Als je ooit hebt stilgestaan ​​om regen op een ruit te zien vallen, je hebt gezien wat er gebeurt als twee druppels water elkaar raken en samensmelten tot één. De fysica die bij dit fenomeen aan het werk is, zou een oplossing kunnen bieden voor de ontwikkeling van geminiaturiseerde apparaten voor persoonlijke biologische analyse. Een internationaal team van wetenschappers van IBM Research-Zurich en het Microfluidics for Oncology Laboratory van Polytechnique Montréal hebben deze ontdekking gerapporteerd in Natuur .

Een lab op een chip installeren:een langdurige uitdaging

De afgelopen twee decennia heeft wereldwijd onderzoek naar zogenaamde lab-on-a-chip-apparaten heeft veelbelovende resultaten opgeleverd voor draagbare gereedschappen waarvoor slechts een klein monster lichaamsvloeistof nodig is (bijv. bloed, speeksel, urine) om te screenen op ziekten of biologische gegevens te meten. Dit soort miniatuursystemen bestaan ​​al voor eenvoudige metingen met weinig reagentia:glucosemeters en zwangerschapstesten zijn twee voorbeelden. Maar meer complexe analyses, waarbij een enkel monster moet worden gemengd met een reeks reagentia in precieze hoeveelheden in een specifieke volgorde, moeilijker te ontwikkelen zijn gebleken.

Een van de meest veelbelovende benaderingen voor het integreren van meerdere reagentia in één testapparaat is het deponeren van druppeltjes ter grootte van picoliter (enkele miljardsten van een milliliter) in een microsysteem met behulp van een techniek die analoog is aan inkjetprinten, en vervolgens het apparaat afdichten. Bij contact met lucht, de kleine hoeveelheden vloeistof verdampen onmiddellijk, waardoor een zeer nauwkeurige opeenvolging van gedroogde reagentia achterblijft, die kan worden gerehydrateerd wanneer het vloeistofmonster wordt toegevoegd op het moment van de test. Een grote moeilijkheid bleef bestaan, echter:wanneer de vloeistof over de gedroogde reagentia beweegt, het verspreidt hen, "het signaal vervormen, " en het voorkomen van de uitvoering van delicate diagnostische stappen die nauwkeurige biochemische metingen omvatten.

Om het verspreidingsprobleem aan te pakken, Onur Gökce, Yuksel Temiz en Emmanuel Delamarche van IBM Research-Zürich kwamen op het idee om een ​​waterdruppel uit te rekken tot een lange lintachtige vorm in een microkanaal ter breedte van een mensenhaar, en dwingen de vloeistof om op zichzelf te vouwen. Daarbij, het watermonster sluit zich op een manier die vergelijkbaar is met het sluiten van een ritssluiting.

"Dit zeer intrigerende proces stelt ons in staat om, tot het minimum, de stroomsnelheid van de vloeistof plaatselijk, waar de gedroogde reagentia zijn, zodat wanneer de reagentia worden gerehydrateerd, ze verspreiden zich niet meer, " legt Emmanuel Delamarche uit, manager van de Precision Diagnostics-groep bij IBM Research-Zurich.

Hoewel de waargenomen resultaten overtuigend waren, het team bestudeerde het fenomeen vloeistofdynamica op het werk, zodat het kon worden benut als onderdeel van een betrouwbaar proces. Professor Thomas Gervais, hoofd van het Microfluidics for Oncology Laboratory van Polytechnique, dat deel van het project aangepakt.

Van experimenteren tot modelleren

Door het gedrag van de waterdruppel verder te bestuderen, de onderzoekers concludeerden dat het verband hield met het fenomeen van coalescentie, een voorbeeld hiervan is te zien in het spontaan samensmelten van twee druppels vloeistof die met elkaar in contact komen. In natuurkundige termen, coalescentie komt voort uit de sterke affiniteit tussen watermoleculen, waarvan het effect is dat het aan de lucht blootgestelde wateroppervlak tot een minimum wordt beperkt. Daarom zijn kleine waterdruppels bolvormig:van alle geometrische vormen, de bol heeft het kleinste oppervlak voor een bepaald volume.

"In dit geval, echter, we moesten bestuderen wat er gebeurt als een waterdruppel vervormd in een microkanaal samenvloeit met een ander deel van zichzelf, " Professor Gervais legt uit. "Ons doel was om het fenomeen te begrijpen en te beheersen, zodat we de vloeistof konden dwingen te stagneren op de precieze plek waar het een reagens in het apparaat ontmoet."

modellering van het fenomeen, die het team "zelf-coalescentie, " was gebaseerd op een wiskundige benadering ontwikkeld in de jaren 1950 om onbegrensde tweedimensionale viskeuze stromen te bestuderen. Het werk werd uitgevoerd met behulp van rekentechnieken ontwikkeld door Samuel Castonguay, die zijn Ph.D. in technische natuurkunde aan Polytechnique onder leiding van professor Gervais. Om de modelleringsresultaten te harmoniseren met de experimentele resultaten, De heer Castonguay ging naar Zürich, een paar maanden samen met de IBM-onderzoekers.

"Onze modellen hebben ons niet alleen in staat gesteld om dit nieuwe type stroming onder de knie te krijgen, maar we kunnen ook heel nauwkeurig ruimtelijke en temporele configuraties van chemische signalen programmeren met behulp van een combinatie van reagentia, met minimale verspreiding, en zonder tussenkomst van de gebruiker, Professor Gervais merkt op. "De samenwerking tussen onze twee teams heeft daarom geleid tot een roman, bijzonder flexibele en nauwkeurige biochemische testarchitectuur, die de gebruiksvolgorde van tientallen reagentia tegelijkertijd tijdens een test behoudt."

Op weg naar gerichte mobiele diagnostische tools

Het IBM-team toonde ook aan dat dit type architectuur kan worden gebruikt om enzymatische reacties te meten, met het oog op het opsporen van verschillende ziekten (genetische ziekten, bijvoorbeeld). Het toonde ook een proof-of-concept voor een methode van DNA-amplificatie, een reactie die wordt gebruikt om kopieën van een specifiek DNA-segment uit een monster te maken, bij omgevingstemperatuur. De methode elimineert de noodzaak voor een technicus om herhaalde verwarmings- en koelcycli op het monster uit te voeren. Een enkele monsterdruppel wordt in het apparaat ingebracht, en de analyse wordt automatisch uitgevoerd. Dit experiment toont potentieel voor toekomstig gebruik van het proces om DNA-sequencing uit te voeren van genen die geassocieerd zijn met pathologieën zoals kanker, en om bepaalde virussen op te sporen.

"We hopen dat ons proces lab-on-a-chip fabrikanten in staat zal stellen om ongekende diagnostische prestaties te bereiken, met producten die net zo gebruiksvriendelijk zijn als de huidige glucosemeters, " zegt Dr. Delamarche.

als laatste, aangezien de biochemische signalen die door dit type test worden geregistreerd, waarschijnlijk door een smartphone kunnen worden gelezen en naar een gecentraliseerde databank kunnen worden verzonden, de tests kunnen ook een belangrijke toekomstige rol spelen bij het volgen van de verspreiding van epidemieën in afgelegen gebieden ver van medische centra, en bij screening op nationaal en internationaal niveau op verschillende ziekten.