Ett viktigt koncept i framtida sjukvård är utvecklingen av enheter som kallas "lab on a chip". Dessa "chips, "inte relaterat till de elektroniska som finns i datorer, är små anordningar där biologiska vätskor - till exempel blod eller urin - injiceras för att fylla speciellt utformade mikroskopiska kanaler. Dessa kanaler skulle innehålla biosensorer som kan detektera exempelvis specifika markörer för sjukdomar i vätskan och ge en snabb diagnos. Ett stort antal analyser kan utföras på en enhet på några centimeter kvadrat. Dock, en problem som uppstår är storleken på vätskeprovet som injiceras inuti chipet, med små volymer ner till en miljarddels liter. På grund av brist på tillgänglig teknik, forskare förstår ännu inte helt hur vätskor - särskilt komplexa av biologiskt ursprung - beter sig i så små skalor.

Prof. Amy Shen och hennes teammedlemmar från enheten Micro/Bio/Nanofluidics vid OIST har fokuserat sina ansträngningar på att använda mikrofluidik som ett verktyg för att avslöja lagar och principer som styr komplexa vätskors beteende i mikroskopisk skala. Sedan i en andra fas, de använder dessa upptäckter för att tillhandahålla direkta tillämpningar inom vård och bioteknik. Deras senaste fynd finns i Journal of Rheology från American Institute of Physics.

Karakteriserar beteendet hos polymerlösningar i mikroskopisk skala

Polymerer är stora molekyler byggda av många upprepade liknande enheter. De är allestädes närvarande i vardagen, består av de flesta syntetiska material som vi använder, från tyger till gummi och polystyren. Flytande polymerlösningar finns i många kommersiella föremål från hushållsrengöringsprodukter till färg. Men det är i mikroskopisk skala som polymerlösningar drastiskt kan förbättra diagnostiska verktyg.

"När du tillsätter en polymer till en suspension av partiklar i vatten, du utlöser ett nytt fenomen i mikrofluidkanalen, "Dr Del Giudice förklarade." Dessa polymerer börjar fungera som fjädrar för att sparka partiklar eller celler i suspensionen, skjuta dem mot mitten av kanalen och främja deras inriktning. "Att kunna ordna partiklar eller celler i en mikroskopisk kanal representerar en enorm förbättring för användningen av biosensorer vid sjukvårdsdiagnos. Polymerlösningar kan till och med separera och sortera ut efter storlek olika komponenter i en komplex biologisk vätska - till exempel blod, består av celler och aggregat av många storlekar - inom ett enda mikrofluidiskt chip.

Men detta fenomen är starkt beroende av polymerens natur. Det tar tid för polymeren i en utspädd lösning att återgå till sin ursprungliga form efter att den deformerats av flödet. Denna försening, kallade avkopplingstiden, är en kritisk parameter att mäta för att beskriva polymerbeteende. I dag, nuvarande tekniker för att mäta avslappningstider begränsas av känsligheten hos tillgängliga kommersiella instrument, som endast kan mäta relativt långa avslappningstider såsom koncentrerade polymerlösningar i stora volymer.

I deras arbete, Dr Francesco Del Giudice och Dr Simon Haward utformade mikrofluidiska enheter för att observera polymerdeformation och avslappning inom mikrometerövergripande kanaler. Dessa plattformar gör det möjligt för forskare att sträcka eller skära polymerer efter behag med låga volymer och låga koncentrationer och för att registrera reaktionerna på dessa krafter. På det här sättet, de kan karakterisera utspädda polymervätskor med även mycket korta avkopplingstider, och har därmed en mycket bättre uppfattning om deras beteende i mikroskopisk skala.

Genom att använda dessa nya mikrofluidiska verktyg skulle forskare kunna skapa en katalog med olika polymervätskor vars avslappningstider är kända. Med en sådan databas till sitt förfogande, forskare kan sedan välja en polymer som är lämplig för inriktning och/eller separation av molekyler inom den biologiska vätskan de vill studera inuti deras chip. "Den här vägen, att förstå polymerlösningar gör att du kan skapa en plattform med hög kapacitet på ett chip som består av flera olika moduler, var och en utför olika analyser "tillade Dr. Del Giudice.