برترین کاربران هفتگی این مقاله

از ۱۳۹۷/۰۴/۰۲ تا ۱۳۹۷/۰۴/۰۸

هیچ کاربری در این بازه زمانی وجود ندارد

آمار مقاله
  • بازدید کل ۵,۲۲۸
  • بازدید این ماه ۷
  • بازدید امروز ۲
آمار آزمون مقاله
  • کل شرکت کنندگان ۴۹
  • قبول شدگان ۳۲
  • شرکت کنندگان یکتا ۲۹
  • میانگین درصد شرکت کنندگان ۶۸
واژه نامه فناوری نانو

نانو

nano

پيشوندي به معناي يک بيليونم يا (000،000،000،1/1). در متون فناوري‌نانو، معمولا براي مشخص کردن يک واحد اندازه‌گيري برابر با 10 به توان منفي 9 متر استفاده مي‌شود.

سطح مقاله

مقالات منتخب ماهنامه نانو

امتیاز کاربران

آزمایشگاه بر روی تراشه، فناوری میکروسیالی و کاربرد آن در زیست‌شناسی سلولی و مولکولی

فناوری میکروسیالی یکی از فناوری‌های نوین است که توانسته با بهره‌گیری از خواصی ویژه‌ی سیالات در مقیاس میکرو و نانولیتر، همچنین با کاهش هزینه‌ها و زمان آزمایش،کاربردهای گسترده‌ای در بخش‌های تحقیقاتی و درمانی زیست‌شناسی و پزشکی به خود اختصاص دهد. یک دستگاه میکروسیالی، تراشه‌ای از جنس سیلیکون، شیشه یا الاستومر است که لوله‌هایی با ابعاد میکرونی در آن تعبیه شده و سیالات درون این لوله‌ها جریان پیدا می‌کنند. بر اساس نیاز می‌توان تراشه‌هایی طراحی کرد که عملیات مورد نظر در آزمایش‌های معمولی زیستی و پزشکی را در ابعاد کوچک انجام دهد. با توجه به مزایای فراوان سیستم‌های میکروسیالی و همچنین انعطاف‌پذیری بالای آن‌ها برای تولید ساختارهای جدید، آشنایی و ایجاد این فناوری در کشور امری ضروری به نظر می‌رسد.
1. مقدمه
سیستم‌های میکروسیالی امکان کار با سیالات را در حجم‌های میکرونی فراهم می‌آورند. در این سیستم‌ها سیالات در درون کانال‌های میکرونی تعبیه شده در تراشه‌هایی از جنس پلیمرهاى خاص قرار گرفته و عملیات مورد نظر بر روی آن‌ها انجام می‌پذیرد. منظور از حجم‌های میکرونی، حجم‌های کوچکی از سیالات در حد میکرولیتر، نانولیتر و پیکولیتر است [1]. وجود ساختمان‌های خاص درون تراشه از قبیل کانال‌ها، دریچه‌ها، مخلوط‌کننده‌ها و پمپ‌ها، این قابلیت را به دستگاه می‌دهد که یک یا چند نوع سیال به درون آن وارد شوند؛ در طول کانال‌ها حرکت کنند؛ در صورت نیاز برای مدتی در بخشی از تراشه ذخیره شوند؛ با هم مخلوط شده و یک واکنش خاص را ایجاد کنند و در نهایت محصولات اصلی و ضایعات به وجود آمده، به وسیله‌ی خروجی ها به بیرون دستگاه منتقل شوند. تمام این فرآیندها را می‌توان به وسیله‌ی انواع روش‌های دیده‌بانی، مانند استفاده از میکروسکوپ‌های نوری و فرابنفش دنبال کرد [۱ و ۲]. علاوه بر این، خواص فیزیکی و شیمیایی سیالات در حجم‌های کم و درون لوله‌های موئین، با خواص آن‌ها در مقیاس ماکرو، متفاوت است. این مساله در بسیاری موارد سبب شده کار با سیالات در این حجم راحت‌تر باشد. همچنین از این خواص برای طراحی تراشه‌ها و ایجاد عملکردهای خاص - مانند حرکت سیال درون کانال و یا مخلوط کردن سیالات – بهره‌های فراوانی برده می‌شود [3]. (شکل ۱)

filereader.php?p1=main_c4ca4238a0b923820
شکل 1. نمونه هایی از سیستم‌های میکروسیالی [1 و 4].

سیستم‌های میکروسیالی، طیف وسیعی از کاربردها را دارند. به دلیل اینکه در حوزه‌ی زیست شناسی و پزشکی ازمایش‌های تحقیقاتی و تشخیصی فراوانی وجود دارد که در آن‌ها نمونه‌ها و مواد محلول مورد آزمایش هستند؛ بخش گسترده‌ای از کاربردهای این سیستم، در این حوزه‌ها است. به این ترتیب که، هر بخش از تراشه عملکردی برابر با یک قسمت از آزمایشگاه دارد. بنابراین این فناوری «آزمایشگاه روی تراشه» نیز نامیده می شود. (شکل ۲)

filereader.php?p1=main_c81e728d9d4c2f636
شکل 2. آزمایشگاه بر روی تراشه [5].

استفاده از این تراشه‌ها در انواع کاربردها مزایای فراوانی دارد؛ که سبب شده این حال توسعه تبدیل شود. در این سیستم‌ها مقادیر بسیار اندکی از نمونه‌های آزمایش، مورد نیاز است که این امر هزینه‌ها را تا حد زیادی کاهش می‌دهد و در صورت محدودیت نمونه (مانند بسیاری از ازمایش‌های مولکولی) مشکلی ایجاد نمی‌شود. علاوه بر این در این سیستم‌ها جداسازی و تشخیص، با حساسیت و قدرت تفکیک بالا صورت می‌پذیرد. زمان بسیار کمتری برای انجام آزمایش مورد نیاز است و در نهایت با کاهش دخالت نیروی انسانی در انجام کار، از ایجاد بسیاری از آلودگی‌ها جلوگیری می شود [1].

2. تاریخچه
چهار عامل را می‌توان منشاء پیدایش فناوری میکروسیالی دانست که هرکدام سهمی در ایجاد و پیشرفت این فناوری داشته‌اند. قدیمی‌ترین عامل مربوط به پیدایش روش‌های میکروآنالیز همچون کروماتوگرافی مایع با فشار بالا (HPLC) است؛ که توانستند انقلابی در روش‌های آنالیز شیمیایی ایجاد کنند. به کارگیری این روش‌ها، حساسیت و قدرت تفکیک بالایی را در آنالیز مقادیر جزئی نمونه‌ها ممکن نبوده است. موفقیت این روش‌ها سبب شد تا با انجام تغییراتی در این روش‌ها کاربردهای تازه‌ای برای آن‌ها در علوم شیمی و زیست‌شناسی ایجاد شود.
دومین محرک از زیست‌شناسی مولکولی ایجاد شد. زمانی که در دهه‌ی ۱۹۸۰ یک افزایش انفجاری در داده‌های ژنومیک رخ داد که ایجاد روش‌های میکروآنالیزی مرتبط با زیست مولکولی را – مانند روش‌های توالی‌یابی - به دنبال داشت. این روش‌ها نیاز به ابزارهایی با کارکرد بالاتر و حساسیت و قدرت تفکیک بیشتر نسبت به ابزارهای قدیمی داشتند. فناوری میکروسیالی راه حل بسیار مناسبی برای غلبه بر این مشکلات بود.
سهم سوم مربوط به صنایع میکروالکترونیک است. اولین امیدواری‌ها برای ساخت تراشه‌های میکروسیالی، لیتوگرافی و فناوری‌های مرتبط با آن بود؛ که به صورت موفقیت آمیزی در ساخت تراشه‌های میکروالکترونیک به کار گرفته شده بود. این فناوری‌ها به صورت مستقیم در میکروسیال‌ها قابل استفاده هستند.
آخرین محرک ایجاد این فناوری در بخشی کاملا مجزا به وجود آمد. زمانی که پس از جنگ سرد صلاح‌های شیمیایی و بیولوژیکی در صنایع نظامی کاربرد پیدا کردند؛ وزارت دفاع ایالات متحده‌ی امریکا با ایجاد یک مرکز تحقیقاتی (DARPA)، سرمایه‌گذاری در بخش سیستم‌های میکروسیالی را افزایش داد؛ تا از قدرت این فناوری، در بخش نظامی سود ببرد. [1].

3. ساختمان و اجزای تراشه
1.3. ماده‌ی سازنده
با توجه به الهام‌گرفتن میکروسیال از میکروالکترونیک، اولین مواد مورد استفاده برای ساخت این تراشه‌ها سیلیکون و شیشه بودند. با وجود مزایای این مواد از جمله پایداری شیمیایی، عواملی از جمله گران‌بودن و غیرشفاف‌بودن سبب شد مواد جدیدی برای ساخت تراشه‌ها استفاده شود. در حال حاضر PDMS (polydimethylsiloxane) و دیگر پلیمرهای بر پایه‌ی Siloxane به صورت گسترده‌ای در ساخت تراشه‌های میکروسیالی به کار می‌روند [6-7]. این ماده مزایای فراوانی برای کاربرد در مصارف زیستی دارد. از جمله اینکه شفافیت آن امکان بررسی به وسیله‌ی میکروسکوپ نوری و فرابنفش را فراهم می‌آورد [8]. در برابر گازهایی همانند 2O2, CO2, N نفوذپذیر است که این خصوصیت برای بررسی سلول‌های پستانداران در این سیستم کاملا ضروری است [6]. غیرسمی قابل اتوکلاو است [9]. خواص سطحی این ماده را می‌توان بر اساس نوع کاربرد تراشه تغییر داد [6].

2.3. خواص فیزیکی سیالات میکرولوله‌ها
بهره‌گیری از خواص متفاوت فیزیکی سیالات در میکرولوله‌ها، سهم قابل توجهی در توسعه‌ی فناوری میکروسیالی ایفا کرده است. این تفاوت‌ها، کارکردهایی را ایجاد می‌کند که دستیابی به آن‌ها در مقیاس ماکرو بسیار سخت و یا حتی غیر ممکن است [1و3 و 10].
از جمله‌ی این خواص، متفاوت‌بودن نوع حرکت سیالات در میکرولوله‌هاست. در مقیاس ماکرولیتری، حرکت سیالات به صورت جریانات همرفتی است و مخلوط شدن به صورت آشفته و در تمام جهات انجام می‌پذیرد. در مقابل در حجم‌های میکرونی و نانویی از سیالات که درون میکرولوله‌ها جریان دارند؛ حرکت سیال به صورت خطی و جریان لامینار است و تنها در جهت موازی با دیواره‌ی لوله صورت می‌گیرد. این خاصیت، نیاز به صرف انرژی برای هدایت مسیر حرکت سیال درون کانال را مرتفع کرده، سبب سهولت در ازمایش می‌شود. همچنین در صورت تزریق همزمان دو نوع سیال در میکرولوله، این دو مخلوط نشده و تنها به صورت موازی جریان پیدا می کنند [3].
یکی دیگر از خواص مورد استفاده در میکروسیستم‌ها جریان الکترواسمزی است که از حرکت سیال حاوی یون درون میکرولوله‌ای که در سطح آن یون‌های ثابتی وجود دارد و در طول آن پتانسیل الکتریکی برقرار شده؛ ایجاد می‌گردد. در جریان معمول سیال، سطح پیشروی سیال سهمی‌وار است. در مقابل جریان الکترواسمزی یک سطح صاف در مقطع لوله ایجاد می‌کند که این امر سبب افزایش قدرت تفکیک درجداسازی سیالات می‌شود [11-12].

3.3. اجزای دستگاه
در یک دستگاه میکروسیالی ساختارهایی تعبیه می‌شود که عملکرد آن‌ها سبب هدایت سیالات درون تراشه و ایجاد واکنش‌های مورد نظر می‌گردد. از جمله می‌توان به دریچه‌ها، مخلوط کننده‌ها و پمپ‌ها اشاره کرد.
دریچه محلی است که دو یا چند کانال به هم می‌رسند؛ بنابراین نقش دریچه‌ها هدایت مسیر سیالات است. گاهی هدایت جریان به وسیله‌ی دریجه‌های غیرمکانیکی صورت می‌گیرد. مثلا با استفاده از خواص جریان الکترواسمزی [13] یا با ایجاد قطعات آب‌گریز روی سطح کانال [14]. دریچه‌های مکانیکی نیز قطعات متحرکی از جنس سیلیکون، شیشه یا PDMS هستند که در عرض کانال قرار گرفته و باز و بسته می‌شوند [۲و۶ و ۱۵-۱۶].
با توجه به حرکت خطی سیالات درون میکرولوله‌ها و کُند بودن مخلوط شدن سیالات، در دستگاه‌هایی که مخلوط شدن سریع مد نظر است از مخلوط کننده‌ها استفاده می‌شود. مخلوط کننده‌ها به دو نوع غیرفعال و فعال تقسیم می‌شوند [۱۷ و ۱۸].
جابه‌جایی سیالات در تراشه معمولا با بهره‌گیری از سازوکارهای غیرفعال صورت می‌گیرد. با این حال بسیاری از سیستم‌های میکروسیالی برای وارد کردن سیال و جابه‌جایی آن درون دستگاه از پمپ‌های فعال بهره می‌برند. پمپ‌ها به دو دسته‌ی اصلی مکانیکی و غیرمکانیکی تقسیم می شود [19 و 6].

4.3. روش ساخت
در ابتدا روش‌های فتولیتوگرافی، مهم‌ترین کاندیدا برای ساخت تراشه‌های زیستی بودند [6] و در ساخت آرایه‌های DNA مورد استفاده قرار گرفتند [20]. با وجود پیشرفته بودن این فناوری، استفاده از آن در علوم زیستی محدودیت‌هایی ایجاد می‌کند. در سال ۱۹۹۸ مجموعه‌ای از تکنیک‌ها با نام لیتوگرافی نرم معرفی شدند که قادر به ایجاد الگوسازی در ابعاد میکرو هستند و از گسترش و تکامل روش‌های قدیمی به دست آمده‌اند [21].
همچنین با کوچک شدن ابزارها، نسبت سطح به حجم افزایش پیدا می‌کند و خصوصیات سطحی نقش مهمی را در کارایی ایفا خواهند کرد. در سیستم‌های میکروسکوپی غالبا ایجاد تغییرات در خواص سطحی، در حد جزئیات مولکولی ضروری است، در ساخت تراشه‌ها نیز به منظور تنظیم ارتباطات زیستی سطوح از تک لایه‌های خودآرا SAM (Self assembled monolayers) – لایه‌های از آلکان تیولات‌ها که بر روی صفحات طلا قرار دارند - استفاده می‌شود [22].
ادغام این دو روش نقش ممتازی در ایجاد میکروسیستم‌های قابل استفاده در زیست شناسی داشته است.
در ساخت تراشه‌های میکروسیالی تنها شکل فیزیکی و محل قرارگیری کانال‌ها اهمیت ندارد. بلکه یک الگوی شیمیایی نیز باید وجود داشته باشد که مشخص می‌کند نمونه‌های پروتئینی یا سلولی در کدام بخش‌ها قرار بگیرند. سطوح داخلی کانال‌ها باید به گونه‌ای طراحی شوند که بر اساس نیاز آزمایش، قسمت‌هایی قابل دسترس و جاذب برای پروتئین‌ها و سلول باشند؛ در حالی‌که سایر قسمت‌ها مانع اتصال شوند. به عنوان نمونه پروتئین‌ها توانایی اتصال به اغلب سطوح آب‌گریز را دارند بنابراین با تغییر آب دوستی می‌توان سطوحی ایجاد کرد که جاذب و یا غیرجاذب برای پروتئین‌ها باشند. روش چاپ نرم توانایی ایجاد این الگوهای شیمیایی را دارد [5]. از لایه‌های SAMs نیز برای ایجاد خواص مولکولی سطوح مانند رطوبت، چسبندگی، جذب پروتئین‌ها و اتصال سلول‌ها استفاده می شود [۲۲-۲۳].

4. کاربرد فناوری میکروسیالی در زیست شناسی سلولی و مولکولی
وجود مزایای فراوان از جمله کاهش حجم نمونه‌ها، تولید مقادیر کم ضایعات و صرفه‌جویی در وقت و هزینه، سبب شده است تا فناوری میکروسیالی کاربران فراوانی را در بخش‌های مختلف زیست شناسی، شیمی، مهندسی و پزشکی جذب کند. علاوه بر این تراشه‌های میکروسیالی می‌توانند سازنده‌ی ساختارهایی باشند که ابعاد آن‌ها متناسب با ابعاد سلول‌های پروکاریوت و یوکاریوت است. این ویژگی سبب شده فناوری میکروسیالی به صورت ویژه‌ای برای مطالعات زیست‌شناسی سلولی مفید واقع شود [1 و 10].
توانایی تراشه‌های میکروسیالی در ایجاد محیطی متناسب با ابعاد سلول‌ها در مطالعه‌ی رفتار سلول‌ها اهمیت فراوانی دارد. در مطالعات معمولی در شیشه، رفتار و واکنش‌های مربوط به یک جمعیت سلولی بررسی می‌شود. اما با استفاده از میکروسیالی می‌توان محیط پیرامون یک سلول را کنترل نمود و تاثیرات عوامل گوناگون شیمیایی و فیزیکی بر روی یک سلول منحصر به فرد و پاسخ سلول به این عوامل را بررسی کرد. وجود جریان‌های لامینار و حرکت مواد از طریق انتشار، که به کندی صورت گیرد، قابلیت ایجاد یک شیب غلظتی را فراهم می‌سازد و می‌توان رفتار یک سلول را در یک شیب غلظتی مشاهده کرده و حتی اثر غلظت مواد را بر روی بخش‌های مختلف یک سلول بررسی نمود [24]. ایجاد شیب غلظتی در مطالعات عصب شناسی نیز کاربرد فراوان دارد. علاوه بر این می‌توان اثرات غلظت‌های متفاوت فاکتورهای رشد را بر تمایز و تکوین سلول‌ها بررسی نمود [25]. همچنین با استفاده از تراشه‌های میکروسیالی می‌توان محیط‌های شبه in vivo یا شبه‌بافت ساخت و رفتار یک جمعیت سلولی را بررسی کرد. این خاصیات در غربالگری‌های مربوط به مطالعات داروسازی استفاده‌ی فراوان دارد [10].
در ادامه برخی کاربردهای سلولی و مولکولی، به صورت خلاصه معرفی می‌شود.

۱.۴. مطالعات سلول‌های بنیادی
سلول‌های بنیادی، سلول‌های ویژه‌ای هستند که توانایی تمایز به سایر انواع سلول‌ها را دارند. امروزه پژوهش‌های فراوانی برای درک عوامل موثر در تمایز سلول‌های بنیادی و ایجاد سلول‌های تمایزیافته‌ی مورد استفاده در بخش‌های درمانی انجام می‌شود؛ که در بسیاری از بخش‌ها نیز موفقیت آمیز بوده است. با این وجود استفاده از روش‌های عادی کشت سلولی محدودیت‌هایی را در این پژوهش‌ها ایجاد کرده است. از جمله این که هنوز درک صحیحی از محیط پیرامون سلول‌ها در حد میکرو، که تنظیم‌کننده‌ی تکثیر و تمایز است، وجود ندارد. محیط میکروی پیرامون سلول‌های بنیادی شامل عناصری همانند: ماده‌ی زمینه‌ای سلولی، عوامل بیوشیمیایی، عوامل فیزیک‌وشیمیایی و همچنین محرک‌های مکانیکی است. عدم توانایی تغییر محیط میکرومتری پیرامونی در روش‌های معمول کشت سبب شده تا تاثیر این عوامل در سرنوشت تمایزی سلول‌ها ناشناخته بماند. فناوری میکروسیالی یگانه ابزاری است که امکان کنترل محیط پیرامونی سلول‌ها را در ابعاد میکرو ایجاد می‌کند و علاوه بر آن میزان استفاده از سلول‌ها و محلول‌های گران قیمت را به حداقل می‌رساند [۲۶-۲۷].
به عنوان نمونه در سال ۲۰۰۵ سیستم میکروسیالی ایجاد کننده‌ی شیب غلظت، برای بهینه‌سازی تکثیر و تمایز سلول‌های بنیادی عصبی در محیط کشت، معرفی شد. سلول‌های بنیادی عصبی انسانی، به مدت بیش از یک هفته در این دستگاه کشت داده شدند؛ در حالیکه در این زمان تحت اثر شیب غلظتی مخلوطی از فاکتورهای رشد شامل فاکتور رشد اپیدرمی (EGF)، فاکتور رشد فیبروبلاستی (FGF2) و فاکتور رشد مشتق از پلاکت (PDGF) قرار داشتند. تکثیر و تمایز سلول‌های بنیادی عصبی به استروسیت با استفاده از روش میکروسکوپی و ایمونوسیتوشیمی دیده شد. سلول‌‌ها در تمام مدت کشت سالم باقی مانند و با درجات متفاوتی متناسب با غلظت فاکتور رشد تمایز یافتند [28].

2.4. بررسی حرکت شیمیوتاکسی نوتروفیل
در سال ۲۰۰۲ یک سیستم میکروسیالی معرفی شد که به کمک آن مهاجرت نوتروفیل‌ها براثر فرایند شیمیوتاکسی در یک شیب غلظتی از مواد جاذب شیمیایی بررسی می‌شود. این سیستم از یک بخش ایجاد‌کننده‌ی شیب غلظت و یک بخش برای رصد‌کردن رفتار سلول‌ها تشکیل شده است. بخش ایجاد کننده‌ی شیب غلظت، شبکه‌ای از میکرو کانال‌های مرتبط است که بلافاصله بعد از قسمت ورودی قرار گرفته‌اند. این سیستم دو ورودی دارد. به اولین ورودی محلول HBSS و به دومین ورودی HBSS به همراه ماده‌ی جاذب شیمیایی وارد می‌شوند. این دو محلول در شبکه‌ای از کانال‌ها مرتبا از هم تفکیک شده؛ ترکیب شده و با هم مخلوط می‌شوند و در نهایت یک مجموعه‌ی افزاینده از کانال‌ها و غلظت ایجاد می‌شود. در پایان شبکه، تمامی کانال‌ها به هم می‌پیوندند و یک میکرو کانال عریض می‌سازند که در طول آن یک شیب غلظتی وجود دارد. این کانال اصلی به عنوان بخش رصد استفاده می‌شود؛ که سلول در آن قرار داده شده و رفتار آن مورد بررسی قرار می گیرد [24]. (شکل ۳)

filereader.php?p1=main_eccbc87e4b5ce2fe2
شکل 3- سیستم میکروسیالی ایجاد کننده‌ی شیب غلظت، به منظور مطالعه‌ی حرکت نوتروفیل‌ها در شیب غلظتی اینترلوکین 8 [24].

4.3. مطالعه‌ی بخشی از سلول: مطالعه‌ی اکسون‌ها
یک دستگاه میکروسیالی برای مطالعه‌ی جداگانه‌ی اکسون‌ها طراحی شده است. این دستگاه از دو بخش مجزا تشکیل شده که به صورت فیزیکی از هم جدا می‌شوند. در میان مانع فیزیکی، شیارهایی قرار دارد که جوانه‌های عصبی می‌توانند در آن‌ها رشد کنند؛ در حالی که سیالات توانایی عبور از این شیارها را ندارند و جابه‌جایی مواد بین دو بخش انجام نمی‌گیرد. سلول‌ها در بخش جسم سلولی کشت داده می‌شوند. پس از سه تا چهار روز، جوانه‌های عصبی رشد کرده و از درون شیارها به بخش عصب نفوذ می‌کنند. اجسام سلولی توانایی عبور از شیارها را ندارند. بنابراین زوائد عصبی به تنهایی در بخشی جدا رشد می‌کنند.
از این سیستم می‌توان برای مطالعه‌ی فرآیند میلین‌دار شدن، صدمات اکسونی و باز زایی آن‌ها بهره برد. همچنین این تراشه برای تحقیقات در زمینه‌ی بیماری‌های اکتسابی مرتبط با اکسون، مانند آلزایمر کاربرد دارد [29]. (شکل ۴)

filereader.php?p1=main_a87ff679a2f3e71d9
شکل 4- مطالعه‌ی جداگانه‌ی اکسون‌ها با استفاده از سیستم‌های میکروسیالی [29].

4. 4. آنالیز اسیدهای نوکلئیک
یکی از کاربردهای مهم و برجسته‌ی سیستم‌های میکروسیالی مطالعات اسیدهای نوکلئیک است. ابتدا سیستم‌هایی طراحی شدند که قادر به انجام یکی از آنالیزهای ژنتیکی مانند PCR، جداسازی قطعات DNA بر اساس اندازه و یا Microarray بودند و از DNA خالص به عنوان ورودی استفاده می‌کردند. در سال ۲۰۰۴ دستگاه میکروسیالی ساخته شد که در آن از نمونه‌ی خون به عنوان ورودی استفاده می‌شود و تمامی فرآیندهای آماده‌ سازی نمونه، استخراج DNA از نمونه، ازدیاد، هیبرید‌کردن و شناسایی DNA را انجام می دهد [30]. (شکل 5)

filereader.php?p1=main_e4da3b7fbbce2345d
شکل 5- شکل شماتیک و تصویر یک سیستم مرکب برای آنالیز DNA. مراحل آماده سازی نمونه، انجام PCR و تشخیص به وسیله‌ی میکرواری، همگی در یک دستگاه انجام می‌شوند [30].

۵.۴. مطالعات دارویی
در صنایع داروسازی طیف وسیعی انجام این آزمایش‌های سلولی و مولکولی انجام می‌شود. انجام این آزمایش‌ها به وسیله‌ی سیستم‌های ماکرو محدودیت‌هاى فراوانی از جمله زمان طولانی و صرف هزینه‌های بالا، رو‌به‌روست. استفاده از سیستم‌های میکروسیالی راه حل بسیار مناسبی برای غلبه بر این محدودیت‌ها‌ست. این سیستم‌ها در تمام مراحل کشف دارو و تکمیل مراحل توسعه قابل استفاده هستند [31].
از جمله در مرحله‌ی انتخاب و بررسی پروتئین هدف دارویی، یک سیستم مختلط میکروسیالی طراحی شده است که تمامی مراحل را شامل لیز سلول، نشان‌دار کردن، جداسازی و تعیین کمیت محتوای پروتئینی انجام می‌دهد [32]. در مرحله‌ی بعد این پروتئین باید جداسازی شده و به منظور تعیین ساختار کریستاله شود. سیستم‌های میکروسیالی ساخته شده‌اند که با بهره‌گیری از لوله‌های موئین و خاصیت ایزوالکتریک، پروتئین‌ها را در زمانی بسیار کوتاه و با دقت و بازده بالا تفکیک می کنند [33]. همچنین برای تهیه کریستال از چندین نوع تراشه‌ی میکروسیالی استفاده می‌شود که تا سال 2007 توانسته‌اند کریستال دوازده نوع پروتئین مختلف را که با روش‌های معمول قادر به تهیه آن نبوده‌اند، تهیه کنند [34].
در تمامی مراحل شناسایی مولکول دارو و غربالگری‌های مربوط به آن و همچنین بررسی اتصال دارو به مولکول هدف نیز از سیستم‌های میکروسیالی استفاده می‌شود. در مرحله‌ی پیش کلینیکی نیز برای انجام آزمایش‌هایی از قبیل بررسی سمیت دارو بر سلول‌های طبیعی و بیمار [35]. ، اثرات جمعی داروها بر درمان [36] و اثر دارو بر بافت خونی حیوانات به صورت مستقیم و بدون نیاز به نمونه گیری [37] سیستم‌های میکروسیالی طراحی شده است. در بخش مطالعات کلینیکی هم این سیستم‌ها کاربرد دارند به عنوان نمونه سیستم‌های میکروسیالی سیلیکونی طراحی شده‌اند که قادرند با تحریک الکتریکی دارو را رها سازند و غلظت مناسبی از دارو را بر اساس اثرات زیستی آن انتخاب کرده و با اعمال یک چرخه‌ی رهاسازی در بدن بیمار این غلظت را ثابت نگاه دارند [۳۸-۳۹].

6.4. بهداشت عمومی
یکی از مهم‌ترین کاربردهای سیستم‌های میکروسیالی، زیست پزشکی و کاربردهای مرتبط با آن است که حجم کمی از نمونه‌ها را نیاز دارد؛ قابل استفاده به وسیله‌ی افراد غیرمتخصص است و هزینه‌ها را کاهش می‌دهد. تاکنون تعداد زیادی سیستم‌های میکروسیالی ساخته شده که در بخش‌های تشخیصی کاربرد دارند. به نظر می‌رسد در آینده‌ای نزدیک با انجام اصلاحاتی در این فناوری می‌توان ابزارهای میکروسیالی تشخیصی ساخت به گونه‌ای تمامی تکنسین‌ها در آزمایشگاه‌های تشخیصی، زیست‌شناسان، مأمورین پلیس، کارمندان مراکز درمانی عمومی و حتی مردم عادی در منزل قادر به استفاده از آن‌ها باشند [1 و ۴۰]. (شکل ۶)

filereader.php?p1=main_1679091c5a880faf6
شکل 6 – نمونه‌ای از تراشه‌های میکروسیالی تشخیصی [40].

۵. جمع‌بندی
همان‌گونه که ذکر شاد به دلیل کاربردهای متنوع و فراوان سیستم‌های میکروسیالی و همچنین انعطاف‌پذیری بالای آن‌ها برای تولید ساختارهای جدید، استفاده از این سیستم‌ها جذابیت فراوانی دارد. در حال حاضر انواع مختلفی از این دستگاه‌ها طراحی شده‌اند. با این وجود این فناوری تنها در بخش‌های تحقیقاتی مورد استفاده است و نتوانسته به عنوان یک فناوری کاربردی وارد بازار مصرف شود. به این منظور، باید اصلاحاتی در نحوه‌ی کاربرد و هزینه‌های آن صورت گیرد؛ تا تبدیل به یک تکنیک همگانی و قابل استفاده به وسیله‌ی کاربران غیرمتخصص شود.
علاوه بر این فناوری میکروسیالی، هنوز نتوانسته است ارتباط مناسبی با صنعت برقرار کند. برای برقراری این ارتباط، باید یک تفاهم دوجانبه میان مراکز دانشگاهی و صنعتی صورت گیرد. مراکز دانشگاهی باید قیمت اولیه‌ی ایده‌های خود را کاهش داده و در مقابل کاربران بخش صنعت، ریسک تجاری‌سازی این ایده‌ها را بپذیرند [1].

منابـــع و مراجــــع

1.Whitesides GM, The origins and future of microfluidics, Nature, 442, 2006

2. Jessica Melin and Stephen R. Quake, Microfluidic Large-Scale Integration: The Evolution of Design Rules for Biological Automation, Annu. Rev. Biophys. Biomol. Struct.,36, 2007

3. Squires TM, Quake SR, Microfluidics: fluid physics at the nanoliter scale. Rev. Mod. Phys. 77, 2005

4. Paula Gould, Microfluidics realize potential, materials today, July/August 2004

5. Brivio M., Verboom W., Reinhoudt D.N, Miniturized countiniuos flow reaction vessels: influence on chemical reactions, Lab on a Chip, 6, 2006

6. George M.Whitesides, Emanuele Ostuni, Shuichi Takayama, Xingyu Jiang, and Donald E. Ingber, SOFT LITHOGRAPHY IN BIOLOGY AND BIOCHEMISTRY, Annu. Rev. Biomed. Eng., 3, 2001

7. Schmid H, Michel B., Siloxane polymers for high-resolution, high-accuracy soft lithography. Macromolecules 33, 2000

8. Chaudhury MK, Whitesides GM.. Direct measurement of interfacial interactions between semispherical lenses and flat sheets of polydimethylsiloxane and their chemical derivatives. Langmuir 7,1991

9. Peterson SL, McDonald A, Gourley PL, Sasaki DY., Poly (dimethylsiloxane) thin films as biocompatible coatings for microfluidic devices: cell culture and flow studies with glial cells. J Biomed Materi Res Part A;72A (1) , 2005

10. Johan Pihl, Jon Sinclair, Mattias Karlsson, and Owe Orwar, Microfluidics for cell-based assays. Materials today, 8 (12) : 46- 51, 2005

11. Pong Yu (Peter) Huang “ElectroOsmotic Mixing in Microchannels” Sc. M. theses At Brown, May 2003

12. URL: http://www.egr.msu.edu/liao/BE825/lecture20.pdf

13. Duffy DC, Schueller OJA, Brittain ST, Whitesides GM., Rapid prototyping of microfluidic switches in poly (dimethyl siloxane) and their actuation by electroosmotic flow. J. Micromech. Microeng. 9: 211–17, 1999

14. Handique K, BurkeDT, Mastrangelo CH, Burns MA., Nanoliter liquid metering in microchannels using hydrophobic patterns. Anal. Chem., 72: 4100–9, 2000

15. Kovacs GTA. Micromachined transducers sourcebook. In Valves, McGraw-Hill, 1998

16. Unger MA, Chou HP, Thorsen T, Scherer A, Quake SR, Monolithic microfabricated valves and pumps by multilayer soft lithography. Science 288: 113–16, 2000.

17. Andrew J. Demello, Control and detection of chemical reactions in microfluidic systems. Nature 442, 394-402, 2006

18. Ottino, J. M., Wiggins, S. Introduction: mixing in microfluidics. Phil. Trans. R. Soc. Lond. A 362, 923–935, 2004

19. D J Laser and J G Santiago, A review of micropumps. J. Micromech. Microeng, 14 R35–R64, 2004

21. Xia Y, Whitesides GM, Soft lithography, Angew. Chem. Int. Ed. Engl. 37: 550–75,1998

22. Mrksich M, Whitesides GM, Using self-assembled monolayers to understand the interactions of man-made surfaces with proteins and cells, Annu. Rev. Biophys. Biomol. Struct, 25: 55–78, 1996

23. Bain CD, Whitesides GM, Modelling organic surfaces with self-assembled monolayers, Angew. Chem. Int. Ed. Engl,. 28: 506–16,1989

24. Noo Li Jeon, Harihara Baskaran, Stephan K. W. Dertinger, George M. Whitesides, Livingston Van De Water & Mehmet Toner, Neutrophil chemotaxis in linear and complex gradients of interleukin-8 formed in a microfabricated device, Nature Biotechnology 20, 826–830, 2002

25. Dertinger SKW, Jiang XY, Li ZY, Murthy VN, Whitesides GM. Gradients of substrate-bound laminin orient axonal specification of neurons. Proc Natl Acad Sci USA, 99 (20) , 2002

26. El-Ali, J. et al., Cells on chips, Nature 442, 403–411, 2006

27. Danny van Noort, Siew Min Ong, Chi Zhang, Shufang Zhang, Talha Arooz, Hanry Yu, Stem Cells in Microfluidics, Biotechnol. Prog., Vol. 25, No.1, 2009

28. Bong Geun Chung, Lisa A. Flanagan, Seog Woo Rhee, Philip H. Schwartz, Abraham P. Lee, Edwin S. Monuki and Noo Li Jeon, Human neural stem cell growth and differentiation in a gradientgenerating microfluidic device, Lab Chip, 5, 401–406, 2005

29. Taylor AM, Rhee SW, Tu CH, Cribbs DH, Cotman CW, Jeon NL. Microfluidic multicompartment device for neuroscience research. Langmuir,19 (5) : 1551–6. 2003

30. Robin Hui Liu, Jianing Yang, Ralf Lenigk, Justin Bonanno, and Piotr Grodzinski, Self-Contained, Fully Integrated Biochip for Sample Preparation, Polymerase Chain Reaction Amplification, and DNA Microarray Detection, Anal. Chem., 76 (7) , 1824–1831, 2004

31. Lifeng Kang, Bong Geun Chung, Robert Langer, and Ali Khademhosseini, Microfluidics for drug discovery and development: From target selection to product lifecycle management. Drug Discovery Today, 13 (1/2) : 1-13, 2008

32. Huang, B. et al., Counting low-copy number proteins in a single cell, Science 315, 81–84, 2007

33. Gustafsson, M., D. Hirschberg, C. Palmberg, H. Jornvall, and T. Bergman, Integrated sample preparation and MALDI mass spectrometry on a microfluidic compact disk. Anal. Chem. 76: 345-350, 2004

34. Lau, B.T. et al., A complete microfluidic screening platform for rational protein crystallization, J. Am. Chem. Soc. 129, 454– 455,2007

35. Mitchell, M.C. et al., Microchip-based synthesis and analysis: control of multi component reaction products and intermediates, Analyst 126, 24–27, 2001

36. Khamsi, R, Labs on a chip: meet the stripped down rat, Nature 435, 12–13, 2005

37. Wu, H.M. et al., In vivo quantization of glucose metabolism in mice using small-animal PET and a microfluidic device. J. Nucl. Med. 48, 837–845, 2007

38. Groisman, A. et al. Microfluidic memory and control devices. Science 300, 955–958, 2003

39. Brazil M, Nat. Rev. Drug Discov, 2, 2003

40. Paul Yager, Thayne Edwards, Elain Fu, Kristen Helton, Kjell Nelson, Milton R. Tam2 & Bernhard H. Weigl, NATURE,Vol 442, 27, 2006