Команда из факультета химического машиностроения Арти Макферрина Техасского университета A&M под руководством доцента доктора Закари Ганьона и аспиранта доктора наук Назибула Ислама разработала новый способ изготовления диагностических устройств с использованием бумажной микрофлюидики, которые можно быстро прототипировать и масштабируется для производства.

Их исследование недавно было опубликовано на обложке The Analyst.

Область микрофлюидики подробно описывает движение жидкостей по крошечным каналам и то, как это движение можно контролировать для использования в технологических приложениях. Примеры этих микрожидкостных систем включают диагностические устройства , такие как тесты на беременность и COVID-19.

Эти системы содержат как насос, так и чип, где насос перемещает жидкость в крошечные каналы на чипе, по которым течет жидкость, в конечном итоге сталкиваясь с диагностическим реагентом — веществом, которое химически реагирует с антителами или агентами, которые инициируют идентифицируемую химическую реакцию.

Например, образец слюны или слизи предоставляется при сдаче теста полимеразной цепной реакции (ПЦР) на COVID-19. Жидкость переносится по каналам на чипе в микролунки, где вирусная рибонуклеиновая кислота (РНК) сначала преобразуется в ДНК, а затем амплифицируется. В присутствии вируса SARS-COVID-2 реагенты ПЦР инициируют вышеуказанные шаги для обнаружения COVID-19.

Несмотря на то, что они используются для различных приложений, исследования и разработки микрожидкостных устройств в сочетании с использованием в них пластмасс делают прототипирование и масштабирование этих устройств чрезвычайно дорогостоящим.

«Один запуск прототипа теста на беременность в небольшом масштабе может стоить шестизначных сумм, что делает практически невозможным выход на рынок потребительских микрофлюидных продуктов», — сказал Ганьон. «Академические лаборатории и исследователи публикуют статьи, но не могут коммерциализировать их. Наша мотивация — найти способ демократизировать платформы быстрого прототипирования, чтобы исследователи могли коммерциализировать свой микрофлюидный продукт».

Чтобы решить эту проблему, исследователи обратились к бумажной микрофлюидике. Микрофлюидика на основе бумаги — не новая идея. Его предыдущее использование в диагностических устройствах основано на впитывании жидкости — процессе, при котором жидкость может течь благодаря особой геометрии камер без внешних сил. Типичными примерами бумажных устройств на основе впитывающей жидкости являются тесты на беременность и домашние тесты на антитела / антигены COVID.

В то время как пассивное обращение с жидкостью помогло разработать несколько диагностических тестов, отсутствие активного контроля жидкости и, как следствие, изменчивость капиллярного транспорта из-за испарения с поверхности является основным техническим ограничением для бумажных микрожидкостных устройств.

Напротив, бумажные микрофлюидные устройства исследователей функционируют аналогично традиционным пластиковым микрофлюидным устройствам. Их метод позволяет исследователям изготавливать диагностические устройства с использованием ламинированной бумаги для направления пористых микрофлюидных непрерывных потоков с использованием внешних источников давления, таких как насосы. Другими словами, ламинированная бумага может направлять жидкость через пористые бумажные структуры с высокой точностью и может использоваться в сложных системах обработки жидкостей, таких как ПЦР и машины для секвенирования ДНК.

«Наше исследование показало, что мы можем создавать диагностические устройства, которые обычно требуют точного изготовления в чистых помещениях, из бумаги, которую мы ламинировали в нашей лаборатории, и, по сути, обнаруживают тот же тип поведения потока», — сказал Ганьон.

Их диагностические устройства на бумажной основе требуют минимального оборудования, могут быть быстро прототипированы и масштабированы для производственных целей за небольшую часть стоимости традиционных микрофлюидных устройств, что делает доступным и недорогим путь для микрофлюидных операций.

Пористая природа бумаги дает несколько преимуществ, поскольку она обеспечивает непрерывный поток жидкости, расширяя область применения бумажных микрожидкостных устройств. Например, Ислам использовал эту технику изготовления для исследования различных применений бумажной микрофлюидики, таких как изучение эластичности эритроцитов или концентрирование ДНК. Другой аспирант факультета химического машиностроения, Джарад Йост, использовал эту технологию для амплификации ДНК с помощью бумажного микрожидкостного устройства, устраняя необходимость в большом и громоздком лабораторном оборудовании.

«Исследование предлагает потенциальную замену традиционным микрожидкостным устройствам», — сказал Ганьон. «Мы показали, что между микрофлюидными конструкциями на бумажной основе и традиционными конструкциями достаточно общего, что дает возможность другим специалистам в области микрофлюидики коммерциализировать свои продукты».