میکروفلوئیدیک، علمی میان‌رشته‌ای است که رفتار سیالات را در مقیاس میکرومتری بررسی می‌کند و امکان کنترل دقیق مایعات و گازها را در کانال‌های کوچک فراهم می‌سازد. این فناوری، که در دهه 1980 ظهور کرد، کاربردهای گسترده‌ای در پزشکی، زیست‌فناوری، شیمی، و مهندسی دارد. از تراشه‌های Lab-on-a-Chip گرفته تا سنسورهای زیستی، میکروفلوئیدیک با کاهش حجم نمونه‌ها، افزایش دقت، و تسریع فرآیندها، انقلابی در علوم و فناوری ایجاد کرده است. ابرار صنعتی به بررسی اصول و فناوری‌های مرتبط با میکروفلوئیدیک می‌پردازد.
میکروفلوئیدیک چیست؟
میکروفلوئیدیک به مطالعه و کنترل سیالات (مایعات و گازها) در کانال‌هایی با ابعاد 1 تا 1000 میکرومتر اشاره دارد. این فناوری، که از اصول فیزیک، شیمی، زیست‌شناسی، و میکروالکترونیک بهره می‌برد، امکان دستکاری حجم‌های بسیار کوچک (نانولیتر تا پیکولیتر) را فراهم می‌کند. میکروفلوئیدیک در طراحی سیستم‌هایی مانند Lab-on-a-Chip، که فرآیندهای آزمایشگاهی را روی یک تراشه ادغام می‌کنند، نقش کلیدی دارد. این فناوری با کاهش مصرف نمونه و معرف، افزایش سرعت تحلیل، و قابلیت حمل، در زمینه‌هایی مانند تشخیص پزشکی، تحقیقات زیستی، و نظارت محیطی تحول ایجاد کرده است.
اساس عملکرد میکروکانال‌ها و ریزجریان‌ها
میکروکانال‌ها، که قلب سیستم‌های میکروفلوئیدیک هستند، کانال‌هایی با مقطع عرضی 10 تا 500 میکرومتر هستند که سیالات از طریق آن‌ها هدایت می‌شوند. در این مقیاس، جریان سیال معمولاً لمینار است، به این معنا که لایه‌های سیال بدون اختلاط یا ایجاد اغتشاش حرکت می‌کنند، زیرا عدد رینولدز (Re) بسیار پایین است (Re < 1). این رفتار به دلیل غلبه نیروهای ویسکوز بر نیروهای اینرسی است. کنترل جریان از طریق نیروهای کاپیلاری، پمپ‌های خارجی (مانند پمپ‌های سرنگی)، یا روش‌های فعال مانند میدان‌های الکتریکی و صوتی انجام می‌شود. طراحی دقیق میکروکانال‌ها برای کاربردهایی مانند مخلوط کردن، جداسازی، یا واکنش‌های شیمیایی ضروری است.
بررسی کاربردهای میکروفلوئیدیک
ریزسیال شناسی کاربردهای گسترده‌ای در حوزه‌های مختلف دارد:
- پزشکی: تشخیص سریع بیماری‌ها (مانند SARS-CoV-2 و مالاریا) با استفاده از تراشه‌های Lab-on-a-Chip
- زیست‌فناوری: کشت سلولی سه‌بعدی، مهندسی بافت، و توالی‌یابی DNA
- شیمی: سنتز نانوذرات و تولید مواد شیمیایی با دقت بالا
- نظارت محیطی: شناسایی آلاینده‌ها و پاتوژن‌ها در آب، خاک، و هوا
- صنعت: تولید امولسیون‌ها در مواد غذایی، آرایشی، و دارویی. این فناوری با کاهش هزینه‌ها، افزایش دقت، و قابلیت حمل، در حال گسترش به حوزه‌هایی مانند دفاع (تشخیص عوامل شیمیایی) و انرژی (تولید سوخت‌های زیستی) است
نقش ریزسیال شناسی در پزشکی مدرن
میکروفلوئیدیک در پزشکی مدرن نقشی تحول‌آفرین دارد، به‌ویژه در تشخیص نقطه مراقبت (Point-of-Care). تراشه‌های میکروفلوئیدیک امکان انجام آزمایش‌های پیچیده مانند PCR، ایمونواسی، و آنالیز خون را با حجم‌های کم نمونه (چند میکرولیتر) فراهم می‌کنند. برای مثال، دستگاه‌های قابل‌حمل مبتنی بر ریزسیال شناسی می‌توانند بیماری‌های عفونی را در مناطق دورافتاده تشخیص دهند. فناوری ارگان-روی-تراشه (Organ-on-a-Chip) با شبیه‌سازی عملکرد اندام‌های انسانی، آزمایش داروها را بدون نیاز به مدل‌های حیوانی تسریع می‌کند. این فناوری همچنین در پزشکی شخصی‌سازی‌شده، مانند تحلیل پاسخ‌های دارویی بر اساس ژنتیک بیمار، کاربرد دارد.
ساختار تراشه‌های Lab-on-a-Chip
تراشه‌های Lab-on-a-Chip دستگاه‌هایی هستند که فرآیندهای آزمایشگاهی مانند مخلوط کردن، جداسازی، واکنش، و تشخیص را روی یک تراشه کوچک ادغام می‌کنند. این تراشه‌ها از میکروکانال‌ها، مخازن، و اجزای کنترلی مانند شیرها و پمپ‌های میکروسکوپی تشکیل شده‌اند. مواد رایج شامل سیلیکون، شیشه، و پلیمرهایی مانند PDMS هستند. طراحی تراشه شامل ورودی‌ها و خروجی‌های دقیق برای تزریق و تخلیه سیال است. برای مثال، تراشه‌های تشخیصی ممکن است شامل میکروکانال‌هایی برای هدایت نمونه خون به حسگرهای زیستی باشند. این تراشه‌ها با اتوماسیون و کاهش حجم نمونه، زمان تحلیل را به چند دقیقه کاهش می‌دهند.
کنترل مایعات در مقیاس میکرومتر
کنترل مایعات در مقیاس میکرومتر به دلیل رفتارهای خاص سیالات در این مقیاس، مانند غلبه نیروی کشش سطحی و ویسکوزیته، چالش‌برانگیز است. روش‌های کنترل شامل:
- غیرفعال: استفاده از نیروهای کاپیلاری و هندسه کانال برای هدایت سیال بدون نیاز به تجهیزات خارجی.
- فعال: استفاده از پمپ‌های سرنگی، شیرهای Quake، یا میدان‌های الکتریکی و صوتی برای کنترل دقیق جریان. برای مثال، در الکتروفورز مویرگی، میدان الکتریکی برای جداسازی مولکول‌ها استفاده می‌شود. این روش‌ها امکان دستکاری دقیق سیالات برای کاربردهایی مانند جداسازی سلول‌ها یا سنتز نانوذرات را فراهم می‌کنند.
طراحی سیستم‌های چندفازی و دوفازی
سیستم‌های چندفازی (مانند آب-در-روغن یا گاز-مایع) در ریزسیال شناسی برای تولید قطرات، امولسیون‌ها، و حباب‌ها استفاده می‌شوند. در سیستم‌های دوفازی، مانند امولسیون‌های آب-در-روغن، میکروکانال‌ها طوری طراحی می‌شوند که قطرات یکنواخت با اندازه‌های نانومتری تا میکرومتری تولید کنند. این فرآیند با استفاده از تقاطع‌های T شکل یا هندسه‌های جریان متمرکز انجام می‌شود. کاربردها شامل کپسوله‌سازی داروها، تولید میکروذرات، و شبیه‌سازی فرآیندهای زیستی است. کنترل دقیق نرخ جریان و خواص سطحی کانال (مانند آب‌دوستی یا آب‌گریزی) برای دستیابی به قطرات یکنواخت ضروری است.
شبیه‌سازی جریان سیالات در میکروفلوئید
شبیه‌سازی جریان سیالات در میکروفلوئیدیک برای طراحی بهینه میکروکانال‌ها و پیش‌بینی رفتار سیال حیاتی است. نرم‌افزارهایی مانند COMSOL Multiphysics و ANSYS Fluent برای مدل‌سازی جریان‌های لمینار، انتقال حرارت، و واکنش‌های شیمیایی استفاده می‌شوند. این شبیه‌سازی‌ها اثرات کشش سطحی، ویسکوزیته، و هندسه کانال را در نظر می‌گیرند. برای مثال، شبیه‌سازی می‌تواند نحوه مخلوط شدن دو سیال در یک میکرومیکسر یا جداسازی ذرات در یک کانال پینچ‌شده را پیش‌بینی کند. این ابزارها هزینه‌های آزمایش را کاهش داده و طراحی سیستم‌های پیچیده مانند ارگان-روی-تراشه را تسهیل می‌کنند.
مواد رایج در ساخت میکروچیپ‌ها
مواد مورداستفاده در میکروچیپ‌ها شامل:
- سیلیکون: به دلیل سازگاری با تکنیک‌های میکروالکترونیک، برای کاربردهای اولیه استفاده شد، اما گران و شکننده است.
- شیشه: شفاف و مقاوم به مواد شیمیایی، اما نیاز به فرآیندهای پیچیده مانند حکاکی شیمیایی دارد.
- پلیمرها (PDMS، PMMA، PC): ارزان، انعطاف‌پذیر، و مناسب برای نمونه‌سازی سریع. PDMS به دلیل نفوذپذیری گازی و سهولت قالب‌گیری بسیار محبوب است.
- کاغذ: برای دستگاه‌های تشخیصی ارزان‌قیمت در مناطق کم‌منابع.
انتخاب ماده به کاربرد (مانند زیست‌سازگاری یا مقاومت شیمیایی) و روش ساخت (مانند لیتوگرافی یا چاپ سه‌بعدی) بستگی دارد.
چاپ سه‌بعدی در تولید سیستم‌های میکروفلوئید
چاپ سه‌بعدی، به‌ویژه با تکنیک‌هایی مانند پلیمریزاسیون دوفوتونی (2PP) و استریولیتوگرافی (SLA)، تولید میکروفلوئیدیک را متحول کرده است. این روش امکان ساخت میکروکانال‌های پیچیده با رزولوشن زیرمیکرومتر را فراهم می‌کند. برای مثال، چاپگرهای Nanoscribe می‌توانند ساختارهای سه‌بعدی مانند نازل‌ها و فیلترها را مستقیماً در کانال‌های مهرشده چاپ کنند. چاپ سه‌بعدی هزینه‌های نمونه‌سازی را کاهش داده و امکان تولید سریع تراشه‌های سفارشی برای کاربردهایی مانند کشت سلولی و سنتز مواد را فراهم می‌کند. بااین‌حال، محدودیت‌هایی مانند کیفیت سطح و انتخاب مواد همچنان چالش‌هایی هستند.
بررسی انواع جریان در میکروکانال‌ها
جریان در میکروکانال‌ها به دو نوع اصلی تقسیم می‌شود:
- جریان لمینار: شایع‌ترین نوع در میکروفلوئیدیک، که در آن لایه‌های سیال به‌صورت موازی و بدون اختلاط حرکت می‌کنند. این جریان برای جداسازی دقیق ذرات یا مولکول‌ها مناسب است.
- جریان آشوبناک (در موارد نادر): در کانال‌های بزرگ‌تر یا با نرخ جریان بالا ممکن است رخ دهد، اما به دلیل عدد رینولدز پایین در میکروفلوئیدیک غیرمعمول است.
روش‌های خاص مانند جریان متمرکز (Flow Focusing) یا جریان قطره‌ای (Droplet Flow) برای کاربردهای چندفازی استفاده می‌شوند. کنترل این جریان‌ها با هندسه کانال و نیروهای خارجی مانند فشار یا میدان الکتریکی انجام می‌شود.
سنسورهای زیستی مبتنی بر میکروفلوئیدیک
سنسورهای زیستی میکروفلوئیدیک برای تشخیص مولکول‌های زیستی مانند پروتئین‌ها، DNA، و پاتوژن‌ها طراحی شده‌اند. این حسگرها از میکروکانال‌ها برای انتقال نمونه به سطوح حسگر (مانند نانوذرات طلا یا آنتی‌بادی‌های متصل) استفاده می‌کنند. برای مثال، حسگرهای SERS (طیف‌سنجی رامان تقویت‌شده سطحی) در تراشه‌های کاغذی برای تشخیص نشانگرهای قلبی (مانند CK-MB) استفاده می‌شوند. ادغام این حسگرها با میکروفلوئیدیک حساسیت بالا، زمان پاسخ سریع، و مصرف نمونه کم را فراهم می‌کند. کاربردها شامل تشخیص سرطان، بیماری‌های عفونی، و نظارت بر محیط‌زیست است.
منبع: ابرار صنعتی
