Een belangrijk concept in de toekomstige gezondheidszorg is de ontwikkeling van apparaten die 'lab on a chip' worden genoemd. Deze "chips, "niet gerelateerd aan de elektronische die in computers worden gevonden, zijn kleine apparaten waarin biologische vloeistoffen – bloed of urine bijvoorbeeld – worden geïnjecteerd om speciaal ontworpen microscopisch kleine kanaaltjes te vullen. Deze kanalen zouden biosensoren bevatten die bijvoorbeeld specifieke markers voor ziekten in de vloeistof zouden kunnen detecteren en een snelle diagnose zouden kunnen geven. Een groot aantal analyses zou kunnen worden uitgevoerd op een apparaat van enkele centimeters in het vierkant. Echter, een probleem dat zich voordoet, is de grootte van het vloeistofmonster dat in de chip wordt geïnjecteerd, met kleine volumes tot een miljardste van een liter. Door een gebrek aan beschikbare technologieën, onderzoekers begrijpen nog niet volledig hoe vloeistoffen - vooral complexe van biologische oorsprong - zich op zulke kleine schaal gedragen.

Prof. Amy Shen en haar teamleden van de Micro/Bio/Nanofluidics Unit bij OIST hebben hun inspanningen gericht op het gebruik van microfluidics als een hulpmiddel om de wetten en principes te onthullen die het gedrag van complexe vloeistoffen op microscopische schaal bepalen. Dan in een tweede fase ze gebruiken deze ontdekkingen om directe toepassingen te bieden in de gezondheidszorg en biotechnologie. Hun recente bevindingen zijn te vinden in de Tijdschrift voor reologie van het American Institute of Physics.

Karakterisering van het gedrag van polymeeroplossingen op microscopische schaal

Polymeren zijn grote moleculen die zijn opgebouwd uit veel herhaalde vergelijkbare eenheden. Ze zijn alomtegenwoordig in het dagelijks leven, waaruit de meeste synthetische materialen bestaan ​​die we gebruiken, van stoffen tot rubber en polystyreen. Vloeibare polymeeroplossingen zijn te vinden in veel commerciële artikelen, van huishoudelijke schoonmaakmiddelen tot verf. Maar het is op microscopische schaal dat polymeeroplossingen diagnostische hulpmiddelen drastisch kunnen verbeteren.

"Als je een polymeer toevoegt aan een suspensie van deeltjes in water, je triggert een nieuw fenomeen in het microfluïdische kanaal, " Dr. Del Giudice legde uit. "Deze polymeren beginnen te werken als veren om deeltjes of cellen in de suspensie te schoppen, door ze naar het midden van het kanaal te duwen en hun uitlijning te bevorderen. "Het kunnen rangschikken van deeltjes of cellen in een microscopisch kanaal betekent een enorme verbetering voor het gebruik van biosensoren bij de diagnose van de gezondheidszorg. Polymeeroplossingen kunnen zelfs verschillende componenten scheiden en sorteren op grootte in een complexe biologische vloeistof - bijvoorbeeld bloed, samengesteld uit cellen en aggregaten van vele groottes - binnen een enkele microfluïdische chip.

Maar dit fenomeen is sterk afhankelijk van de aard van het polymeer zelf. Het polymeer in een verdunde oplossing heeft tijd nodig om terug te keren naar zijn oorspronkelijke vorm nadat het door de stroming is vervormd. Deze vertraging, de ontspanningstijd genoemd, is een kritische parameter om te meten om het polymeergedrag te beschrijven. Vandaag, huidige technieken om relaxatietijden te meten worden beperkt door de gevoeligheid van de beschikbare commerciële instrumenten, die alleen relatief lange relaxatietijden kunnen meten, zoals die van geconcentreerde polymeeroplossingen in grote volumes.

In hun werk, Dr. Francesco Del Giudice en Dr. Simon Haward ontwierpen microfluïdische apparaten om polymeervervorming en -relaxatie waar te nemen binnen micrometerbrede kanalen. Deze platforms stellen onderzoekers in staat om polymeren naar believen te rekken of af te schuiven met lage volumes en lage concentraties en om de reacties op die krachten vast te leggen. Op deze manier, ze kunnen verdunde polymere vloeistoffen karakteriseren met zelfs zeer korte relaxatietijden, en hebben dus een veel beter idee van hun gedrag op microscopische schaal.

Door deze nieuwe microfluïdische hulpmiddelen te gebruiken, zouden onderzoekers een catalogus kunnen genereren van diverse polymere vloeistoffen waarvan de relaxatietijden bekend zijn. Met een dergelijke database tot hun beschikking, wetenschappers zouden dan een polymeer kunnen kiezen dat geschikt is voor de uitlijning en/of scheiding van moleculen in de biologische vloeistof die ze in hun chip willen bestuderen. "Op deze manier, Als u polymeeroplossingen begrijpt, kunt u een platform met hoge doorvoer creëren op een chip die is gemaakt van verschillende modules, die elk verschillende analyses uitvoeren", voegde Dr. Del Giudice eraan toe.