laboratory of Electronics aan het MIT. Het leuke van papier is dat het een zeer flexibel platform is voor het uitvoeren van verschillende tests. Hij voegt eraan toe dat het maken van microfluïdische apparaten zoals die van de Whitesides-groep een stuk goedkoper is dan het maken van diagnostische bulkmachines. De combinatie van de twee goedkope systemen - de op papier gebaseerde fluidics en mobiele telefoons, die vrij alomtegenwoordig zijn in de derde wereld - dat is een nieuw idee, zegt Yanik.
Het brengt echt een tool met zich mee die een grote impact zal hebben op de implementatie van microfluïdica, een technologie die meestal veel hardware en expertise vereist om te gebruiken, zegt Folch. Ze hebben de barrière verlaagd en zijn in staat om microfluïdica als het ware naar de massa te brengen.