Lab-on-Chip / Microfluidic Nedir?

17. Hafta


Lab-on-chip, kısaca bir laboratuvarda yapılabilecek çeşitli deney ve analizlerin ufak bir düzenek üzerinde yapılması temelinde çalışan cihazları tanımlayan bir terim.

1979 yılında Terry ve arkadaşları (1) tarafından ilk defa bir uygulaması kullanılıyor. Fakat bizim ilgilendiğimiz konuda değil yaptıkları araştırma. Basit bir gaz kromatografisi sistemi üretiyorlar. Bizim ilgilendiğimiz konu ise lab-on-chip tekniklerinin doku mühendisliği ile ilgili olan uygulamaları. Bu uygulamalar da genellikle microfluidic / mikroakışkan sistemler kullanılarak gerçekleştiriliyor.

 Lab-on-chip ve farklı alanlarda kullanımı konusu oldukça geniş bir konu. Bizim burada tartışacağımız alanın dışında oldukça farklı uygulamalara sahip. Yazının sonunda ileri okuma kısmında lab-on-chip ve farklı uygulamaları ile ilgili değişik kaynaklara ulaşabilirsiniz.

Yaklaşık 250 µm çapında microfluidic kanallar
Esnek microfluidic sistem (2)

Bu sistemler tercihen esnek bir yüzey ( genellikle PDMS / polydimethylsiloxane ile üretilmiş) ve bu yüzeyin içinde yer alan (genellikle) mikrometre çapında kanallardan oluşuyor. Zaten microfluidic sistemlerin en büyük iki avantajı da buradan geliyor:

Esnek olmaları ve çok düşük hacimde örnek kullanarak (bazı uygulamalar için pikolitre) analiz imkanı sunmaları.

Microfluidic sistem çalışma mantığı

Çalışma mantıkları oldukça basit bu sistemlerin. Bir inlet/giriş (yukarıdaki görselde sarı ok) üzerinden kanala istediğiniz numuneyi enjekte ediyorsunuz. Yapmak istediğiniz analize bağlı olarak modifiye edebileceğiniz kanallar (kanalların iç duvarlarına bazı molekülleri bağladığınızı düşünebilirsiniz) ile etkileşime giren numuneniz (görselde mavi kanallar boyunca sarıdan yeşile dönen oklar), microfluidic sistemi outlet/çıkış (görselde yeşil ok) üzerinden terkediyor. Normalde bir laboratuvarda mililitre hacim kullanarak gerçekleştireceğiniz bir reaksiyonu bu sistem sayesinde mikrolitre hacim (1000 kat daha az) kullanarak gerçekleştirmiş oluyorsunuz.

Farklı tasarımda microfluidic kanallar (2)

Bu mantık üzerinden çalışan sistemler çeşitli elektronik devrelerin entegrasyonu sayesinde kontrollü otomatik akış, kontrollü sıcaklık gibi çeşitli özelliklere sahip olabiliyor.

Gelelim doku mühendisliği için nasıl kullanıldıklarına. Yukarıda bahsettiğimiz gibi çeşitli şekillerde modifiye edilen kanallar, çeşitli fizyolojik sistemlerin taklit edilmesi amacıyla kullanılabiliyor (organ-on-chip tabiri buradan geliyor). Mesela bir böbrek, bazı temel fonksiyonlarını koruyarak taklit edilebiliyor (3). Farklı bir çalışmada da akciğer fonksiyonlarını yerine getiren bir organ-on-chip sistem üretilebiliyor (4).

Farklı tasarımlı microfluidic kanallar (5)

Hücre kültürü yazısından hatırlayabileceğiniz üzere, 3D hücre kültürü çalışmaları doku mühendisliğinde yaygın bir şekilde kendisine yer buluyor. Microfluidic sistemler de 3D hücre kültürü uygulamaları için kullanılabiliyor. Kapalı ve kontrol edilebilir bir ortam sağlayan mikrokanallar, hücre kültürü ve kontrolü için farklı seçenekler sunabiliyor araştırmacılara.

Buna ilave olarak doku mühendisliğine bir yan kol olarak gösterebileceğimiz bazı ilaç çalışmaları için de oldukça uygun bir platform sunuyor microfluidic sistemler. Yeni ilaçların geliştirilmesinde veya bilinen bazı ilaçların bazı sistemler üzerindeki etkilerinin incelenmesinde yaygın bir kullanıma sahipler.

3 inlete sahip bir microfluidic tasarım

Doku mühendisliği uygulamalarında kullanılabilecek çeşitli organik ve inorganik sentezler, mikro/nano taşıyıcı sistemlerin sentezi gibi bazı kimyasal sentezler de gerçekleştirilebiliyor microfluidic sistemler üzerinde.

Her bir araştırma için çoğunlukla farklı tasarıma sahip bir sistem üretmek gerekiyor. Bununla bağlantılı olarak yine her farklı araştırma için mikrokanalları farklı şekillerde modifiye etmek gerekebiliyor. Bu sebeplerden dolayı lab-on-chip sistemin üretileceği malzeme ve bu malzemenin biyolojik sistemler ile olan uyumu (biyouyumluluk ve sitotoksisite) temel araştırma konularından birisi bu çalışma alanının. Ayrıca kanalların hangi yöntemler ile ne kullanılarak modifiye edileceği de başlı başına bir araştırma konusu.

Bir mikrokanalın dik kesit mikroskop görüntüsü

Avantajlar ve Dezavantajlar

Yeni bir teknoloji olmamasına rağmen microfluidic sistemlerin özellikle doku mühendisliği araştırmalarında kullanımı oldukça yeni. Bu sebepten dolayı en büyük dezavantaj olarak henüz optimizasyonu tamamlanmamış bir sistemle karşı karşıya olmamız gösterilebilir. Her bir çalışma için yeni bir optimizasyon süreci gerekiyor. Fakat sistemin avantajları, bunun gibi bir dezavantajın kolaylıkla göz ardı edilmesine yetecek kadar önemli.

En büyük 2 avantajdan yazının başında bahsetmiştik zaten: esneklik ve küçük hacimlerle analiz imkanı. Kullandığınız lab-on-chip sistem genellikle 10cm ve daha düşük boyutlara sahip olduğu için laboratuvarda neredeyse hiç yer kaplamıyor. Ayrıca esnek bir yapıya sahip olması sebebiyle reaksiyon sırasında sağa sola sıkıştırabilir, orasını burasını eğebilirsiniz ve bu esnada reaksiyon bu durumdan hiç etkilenmez.

Buna ilave olarak sistemin kullanımının oldukça kolay olması (modifikasyon basamakları bile temel kimya/biyokimya eğitimi almış kişilerce kolaylıkla gerçekleştirilebilir), laboratuvarda bu sistemin kullanımı için ayrıca bir uzman bulunması gerekliliğini ortadan kaldırıyor. Bu da kullanım kolaylığı avantajının yanına dolaylı yoldan da olsa düşük maliyet getiriyor. Düşük maliyet demişken, bugün bir analiz için kullanacağınız bir cihazın maliyeti yüzbinlerce doları bulabilirken bir lab-on-chip sistemin maliyeti bunun yanında karşılaştırılamayacak derecede düşük kalıyor.

Ayrıca lab-on-chip sistemler kullanarak gerçekleştirilen sentezlerin ve analizlerin geleneksel yöntemler kullanılarak gerçekleştirilen uygulamalara oranla daha yüksek verimle gerçekleştiğine dair çalışmalar da bu sistemler için yeni bir avantajın doğmasına sebep oluyor.


Kaynakça

  • [1] S. C. Terry, J. H. Herman and J. B. Angell, A Gas Chromatographic Air Analyzer Fabricated on a Silicon Wafer, IEEE Trans. Electron Devices 26 (1979) 1880–1886.; DOI:10.1109/T-ED.1979.19791
  • [2] D. Hur, M. G. Say, S. E. Diltemiz, F. Duman, A. Ersöz and R. Say, 3D Micropatterned All-Flexible Microfluidic Platform for Microwave-Assisted Flow Organic Synthesis, Chempluschem 83 (2018) 42–46.; DOI:10.1002/cplu.201700440
  • [3] Filippo Zanetti, Chapter 7 — Kidney-on-a-chip, Editor(s): Julia Hoeng, David Bovard, Manuel C. Peitsch, Organ-on-a-chip, Academic Press, 2020, Pages 233–253, ISBN 9780128172025, https://doi.org/10.1016/B978-0-12-817202-5.00007-3.
  • [4] https://wyss.harvard.edu/technology/human-organs-on-chips/
  • [5] Brandenberg, N., & Lutolf, M. (2016). In Situ Patterning of Microfluidic Networks in 3D Cell‐Laden Hydrogels. Advanced Materials, 28(34), 7450–7456. https://doi.org/10.1002/adma.201601099

Lab-on-Chip ve farklı kullanım alanları ile ilgili ileri okumalar

  • S. Büyüktiryaki, Y. Sümbelli, R. Keçili, C.M. Hussain, Lab-On-Chip Platforms for Environmental Analysis, in:
    Ref. Modul. Chem. Mol. Sci. Chem. Eng., Elsevier, 2018
    https://doi.org/10.1016/B978-0-12-409547-2.14489–0
  • A. De Mello, On-chip chromatography: The last twenty years, Lab Chip 2 (2002).; DOI:10.1039/b207266c
  • A. T. Giannitsis, Microfabrication of biomedical lab-on-chip devices. A review, Est. J. Eng. 17 (2011) 109.; DOI:10.3176/eng.2011.2.03
  • Y. Temiz, R. D. Lovchik, G. V. Kaigala and E. Delamarche, Lab-on-a-chip devices: How to close and plug the lab?, Microelectron. Eng. 132 (2015) 156–175.; DOI:10.1016/j.mee.2014.10.013
  • U. Eduok, O. Faye and J. Szpunar, Recent developments and applications of protective silicone coatings: A review of PDMS functional materials, Prog. Org. Coatings 111 (2017) 124–163.; DOI:10.1016/j.porgcoat.2017.05.012
  • M. J. C. Santbergen, M. van der Zande, H. Bouwmeester and M. W. F. Nielen, Online and in situ analysis of organs-on-a-chip, TrAC — Trends Anal. Chem. 115 (2019) 138–146.; DOI:10.1016/j.trac.2019.04.006
  • J. Y. Park, J. Jang and H. W. Kang, 3D Bioprinting and its application to organ-on-a-chip, Microelectron. Eng. 200 (2018) 1–11.; DOI:10.1016/j.mee.2018.08.004
  • B. Zhang, A. Korolj, B. F. L. Lai and M. Radisic, Advances in organ-on-a-chip engineering, Nat. Rev. Mater. 3 (2018) 257–278.; DOI:10.1038/s41578–018–0034–7
  • K. S. Lim, M. Baptista, S. Moon, T. B. F. Woodfield and J. Rnjak-Kovacina, Microchannels in Development, Survival, and Vascularisation of Tissue Analogues for Regenerative Medicine, Trends Biotechnol. 37 (2019) 1189–1201.; DOI:10.1016/j.tibtech.2019.04.004
  • J. Wu, Z. He, Q. Chen and J. M. Lin, Biochemical analysis on microfluidic chips, TrAC — Trends Anal. Chem. 80 (2016) 213–231.; DOI:10.1016/j.trac.2016.03.013
  • F. Yu and D. Choudhury, Microfluidic bioprinting for organ-on-a-chip models, Drug Discov. Today 24 (2019) 1248–1257.; DOI:10.1016/j.drudis.2019.03.025
  • R. Mendes, P. Fanzio, L. Campo-Deaño and F. J. Galindo-Rosales, Microfluidics as a platform for the analysis of 3D printing problems, Materials (Basel). 12 (2019) 1–20.; DOI:10.3390/ma12172839
  • K. Meller, M. Szumski and B. Buszewski, Microfluidic reactors with immobilized enzymes — Characterization, dividing, perspectives, Sensors Actuators, B Chem. 244 (2017) 84–106.; DOI:10.1016/j.snb.2016.12.021
  • P. Supramaniam, O. Ces and A. Salehi-Reyhani, Microfluidics for artificial life: Techniques for bottom-up synthetic biology, Micromachines 10 (2019).; DOI:10.3390/mi10050299
  • B. Amoyav and O. Benny, Microfluidic Based Fabrication and Characterization of Highly Porous Polymeric Microspheres, Polymers (Basel). 11 (2019) 419.; DOI:10.3390/polym11030419

 

Bir Cevap Yazın

Aşağıya bilgilerinizi girin veya oturum açmak için bir simgeye tıklayın:

WordPress.com Logosu

WordPress.com hesabınızı kullanarak yorum yapıyorsunuz. Çıkış  Yap /  Değiştir )

Twitter resmi

Twitter hesabınızı kullanarak yorum yapıyorsunuz. Çıkış  Yap /  Değiştir )

Facebook fotoğrafı

Facebook hesabınızı kullanarak yorum yapıyorsunuz. Çıkış  Yap /  Değiştir )

Connecting to %s

WordPress.com'da bir web sitesi veya blog oluşturun

Yukarı ↑

Web sitenizi WordPress.com ile oluşturun
Başla
%d blogcu bunu beğendi: