Als je denkt aan micro- of nanotechnologie, je denkt waarschijnlijk aan kleine elektronica zoals je telefoon, een kleine robot of een microchip. Maar COVID-19-tests – waarvan is bewezen dat ze cruciaal zijn voor het beheersen van de pandemie – zijn ook een vorm van geminiaturiseerde technologie. Veel COVID-19-tests kunnen binnen enkele uren resultaten opleveren zonder dat een monster naar een laboratorium hoeft te worden gestuurd, en de meeste van deze tests gebruiken een benadering die microfluïdica wordt genoemd.

Ik ben hoogleraar bio-engineering en werk met microfluïdica voor mijn onderzoek. Alles, van zwangerschapstests tot glucosestrips tot inkjetprinters tot genetische tests, is afhankelijk van microfluïdica. Deze technologie, buiten medeweten van veel mensen, is overal en cruciaal voor veel van de dingen die de moderne wereld doen draaien.

Wat zijn microfluïdica?

Microfluïdische systemen zijn apparaten die minuscule hoeveelheden vloeistoffen verwerken. De vloeistoffen reizen door kanalen die dunner zijn dan een haar, en kleine ventielen kunnen de stroom in- en uitschakelen. Deze kanalen zijn gemaakt van materialen zoals glas, polymeren, papier of gels. Een manier om vloeistoffen te verplaatsen is met een mechanische pomp; een andere manier is om de oppervlakteladingen van bepaalde materialen te gebruiken; en nog een andere is om de zogenaamde capillaire werking te gebruiken - beter bekend als wicking. Wicking is het proces waarbij de energie die in de vloeistof is opgeslagen de vloeistof door nauwe ruimtes voortstuwt.

Op kleine schaal, vloeistoffen gedragen zich niet intuïtief. Stel je niet het turbulente voor, chaotische stroom die uit een tuinslang of je douchekop komt. In plaats daarvan, in de vernauwde volumes van een microkanaal, stromen zijn griezelig stabiel. Vloeistoffen bewegen langs het kanaal in georganiseerde parallelle stromen - laminaire stroming genoemd. Laminaire stroming is een van de grote wonderen van microfluïdische systemen. De vloeistoffen en deeltjes in laminaire stroming volgen paden die wiskundig voorspelbaar zijn - een noodzaak voor precisie-engineering en het ontwerpen van medische apparaten.

Deze processen - inspirerend voor onderzoekers - bestaan ​​al eeuwen in de natuur. Planten transporteren voedingsstoffen van hun wortels naar de hoogste takken met behulp van capillariteit, de inspiratie voor microfluïdische circuits die autonoom worden aangedreven. Het nabootsen van de fysieke eigenschappen van regendruppels, scheikundigen hebben apparaten ontworpen die een monster in miljoenen druppels breken en deze met duizelingwekkende snelheden analyseren. Elke druppel is in wezen een klein chemisch laboratorium dat scheikundigen in staat stelt de evolutie van biomoleculen te bestuderen en ultrasnelle genetische analyses uit te voeren, onder andere.

En tenslotte, elke hoek van het menselijk lichaam is microfluïdisch. We zouden niet geboren kunnen worden of functioneren zonder ingewikkelde bloedcapillairen die voedsel brengen, zuurstof en signaalmoleculen naar elke cel.

De voordelen van kleine technologie

Net als micro-elektronica, grootte is de sleutel in microfluïdica.

Naarmate de componenten kleiner worden, apparaten kunnen vertrouwen op de vreemde eigenschappen van vloeistoffen op kleine schaal, kunnen sneller en efficiënter werken en zijn goedkoper te produceren. De microfluïdische revolutie heeft stilzwijgend meegelift op zijn elektronische tegenhanger.

Een ander groot voordeel van microfluïdische apparaten is dat ze slechts zeer kleine hoeveelheden vloeistof nodig hebben en daarom klein van formaat kunnen zijn. NASA overweegt al lange tijd microfluïdische analysatoren voor zijn Mars-rovers. De analyse van kostbare vloeistoffen, zoals menselijk bloed, profiteert ook van de mogelijkheid om kleine monsters te gebruiken. Bijvoorbeeld, glucosemeters zijn microfluïdische instrumenten die slechts een druppel bloed nodig hebben om de bloedsuikerspiegel van een diabeticus te meten.

Microfluïdica in technologie, biologie en geneeskunde

De kans is groot dat u in uw leven vrij vaak microfluïdica gebruikt. Inkjetprinters schieten kleine inktdruppeltjes. 3D-printers persen gesmolten polymeer uit via een microfluïdische spuitmond. De inkt in vulpennen en balpennen stroomt via microfluïdische principes. Vernevelaars voor astmapatiënten spuiten een nevel van microscopisch kleine medicijndruppeltjes. Een zwangerschapstest is afhankelijk van de urinestroom in een microfluïdische papieren strip.

Bij wetenschappelijk onderzoek is microfluïdica kunnen medicijnen sturen, voedingsstoffen of vloeistoffen naar zeer specifieke delen van organismen om biologische processen nauwkeuriger te simuleren.

Bijvoorbeeld, onderzoekers hebben wormen in kanalen gevangen en gestimuleerd met geuren om meer te weten te komen over neurale circuits. Een ander team stuurde voedingsstoffen naar specifieke delen van een plantenwortel om verschillende reacties op groeichemicaliën te observeren. Andere groepen hebben microfluïdische vallen bedacht die zeldzame tumorcellen fysiek uit bloed vangen. Talloze microfluïdische genetische chips bieden de kracht om het menselijk genoom snel te sequencen en gepersonaliseerde DNA-tests zoals 23andMe mogelijk te maken. Niets van dit alles zou mogelijk zijn geweest zonder microfluïdica.

De toekomst van microfluïdica

Microfluïdica zal van cruciaal belang zijn voor het inluiden van de geneeskunde in een nieuwe, snel, betaalbaar tijdperk. Draagbare apparaten die stoffen in zweet meten voor inspanningsmonitoring en implanteerbare apparaten die lokaal kankermedicijnen afleveren aan de tumor van een patiënt zijn enkele van de volgende grenzen van biomedische microfluïdica.

Onderzoekers ontwikkelen complexe, fascinerende microfluïdische systemen, organs-on-a-chip genaamd, die tot doel hebben verschillende aspecten van de menselijke fysiologie te simuleren. In mijn eigen lab en andere labs over de hele wereld, teams ontwikkelen tumor-on-a-chip-platforms om kankermedicijnen efficiënter te testen. Deze patiëntavatars zullen wetenschappers in staat stellen om nieuwe behandelingen te testen op een manier die niet de kosten met zich meebrengt, lijden en ethische kwesties in verband met testen op dieren of mensen. In mijn laboratorium, we ontleden eerst een tumorbiopsie van een kankerpatiënt in duizenden microscopisch kleine reguliere stukjes die we in leven houden. Door hun kleine formaat, we kunnen microfluidica gebruiken om de kleine tumorstukjes in meerdere putjes te vangen, één putje per medicijn. Deze monsters behouden de juiste cellulaire omgeving van de tumor, waardoor we nauwkeuriger kunnen voorspellen hoe een medicijn voor een specifieke persoon zal werken.

Stel je voor dat je naar de dokter gaat, een biopsie laten halen, en in minder dan een week, door ons microfluïdische apparaat te gebruiken, de arts kan uitzoeken welke medicijncocktail het beste werkt om uw tumor te verwijderen. Dat is nog toekomstmuziek maar wat we wel weten is dat de toekomst microfluïdisch zal zijn.

Dit artikel is opnieuw gepubliceerd vanuit The Conversation onder een Creative Commons-licentie. Lees het originele artikel.