Een eenvoudige innovatie ter grootte van een zandkorrel betekent dat we nu cellen en kleine deeltjes kunnen analyseren alsof ze zich in het menselijk lichaam bevinden.

Het nieuwe micro-apparaat voor vloeistofanalyse zal meer op maat gemaakte experimenten in de ontwikkeling van geneesmiddelen en ziekteonderzoek mogelijk maken via nieuwe 'orgaan-op-chip'-systemen.

Het zou ook waterverontreinigingstests en medische diagnoses in natuurrampgebieden kunnen transformeren, waar zijn lage kosten, eenvoudig gebruik en draagbaarheid maken het een praktisch hulpmiddel dat bijna iedereen kan gebruiken.

Hoe het werkt

Microfluïdische of 'lab-on-a-chip'-apparaten worden vaak gebruikt om bloed- en andere vloeistofmonsters te analyseren, die door nauwe kanalen in een transparante chip ter grootte van een postzegel worden gepompt.

Deze nieuwe chip brengt die technologie nog een stap verder door een driedimensionale holte langs het kanaal toe te voegen - denk aan een smalle tunnel die plotseling uitmondt in een koepelgewelf - die een mini-vortex creëert waarin deeltjes ronddraaien, waardoor ze gemakkelijker te observeren zijn.

Om deze holte te maken, onderzoekers plaatsten een vloeibare metalen druppel op de siliconen mal bij het maken van de chip.

Door de hoge oppervlaktespanning van het vloeibare metaal behoudt het zijn vorm tijdens het gietproces.

Tenslotte wordt het vloeibare metaal verwijderd, waardoor alleen het kanaal en een bolvormige holte klaar zijn om te gebruiken als een minicentrifuge, verklaarde RMIT-ingenieur en studieleider Dr. Khashayar Khoshmanesh.

"Wanneer het vloeistofmonster de bolvormige holte binnengaat, het draait in de holte, " hij zei.

"Dit draaien creëert een natuurlijke vortex, die net als een centrifugemachine in een analyselab, spint de cellen of andere biologische monsters, waardoor ze kunnen worden bestudeerd zonder ze te hoeven vastleggen of labelen."

Het apparaat vereist slechts kleine monsters, zo weinig als 1 ml water of bloed, en kan worden gebruikt om kleine bacteriële cellen van slechts 1 micron te bestuderen, helemaal tot aan menselijke cellen zo groot als 15 micron.

Een platform voor het bestuderen van hart- en vaatziekten

Studie mede-leider en RMIT bioloog, Dr. Sara Baratchi, zei dat de zachte bolvormige holtes van het apparaat kunnen worden gebruikt om 3-D menselijke organen na te bootsen en te observeren hoe cellen zich gedragen in verschillende stroomomstandigheden of geneesmiddelinteracties.

"Het vermogen om de grootte van de holte aan te passen, maakt het ook mogelijk om verschillende stroomsituaties te simuleren - op deze manier kunnen we de reactie van bloedcellen nabootsen onder verstoorde stroomsituaties, bijvoorbeeld op vertakkingspunten en krommingen van kransslagaders en halsslagaders, die vatbaarder zijn voor vernauwing, " ze zei.

Deze mogelijkheid zal interessant zijn voor de bloeiende biomedische industrie in Australië, met medische apparatuur die in 2018 tot onze top 10 van export behoorde en $ 3,2 miljard waard was.

Baratchi zei dat de ontdekking alleen mogelijk is gemaakt door samenwerking, met technologen van de School of Engineering en mechanobiologen van de School of Health and Biomedical Sciences die de krachten bundelen in de onderzoeksgroep Mechanobiology and Microfluidics van RMIT.

"Biologen zoals ik hebben moeite gehad om de impact van stroomgerelateerde krachten op bloedsomloopbloedcellen te bestuderen. Nu doet dit geminiaturiseerde apparaat dat is ontwikkeld met onze technische collega's precies dat, ' zei Baratchi.

"Het is een ingenieuze oplossing die de waarde van interdisciplinair onderzoek echt benadrukt."

Maar enkele van de meest opwindende toepassingen kunnen zich ook buiten het lab bevinden.

Een goedkope en draagbare watertest die iedereen kan gebruiken

Een andere veelbelovende toepassing is het opsporen van parasieten en andere infecties in waterlopen, vooral in ontwikkelingslanden.

"Het detecteren van waterverontreinigingen kan een moeilijke taak zijn, omdat u niet altijd precies weet waarnaar u op zoek bent, ' zei Choshmanesh.

"Maar met dit apparaat worden de onzuiverheden opgevangen en in een baan rond de draaikolk gebracht zonder speciale monstervoorbereiding, tijd en geld besparen."

Of het nu wordt gebruikt voor het analyseren van water- of bloedmonsters, de lage kosten en de draagbaarheid van het apparaat maken het aantrekkelijk voor een hele reeks toepassingen.

Dezelfde onderzoeksgroep ontwikkelde onlangs een drukpomp, gemaakt van latexballonnen, om het apparaat te bedienen.

In tegenstelling tot conventionele pompen, die zo groot kan zijn als een schoenendoos en duizenden dollars kost, die van hen is goedkoop en draagbaar.

"Eenvoud is een zeer belangrijke parameter voor onze ontwerpen, want dat vertaalt zich vaak in lagere kosten en grote toepasbaarheid buiten het lab, ' zei Choshmanesh.

"Ons nieuwe microfluïdische apparaat, gecombineerd met onze pomp en een smartphone die in staat is om high-speed beelden vast te leggen, maakt een goedkope, zelfvoorzienend en volledig draagbaar point-of-care diagnoseapparaat."

De studie, hoofdauteur door RMIT Engineering PhD-student, Ngan Nguyen, is nu gepubliceerd in de top-tier Geavanceerde functionele materialen logboek.