Недорогой (простой) интегрированный микрофлюидный чип с автономным питанием

1.

Self-powered integrated microfluidic
point-of-care
low-cost enabling (SIMPLE) chip.
Недорогой (простой)
интегрированный микрофлюидный
чип с автономным питанием.

2.

Ключевые слова
В тексте статьи были выделены следующие
ключевые слова:
• Микрофлюидика (microfluidics)
• Нуклеиновая кислота (nucleic acid)
• Лаборатория на кристалле (lab-on-chip)
• Полидиметилсилоксан (polydimethylsiloxane)
• Рекомбиназная полимеразная амплификация
(recombinase polymerase amplification)
• Дезоксирибонуклеиновая кислота – ДНК
(Deoxyribonucleic acid)
• Полимеразная цепная реакция (polymerase chain
reaction)

3.

Ключевые слова
Микрофлюидика (microfluidics) относится к
системе, которая манипулирует небольшим
количеством жидкостей (от 10-9 до 10-18 литров) с
использованием небольших каналов размерами
от десяти до сотен микрометров.

4.

Ключевые слова
Нуклеиновая кислота (nucleic acid) — высокомолекулярное
органическое соединение, биополимер (полинуклеотид),
образованный остатками нуклеотидов. Нуклеиновые
кислоты ДНК и РНК присутствуют в клетках всех живых
организмов и выполняют важнейшие функции по хранению,
передаче и реализации наследственной информации.

5.

Ключевые слова
Полидиметилсилоксан (ПДМС) —
линейный полимер диметилсилоксана. В бытовом
применении часто используется название силикон.

6.

Ключевые слова
Рекомбиназная полимеразная амплификация ( Recombinase
Polymerase
Amplification,
RPA)
представляет
собой
альтернативу полимеразной цепной реакции. Технология RPA
обеспечивает умножение генетического материала менее чем
за 15 минут, а сама реакция осуществляется в изотермических
условиях.

7.

Ключевые слова
Дезоксирибонуклеиновая кислота (ДНК)
(Deoxyribonucleic acid)
— макромолекула (одна из трёх
основных, две другие — РНК и белки),
обеспечивающая хранение, передачу из
поколения в поколение и
реализацию генетической программы раз
вития и функционирования живых
организмов. Молекула ДНК хранит
биологическую информацию в
виде генетического кода, состоящего из
последовательности нуклеотидов. ДНК
содержит информацию о структуре
различных видов РНК и белков.

8.

Ключевые слова
Полимеразная цепная реакция (ПЦР) (polymerase chain
reaction)
—
метод
молекулярной
биологии,
позволяющий добиться значительного увеличения
малых концентраций определённых фрагментов
нуклеиновой
кислоты
(а
именно
ДНК)
в
биологическом материале (пробе).

9.

Актуальность
• Полимеразная цепная реакция (ПЦР) — метод молекулярной
биологии, позволяющий увеличить изначально низкую концентрацию
заданной последовательности ДНК в растворе так, что ее присутствие
становится детектируемым визуально. В медицине эта техника
широко применяется для того, чтобы проверить наличие того или
иного патогена в образце крови. Однако для проведения реакции часто
требуется множество этапов и дорогостоящее оборудование —
центрифуга для отделения клеток крови от плазмы и термоциклер для
поддержания температурного режима реакции. Если же проводится
ПЦР в реальном времени, которая определяет количество ДНК в
образце, то термоциклер должен быть оснащен еще и
флуоресцентным детектором. Всё это оставляет метод применимым
только внутри лаборатории.
• Для решения проблемы авторы статьи разработали чип SIMPLE (Selfpowered Integrated Microfluidic Point-of-care Low-cost Enabling) для
проведения ПЦР, который работает автономно.

10.

Актуальность
• Разработанное авторами устройство – это лаборатория на чипе (labon-chip). В общем случае, такой миниатюрный прибор, позволяет
осуществлять один или несколько многостадийных (био)химических
процессов на одном чипе площадью от нескольких мм2 до нескольких
см2 и использующий микро- или наноскопические количества
образцов для пробоподготовки и проведения реакций.
Чип «SIMPLE», позволяющий автономно проводить ПЦР тестирование

11.

Актуальность
• Основные преимущества лабораторий на чипе:
– простота использования;
– высокая скорость проведения анализа;
– малое количество образцов и реагентов, необходимых для
получения результата;
– хорошая
воспроизводимость
результатов
благодаря
использованию стандартных технологий и автоматизированного
оборудования в ходе изготовления и применения.
• В перспективе такие системы смогут значительно удешевить и
сделать более доступными технологии исследования, проводимые в
настоящее время в специализированных лабораториях на
дорогостоящем
оборудовании,
например,
диагностику
онкологических и инфекционных заболеваний можно будет проводить
непосредственно у постели больного или осуществлять экспрессанализ загрязнения окружающей среды в полевых условиях.

12.

Цели
• Разработка чипа (lab-on-chip), который
способен без отдельных этапов подготовки
образцов и использования дорогостоящего
оборудования, а также за относительно
небольшой
промежуток
времени
определять ДНК патогены в крови
человека.

13.

Задачи
• Перед авторами статьи стояли следующие
задачи:
1. найти способы сократить количество этапов
для проведения ПЦР;
2. разместить все необходимые компоненты
системы на одном чипе и обеспечить
автономную работу устройства;
3. выбрать материалы устройства;
4. выбрать методы изготовления устройства.

14.

Принцип работы устройства

15.

Анализ технологических методов
• Soft lithography («мягкая литография») - это семейство методов
изготовления или репликации структур с использованием
"эластомерных штампов, пресс-форм и подходящих фотошаблонов".
Его называют "мягким", потому что он использует эластомерные
материалы, в первую очередь PDMS.

16.

В мягкой литографии мягкий штамп (прессформа)
используется
для
нанесения
фигурного слоя на поверхность твердой
подложки.
Оригинал
слоя
сначала
изготавливается на покрытом фоторезистом
подложке стандартной фотолитографией.
Затем получают полимерный штамп путем
заливки
оригинала
дегазированным
полимером.
Материал штампа - это эластичнее
полимеры,
наиболее
распространено
использование
поли
(диметилсилоксана)(PDMS) эластомера на
основе
кремния.
Полимерный
штамп
затвердевает, а затем отделяется от оригинала.
Как
только
штамп
изготовлен,
его
поверхность покрывают печатной краской при
контакте с раствором тиоалкана в этаноле.
* Штамповка - процесс пластической
деформации материала с изменением формы и
размеров тела. Чаще всего штамповке
подвергаются металлы или пластмассы.

17.

• PETS (реактивное ионное травление) - Реактивное ионное
травление (РИТ) - технология травления, используемая
в микроэлектронике. Химически активная плазма используется
для удаления материала с подложки. Плазма создаётся при
низком давлении при помощи газового разряда. Поступающие из
плазмы ионы ускоряются за счёт разности потенциалов между
ней и подложкой. Совместное действие химических
реакций, ионного распыления и ионной активации приводит к
разрушению
материала
подложки,
образованию
летучих соединений и десорбции их с поверхности.

18.

Особенностями метода являются:
• асимметричные электроды (т. е. отношение
площади катода к площади заземленной
поверхности намного меньше 1);
• размещение подложек на запитываемом электроде;
• относительно низкие рабочие давления (0,133-13,3
Па).
Каждая из перечисленных особенностей метода
обусловливает относительно высокую энергию ионов,
бомбардирующих поверхность подложки в процессе
травления.

19.

Итог
• Создан микрофлюидный чип, который проверяет наличие ДНК
патогенов в образце крови. Данное устройство:
– имеет небольшой размер – легко умещается на ладони (25 мм
× 75 мм × 6 мм);
– работает быстро – время проведения тестирования
составляет около 30 минут;
– не требует электричества – по каналам кровь движется за
счет вакуумной системы;
– автономно;
– весьма дешево в производстве – одноразовый чип имеет
простую
двухслойную
конструкцию,
а
стоимость
материалов и реагентов составляет менее 10 долларов и
может быть дополнительно снижена при массовом
производстве.