Микрогидродинамика относится к манипуляциям с жидкостями в микромасштабных устройствах. Микрожидкостные системы, обычно называемые «лабораториями на кристалле», используются для изучения и анализа очень мелких химических или биологических образцов, заменяя чрезвычайно дорогие и громоздкие инструменты, используемые для традиционных биологических анализов.
Включенная в 2001 году в список «10 новых технологий, которые изменят мир» по версии MIT Technology Review, микрофлюидика считается столь же революционной для биологии и химии, как микропроцессоры для электроники и информационных технологий, и применяется на огромном рынке.
Сегодня эта молодая дисциплина, которая начала развиваться в 2000-х годах с закрытых систем, состоящих из микроканальных сетей, сама радикально трансформируется благодаря открытию, сделанному группой исследователей из Политехнического университета и Университета Макгилла, которое укрепляет теоретические и экспериментальные основы. микрофлюидики открытого пространства.
Эта технология, исключающая каналы, выгодно конкурирует с традиционной микрофлюидикой в некоторых типах анализов. Действительно, классическая конфигурация микрожидкостных устройств с закрытыми каналами имеет несколько недостатков: масштаб поперечных сечений каналов увеличивает стресс, которому клетки подвергаются при культивировании; и они несовместимы со стандартом клеточных культур, чашкой Петри, что затрудняет его внедрение в промышленности.
Новый подход, изученный исследователями Polytechnique и Университета Макгилла, основан на микрофлюидных мультиполях (MFM), системе одновременного всасывания и аспирации жидкости через противоположные микроотверстия на очень маленькой поверхности, помещенной в ограниченное пространство размером менее 0 ° C.Толщиной 1 мм. «Когда они соприкасаются друг с другом, эти струи жидкости образуют узоры, которые можно увидеть, окрашивая их химическими реагентами», – говорит профессор Жерве. «Мы хотели понять эти закономерности при разработке надежного метода моделирования MFM."
ЭЛЕГАНТНАЯ ВИЗУАЛЬНАЯ СИММЕТРИЯ НАПОМИНАНИЕ РАБОТЫ ХУДОЖНИКА М. C. ЭШЕР
Чтобы понять эти закономерности, команде профессора Жерве пришлось разработать новую математическую модель для открытых многополярных потоков.
Эта модель основана на классическом разделе математики, известном как конформное отображение, которое решает проблему, связанную со сложной геометрией, путем сведения ее к более простой геометрии (и наоборот).
Аспирант Этьен Буле сначала разработал модель для изучения столкновений микроструй в многожидкостном диполе (MFM только с двумя отверстиями), а затем, опираясь на эту математическую теорию, экстраполировал модель на MFM с несколькими отверстиями. «Мы можем провести аналогию с игрой в шахматы, в которой есть версия с четырьмя игроками, затем с шестью или восемью, с применением пространственной деформации при сохранении тех же правил игры», – объясняет он.
"При конформном картировании узоры, созданные столкновениями струй жидкости, образуют симметричные изображения, напоминающие картины голландского художника М.C. Эшер ", – добавляет молодой исследователь, страстно увлекающийся изобразительным искусством. «Но помимо эстетической привлекательности, наша модель позволяет нам описывать скорость, с которой молекулы движутся через жидкости, а также их концентрацию.
Мы определили действующие правила для всех возможных конфигураций системы с числом полюсов до 12, чтобы создавать самые разнообразные схемы потока и диффузии."
Таким образом, метод представляет собой полный набор инструментов, который позволит не только моделировать и объяснять явления, происходящие в MFM, но и исследовать новые конфигурации. Благодаря этому методу теперь можно автоматизировать микрофлюидные тесты в открытом пространстве, которые до сих пор исследовались только методом проб и ошибок.
ИЗГОТОВЛЕНИЕ УСТРОЙСТВА С ПОМОЩЬЮ 3D-ПЕЧАТИ
Дизайн и производство устройства MFM были выполнены Пьером-Александром Гойеттом. Это устройство представляет собой небольшой зонд, сделанный из смолы с использованием недорогого процесса 3D-печати и подключенный к системе насосов и инжекторов.
«Опыт команды профессора Юнкера в обнаружении белков с помощью иммобилизованных на поверхности антител был неоценим для управления биологическими аспектами этого проекта», – говорит аспирант в области биомедицинской инженерии. "Результаты, полученные с помощью анализов, подтвердили точность моделей, разработанных моим коллегой Этьеном."
Устройство позволяет одновременно использовать несколько реагентов для обнаружения различных молекул в одном образце, что экономит драгоценное время биологов. Для некоторых типов тестов время анализа может быть сокращено с нескольких дней до нескольких часов или даже до нескольких минут. Кроме того, универсальность этой технологии должна сделать ее пригодной для различных аналитических процессов, включая иммунологические тесты и тесты ДНК.
К МИКРОЖИДКОМУ ДИСПЛЕЮ?
Команда профессора Жерве уже рассматривает следующий шаг в его проекте: создание экрана, отображающего химическое изображение.
«Это был бы своего рода химический эквивалент жидкокристаллического дисплея», – объясняет профессор Жерве. "Таким же образом, как мы перемещаем электроны по экрану, мы посылаем струи жидкости различной концентрации, которая вступает в реакцию с поверхностью. Вместе они образуют образ. Мы очень рады продвигаться вперед в этом проекте, на который мы получили предварительный патент."
ВОЗОБНОВЛЕНИЕ ДИАГНОСТИЧЕСКИХ ПРОЦЕДУР И ПОСЛЕДУЮЩИХ МЕДИЦИНСКИХ ЛЕЧЕНИЙ
На данный момент технология, разработанная этой исследовательской группой, нацелена на рынок фундаментальных исследований. «Наши процессы позволяют одновременно подвергать клетки воздействию множества реагентов», – говорит профессор Жерве. «Они могут помочь биологам в широкомасштабном изучении взаимодействия между белками и реагентами, увеличивая объем и качество информации, получаемой во время анализов."
Он объясняет, что впоследствии фармацевтический рынок также сможет извлечь выгоду из новых методов автоматизации скрининговых систем, появившихся в результате открытия.
Наконец, это открывает новые возможности для открытия лекарств, облегчая культивирование клеток пациента и воздействие различных лекарственных агентов, чтобы определить, на какие из них они лучше всего реагируют.