Lab-on-a-chip

Laboratórium na čipe (LOC) je zariadenie, ktoré integruje jednu alebo viacero laboratórnych funkcií do jedného integrovaného obvodu (bežne nazývaného "čip") s veľkosťou len od milimetra do niekoľkých centimetrov štvorcových na dosiahnutie automatizácie a vysoko výkonného skríningu. LOC dokážu spracovať extrémne malé objemy tekutín až do pikolitrov. Zariadenia typu "laboratórium na čipe" sú podmnožinou zariadení mikroelektromechanických systémov (MEMS) a niekedy sa nazývajú "mikrosystémy celkovej analýzy" (µTAS). LOC môžu využívať mikrofluidiku, fyziku, manipuláciu a štúdium miniatúrnych množstiev kvapalín. Prísne vzaté "laboratórium na čipe" však vo všeobecnosti označuje škálovanie jedného alebo viacerých laboratórnych procesov do formátu čipu, zatiaľ čo "µTAS" sa venuje integrácii celkovej postupnosti laboratórnych procesov na vykonávanie chemickej analýzy. Pojem "laboratórium na čipe" sa zaviedol, keď sa ukázalo, že technológie µTAS sú použiteľné nielen na účely analýzy.

História

Po vynájdení mikrotechnológie (~1954) na realizáciu integrovaných polovodičových štruktúr pre mikroelektronické čipy sa tieto technológie založené na litografii čoskoro začali uplatňovať aj pri výrobe tlakových senzorov (1966). Vďaka ďalšiemu vývoju týchto procesov, ktoré sú zvyčajne obmedzené na kompatibilitu s CMOS, sa sprístupnil súbor nástrojov na vytváranie mechanických štruktúr mikrometrových alebo submikrometrových rozmerov aj v kremíkových doštičkách: začala sa éra mikroelektromechanických systémov (MEMS).

Popri snímačoch tlaku, snímačoch airbagov a iných mechanicky pohyblivých štruktúrach boli vyvinuté zariadenia na manipuláciu s kvapalinami. Príkladmi sú: kanály (kapilárne spojenia), zmiešavače, ventily, čerpadlá a dávkovacie zariadenia. Prvým systémom LOC analýzy bol plynový chromatograf, ktorý v roku 1979 vyvinul S. C. Terry na Stanfordskej univerzite. Výskum LOC sa však začal vážne rozvíjať až koncom 80. a začiatkom 90. rokov 20. storočia, keď niekoľko výskumných skupín v Európe vyvinulo mikropumpy, prietokové senzory a koncepcie integrovaných úprav kvapalín pre analytické systémy. Tieto koncepcie µTAS ukázali, že integrácia krokov predbežnej úpravy, ktoré sa zvyčajne vykonávajú v laboratórnom meradle, by mohla rozšíriť jednoduchú funkčnosť senzora smerom ku kompletnej laboratórnej analýze vrátane ďalších krokov čistenia a separácie.

Veľký nárast výskumného a komerčného záujmu nastal v polovici 90. rokov, keď sa ukázalo, že technológie µTAS poskytujú zaujímavé nástroje pre genomické aplikácie, ako je kapilárna elektroforéza a mikročipy DNA. Veľký nárast podpory výskumu prišiel aj zo strany armády, najmä od agentúry DARPA (Defense Advanced Research Projects Agency), ktorá sa zaujímala o prenosné systémy na detekciu biologických/chemických bojových látok. Pridaná hodnota sa neobmedzovala len na integráciu laboratórnych procesov na analýzu, ale aj na charakteristické možnosti jednotlivých komponentov a aplikáciu na iné, neanalytické laboratórne procesy. Preto sa zaviedol pojem "laboratórium na čipe".

Hoci je aplikácia LOC stále nová a skromná, v rôznych oblastiach, ako je analýza (napr. chemická analýza, monitorovanie životného prostredia, lekárska diagnostika a bunková etika), ale aj syntetická chémia (napr. rýchly skríning a mikroreaktory pre farmáciu), sa pozoruje rastúci záujem spoločností a skupín aplikovaného výskumu. Okrem ďalšieho vývoja aplikácií sa očakáva, že výskum v oblasti systémov LOC sa rozšíri aj na zmenšovanie štruktúr na manipuláciu s kvapalinami pomocou nanotechnológií. Submikrometrové a nanometrové kanály, DNA labyrinty, detekcia a analýza jednotlivých buniek a nanosenzory by sa mohli stať realizovateľnými, čo by umožnilo nové spôsoby interakcie s biologickými druhmi a veľkými molekulami. Bolo napísaných mnoho kníh, ktoré sa zaoberajú rôznymi aspektmi týchto zariadení vrátane transportu tekutín, vlastností systému, techník snímania a bioanalytických aplikácií.

Výhody

LOC môžu poskytovať výhody, ktoré sú špecifické pre ich použitie. Typické výhody sú:

• nízka spotreba tekutín (menej odpadu, nižšie náklady na činidlá a menšie objemy vzoriek potrebné na diagnostiku)
• rýchlejšia analýza a čas odozvy vďaka krátkym difúznym vzdialenostiam, rýchlemu ohrevu, vysokému pomeru povrchu k objemu, malým tepelným kapacitám
• lepšia kontrola procesu vďaka rýchlejšej odozve systému (napr. tepelná kontrola exotermických chemických reakcií)
• kompaktnosť systémov vďaka integrácii mnohých funkcií a malým objemom
• masívna paralelizácia vďaka kompaktnosti, ktorá umožňuje vysoko výkonnú analýzu
• nižšie výrobné náklady, čo umožňuje nákladovo efektívne čipy na jedno použitie, vyrábané v hromadnej výrobe
• kvalita dielov sa môže overovať automaticky
• bezpečnejšia platforma pre chemické, rádioaktívne alebo biologické štúdie vďaka integrácii funkcií, menším objemom kvapalín a uloženým energiám

Nevýhody

Najvýraznejšie nevýhody laboratórií na čipe sú:

• mikrovýrobný proces potrebný na ich výrobu je zložitý a náročný na prácu, vyžaduje si drahé vybavenie a špecializovaný personál. To sa dá prekonať nedávnym technologickým pokrokom v oblasti lacnej 3D tlače a laserového gravírovania
• komplexná sieť fluidného ovládania si vyžaduje viacero čerpadiel a konektorov, pri ktorých je náročné jemné ovládanie. Dá sa to prekonať dôkladnou simuláciou, vlastnou pumpou, napríklad čipom vloženým do vzduchového vaku, alebo použitím odstredivej sily :nahrádzajúcej čerpanie, t. j. odstredivým mikrofluidickým biočipom
• väčšina LOC je nová aplikácia na overenie koncepcie, ktorá ešte nie je plne vyvinutá na široké použitie. Pred praktickým využitím je potrebné vykonať ďalšie validácie
• v mikrolitrovej mierke, ktorou sa zaoberajú LOC, sú dominantnejšie efekty závislé od povrchu, ako sú kapilárne sily, drsnosť povrchu alebo chemické interakcie. To môže niekedy spôsobiť, že replikovanie laboratórnych procesov v LOC je pomerne náročné a zložitejšie ako v bežných laboratórnych zariadeniach
• princípy detekcie sa nemusia vždy pozitívne škálovať, čo vedie k nízkemu pomeru signál/šum

Globálne zdravie

Technológia laboratória na čipe sa môže čoskoro stať dôležitou súčasťou úsilia o zlepšenie globálneho zdravia, najmä prostredníctvom vývoja zariadení na testovanie v mieste poskytovania zdravotnej starostlivosti. V krajinách s malými zdrojmi zdravotnej starostlivosti sú infekčné ochorenia, ktoré by sa vo vyspelých krajinách dali liečiť, často smrteľné. V niektorých prípadoch majú chudobné zdravotnícke kliniky lieky na liečbu určitého ochorenia, ale chýbajú im diagnostické nástroje na identifikáciu pacientov, ktorí by mali tieto lieky dostať. Mnohí výskumníci sa domnievajú, že technológia LOC môže byť kľúčom k novým výkonným diagnostickým nástrojom. Cieľom týchto výskumníkov je vytvoriť mikrofluidné čipy, ktoré umožnia poskytovateľom zdravotnej starostlivosti na zle vybavených klinikách vykonávať diagnostické testy, ako sú mikrobiologické kultivačné testy, imunoanalýzy a testy nukleových kyselín bez podpory laboratória.

Globálne výzvy

Aby sa čipy mohli používať v oblastiach s obmedzenými zdrojmi, je potrebné prekonať mnohé výzvy. V rozvinutých krajinách medzi najviac cenené vlastnosti diagnostických nástrojov patrí rýchlosť, citlivosť a špecifickosť, ale v krajinách, kde je infraštruktúra zdravotnej starostlivosti menej rozvinutá, sa musia zohľadniť aj vlastnosti, ako je jednoduchosť použitia a trvanlivosť. Reagenty dodávané s čipom musia byť napríklad navrhnuté tak, aby zostali účinné celé mesiace, aj keď sa čip neuchováva v klimatizovanom prostredí. Pri výbere materiálov a výrobných techník musia konštruktéri čipov myslieť aj na náklady, škálovateľnosť a recyklovateľnosť.

Príklady globálnej aplikácie LOC

Jedným z najvýznamnejších a najznámejších zariadení LOC, ktoré sa dostali na trh, je súprava na domáce tehotenské testy, čo je zariadenie, ktoré využíva technológiu mikrofluidiky na báze papiera. Ďalšia aktívna oblasť výskumu LOC zahŕňa spôsoby diagnostiky a liečby bežných infekčných ochorení spôsobených baktériami, napr. bakteriúria, alebo vírusmi, napr. chrípka. Zlatým štandardom na diagnostiku bakteriúrie (infekcie močových ciest) je mikrobiálna kultivácia. Nedávna štúdia založená na technológii laboratória na čipe, Digital Dipstick, miniaturizovala mikrobiologickú kultiváciu do formátu kvapkadla a umožnila jej použitie v mieste poskytovania zdravotnej starostlivosti. Pokiaľ ide o vírusové infekcie, dobrým príkladom sú infekcie vírusom HIV. V súčasnosti je vo svete infikovaných vírusom HIV približne 36,9 milióna ľudí a 59 % z nich dostáva antiretrovírusovú liečbu. Len 75 % ľudí žijúcich s HIV poznalo svoj HIV status. Meranie počtu CD4+ T-lymfocytov v krvi človeka je presný spôsob, ako určiť, či má človek HIV, a sledovať priebeh infekcie HIV. V súčasnosti je zlatým štandardom na získanie počtu CD4 prietoková cytometria, ale prietoková cytometria je komplikovaná technika, ktorá nie je dostupná vo väčšine rozvojových oblastí, pretože si vyžaduje vyškolených technikov a drahé vybavenie. Nedávno bol takýto cytometer vyvinutý za $5. Ďalšou aktívnou oblasťou výskumu LOC je kontrolovaná separácia a miešanie. V takýchto zariadeniach je možné rýchlo diagnostikovať a prípadne liečiť choroby. Ako už bolo uvedené, veľkou motiváciou pre ich vývoj je, že sa potenciálne dajú vyrábať za veľmi nízke náklady. Ďalšou oblasťou výskumu, ktorá sa skúma v súvislosti s LOC, je bezpečnosť domácností. Automatické monitorovanie prchavých organických zlúčenín (VOC) je požadovanou funkciou LOC. Ak sa táto aplikácia stane spoľahlivou, tieto mikroprístroje by sa mohli inštalovať v celosvetovom meradle a upozorňovať majiteľov domov na potenciálne nebezpečné zlúčeniny.

Vedy o rastlinách

Zariadenia typu LOC by sa mohli použiť na charakterizáciu vedenia peľových trubíc v Arabidopsis thaliana. Konkrétne, rastlina na čipe je miniatúrne zariadenie, v ktorom by sa mohli inkubovať peľové tkanivá a vajíčka na účely štúdia rastlinných vied.

Literatúra

• Geschke, Klank & Telleman, eds.: Microsystem Engineering of Lab-on-a-chip Devices, 1st ed, John Wiley & Sons. ISBN 3-527-30733-8.
• Lab-on-a-Chip Technology: Fabrication and Microfluidics. Ed. Herold, KE. [s.l.] : Caister Academic Press, 2009. ISBN 978-1-904455-46-2.
• Lab-on-a-Chip Technology: Biomolecular Separation and Analysis. Ed. Herold, KE. [s.l.] : Caister Academic Press, 2009. ISBN 978-1-904455-47-9.
• Yehya H. Ghallab; Wael Badawy. Lab-on-a-chip: Techniques, Circuits, and Biomedical Applications. [s.l.] : Artech House, 2010. ISBN 978-1-59693-418-4. S. 220.
• (2012) Gareth Jenkins & Colin D Mansfield (eds): Methods in Molecular Biology – Microfluidic Diagnostics, Humana Press, ISBN 978-1-62703-133-2

Iné projekty

Commons

• Commons ponúka multimediálne súbory na tému Lab-on-a-chip