Μικρορευστομηχανική

Η μικρορευστομηχανική (microfluidics) έχει ως αντικείμενο τη μελέτη και τις τεχνολογικές εφαρμογές των ιδιοτήτων των ρευστών στη μικροκλίμακα. Είναι κατά κύριο λόγο εφαρμοσμένη επιστήμη που το διεπιστημονικό της αντικείμενο συνιστά σημείο τομής μεταξύ των επιστημών μηχανικών, της μηχανικής των ρευστών, της αναλυτικής χημείας, της βιοχημείας, της νανοτεχνολογίας και της βιοτεχνολογίας. Πρωτοεμφανίστηκε στις αρχές της δεκαετίας του 1980 και έχει πολλές σύγχρονες καινοτόμες εφαρμογές, όπως είναι η ανάπτυξη κεφαλών εκτυπωτών έγχυσης μελάνης (inkjet), οι μικροσυστοιχίες γονιδίων, οι τεχνολογίες εργαστηρίου σε μικροσυστοιχία (lab-on-a-chip), καθώς και οι τεχνολογίες μικρο-θερμικής ανάλυσης, μικροαντλιών και μικροπροωθητικών συστημάτων.

Ορισμός

Σύμφωνα με τον ορισμό του Τζόρτζ Γουάϊτσάιντς (Georges Whitesides) ενός από τους βασικούς πρωτεργάτες της, είναι «η επιστήμη και η τεχνολογία συστημάτων χειρισμού πολύ μικρών όγκων ρευστών (της τάξης των 10-18 - 10-9 L), χρησιμοποιώντας διαύλους μεταφοράς με διαστάσεις μερικών δεκάδων μικρομέτρων».

Συμπεριφορά των ρευστών στη μικροκλίμακα

Μικρορευστομηχανικές διατάξεις από ελαστικό σιλικόνης και γυαλί. Πάνω εικόνα: Φωτογραφία μιας τέτοιας διάταξης. Κάτω εικόνες: Μικρογραφίες διάταξης αντίθετης φάσης οφιοειδούς μικροδιαύλου πλάτους ~15 μm.

Η συμπεριφορά των ρευστών στη μικροκλίμακα διαφέρει σημαντικά από εκείνη των φυσικών ρευστών λόγω της τεράστιας αύξησης του εμβαδού επιφανείας των μικρορευστών σε σχέση με τον όγκο τους, που καθιστά αμελητέες τις δυνάμεις αδρανείας ενώ αυξάνει υπερβολικά την επίδραση δυνάμεων όπως οι τριχοειδείς, οι ηλεκτροστατικές και η επιφανειακή τάση.

Στη μικροκλίμακα, με διαμέτρους διαύλων από 100 νανόμετρα έως μερικές εκατοντάδες μικρόμετρα, εμφανίζονται ορισμένες ενδιαφέρουσες και μη αναμενόμενες ιδιότητες. Συγκεκριμένα, ο αριθμός Ρέινολντς (που συγκρίνει την επίδραση της ορμής ενός ρευστού προς την επίδραση του ιξώδους) καθίσταται υπερβολικά μικρός διοτί υπερισχύουν οι δυνάμεις ιξώδους. Συνεπεία τούτου τα ρευστά που βρίσκονται σε επαφή μεταξύ τους δεν αναμιγνύονται όπως συμβαίνει στον μακρόκοσμο, καθώς αποκτούν στρωτή ροή αντί για τυρβώδη. Η μοριακή μεταφορά μεταξύ τους γίνεται ουσιαστικά μέσω διάχυσης.

Στη μικροκλίμακα, μπορεί επίσης να διασφαλιστεί υψηλή εξειδίκευση των χημικών και φυσικών ιδιοτήτων (συγκέντρωση, pH, θερμοκρασία, δυνάμεις διάτμησης, κλπ) με αποτέλεσμα πιο ομοιομορφές συνθήκες αντίδρασης και υψηλότερης ποιότητας προϊόντα σε αντιδράσεις ενός ή πολλαπλών σταδίων.

Μικρορευστομηχανική συνεχούς ροής

Οι τεχνολογίες αυτές βασίζονται στον χειρισμό της συνεχούς ροής των ρευστών μέσω μικροκατασκευασμένων διαύλων. Η ενεργοποίηση της ροής επιτυγχάνεται είτε μέσω εξωτερικών πηγών πίεσης, εξωτερικών μηχανικών αντλιών, ενσωματωμένων μηχανικών μικροαντλιών, ή μέσω συνδυασμού τριχοειδών και ηλεκτροκινητικών δυνάμεων. Οι διατάξεις συνεχούς ροής επαρκούν για πολλές απλές βιοχημικές εφαρμογές και για τον χημικό διαχωρισμό, αλλά δεν είναι κατάλληλες για εργασίες που απαιτούν υψηλό βαθμό ευελιξίας.

Ψηφιακή μικρορευστομηχανική

Στην ψηφιακή μικρορευστομηχανική (ή (μικρορευστομηχανική βασισμένη σε σταγόνες), το ρευστό διαιρείται σε διακριτές σταγόνες που ελέγχονται η καθεμία ξεχωριστά με ενεργητικές ή παθητικές μεθόδους. Στις ενεργητικές μεθόδους, όπως η διηλεκτροφόρηση(DEP) και η ηλεκτροδιαβροχή σε διηλεκτρικό (EWOD), χρησιμοποιείται ηλεκτρικό πεδίο για τη δημιουργία σταγόνων, ενώ στις παθητικές μεθόδους, η παραγωγή σταγόνων εξαρτάται από τη γεωμετρία και τις διαστάσεις της διάταξης Τα συστήματα αυτά μπορούν να τροποποιηθούν με δυναμικό τρόπο, και τα τελευταία χρόνια έχει αυξηθεί το ενδιαφέρον για τις εφαρμογές τους. Παρέχουν καλύτερη δυνατότητα ανάμειξης και ενδείκνυνται για χημικές αναλύσεις υψηλής απόδοσης.

Ένα από τα βασικά πλεονεκτήματά τους είναι ότι οι σταγόνες μπορούν να χρησιμοποιηθούν ως εκκολαπτήρια κυττάρων. Συστήματα που μπορούν να δημιουργούν χιλιάδες σταγόνες ανά δευτερόλεπτο ανοίγουν νέους δρόμους στον τρόπο χαρακτηρισμού των κυτταρικών πληθυσμών, όχι μόνο βάσει ενός συγκεκριμένου δείκτη που μετρείται σε μια συγκεκριμένη χρονική στιγμή, αλλά επιπλέον βάσει της λειτουργικής συμπεριφοράς των κυττάρων, όπως η έκκριση πρωτεϊνών, η ενζυματική δραστηριότητα ή ο πολλαπλασιασμός τους.

Βασικά πεδία εφαρμογής

Οι μικρορευστομηχανικές δομές περιλαμβάνουν μκροπνευματικά συστήματα, δηλαδή, συστήματα χειρισμού ρευστών εκτός μικροσυστοιχιών (π.χ., μικροαντλίες και μικροβαλβίδες) και μικρορευστομηχανικά συστήματα για τον χειρισμό νάνο- και πίκο-όγκων ρευστών σε μικροσυστοιχίες (chip). Η πιο επιτυχημένη εμπορική εφαρμογή της μικρορευστομηχανικής μέχρι σήμερα είναι οι κεφαλές εκτυπωτών έγχυσης μελάνης (inkjet).

Οι εξελίξεις στη μικρορευστομηχανική δημιουργούν επανάσταση στις εργαστηριακές μεθόδους της μοριακής βιολογίας,όπως οι διαδικασίες ενζυμικής ανάλυσης, ανάλυσης DNA (π.χ. αλυσιδωτή αντίδραση πολυμεράσης και αλληλούχιση υψηλής απόδοσης), και στην πρωτεϊνωματική. Η βασική ιδέα των μικρορευστομηχανικών βιομικροσυστοιχιών είναι η ενσωμάτωση διαφορετικών διαδικασιών ελέγχου, όπως η ανίχνευση, η προεπεξεργασία και η προετοιμασία των δειγμάτων σε μία μικροσυστοιχία.

Μια νέα εφαρμογή των βιομικροσυστοιχιών είναι στην κλινική παθολογία, ιδίως στη διάγνωση νόσων στον τόπο περίθαλψης (point-of-care-diagnostics). Επιπλέον, διατάξεις ικανές για συνεχή λήψη δειγμάτων και εξέταση δειγμάτων νερού/αέρα σε πραγματικό χρόνο μπορούν να χρησιμεύσουν ως συστήματα συναγερμού συνεχούς λειτουργίας για την έγκαιρη ανίχνευση επικίνδυνων παθογόνων και βιοχημικών τοξινών.

Εξωτερικοί σύνδεσμοι

• Βίντεο σχετικά με Μικρορευστομηχανική
• Ιστοτόπος του Εργαστηρίου Μικρορευστομηχανικής του Πανεπιστημίου Στάνφορντ των ΗΠΑ
• Μικρορευστομηχανική στην Ιατρική Σχολή του Πανεπιστημίου Χάρβαρντ των ΗΠΑ
• Κατάλογος Ερευνητικών Ομάδων Μικρορευστομηχανικής παγκοσμίως (αγγλικά)
• Μοριακή Διαγνωστική (Molecular Diagnostics αγγλικά)