Om du någonsin har stannat för att se regnet falla på en fönsterruta, du har sett vad som händer när två droppar vatten berör och smälter samman till en. Fysiken som fungerar i detta fenomen kan ge upplåsningslösningar för utveckling av miniatyriserade personliga biologiska analysanordningar. Ett internationellt team av forskare från IBM Research-Zurich och Microfluidics for Oncology Laboratory vid Polytechnique Montréal har rapporterat denna upptäckt i Natur .

Installera ett labb på ett chip:en långvarig utmaning

Under de senaste två decennierna, forskning som utförts runt om i världen på så kallade lab-on-a-chip-enheter har visat lovande för bärbara verktyg som endast kräver ett litet prov av kroppsvätska (t.ex. blod, saliv, urin) för att screena för sjukdomar eller mäta biologiska data. Den här typen av miniatyrsystem finns redan för enkla mätningar gjorda med få reagens:glukosmätare och graviditetstester är två exempel. Men mer komplexa analyser, som kräver att ett enda prov blandas med en serie reagenser i exakta mängder i en specifik ordning, har visat sig svårare att utveckla.

Ett av de mest lovande tillvägagångssätten för att integrera flera reagenser i en testenhet är att deponera små droppar (några miljarddelar av en milliliter) i ett mikrosystem med en teknik som är analog med bläckstråleutskrift, och sedan försegla enheten. Vid kontakt med luft, de små mängderna vätska avdunstar omedelbart, lämnar en mycket exakt sekvens av torkade reagenser, som kan rehydreras när vätskeprovet tillsätts vid tidpunkten för testet. En stor svårighet har bestått, dock:När vätskan rör sig över de torkade reagensen, det skingra dem, "förvränga signalen, "och förhindrar utförande av känsliga diagnostiska steg som involverar exakta biokemiska mätningar.

För att angripa spridningsproblemet, Onur Gökçe, Yuksel Temiz och Emmanuel Delamarche från IBM Research-Zurich fick idén att sträcka ut en vattendroppe till en lång bandliknande form i en mikrokanal lika bred som ett människohår, och tvingar vätskan att vikas över sig själv. Genom att göra så, vattenprovet sluter på ett sätt som liknar ett blixtlås som fästs.

"Denna mycket spännande process tillåter oss att minska, till ett minimum, vätskans flödeshastighet lokalt, var de torkade reagensen finns, så att när reagensen rehydreras, de skingras inte längre, " förklarar Emmanuel Delamarche, chef för Precision Diagnostics-gruppen på IBM Research-Zurich.

Även om de observerade resultaten var avgörande, teamet studerade fenomenet vätskedynamik på jobbet så att det kunde utnyttjas som en del av en pålitlig process. Professor Thomas Gervais, chef för Microfluidics for Oncology Laboratory vid Polytechnique, tacklade den delen av projektet.

Från experiment till modellering

Genom att ytterligare studera vattendroppens beteende, forskarna drog slutsatsen att det var relaterat till fenomenet koalescens, ett exempel på det ses i den spontana sammansmältningen av två droppar av en vätska som kommer i kontakt med varandra. I fysik termer, koalescens härrör från den starka affiniteten mellan vattenmolekyler, vars effekt är att minska vattenytan som exponeras för luften till ett minimum. Det är därför små vattendroppar är sfäriska:av alla geometriska former, sfären har den minsta ytan för en given volym.

"I detta fall, dock, vi var tvungna att studera vad som händer när en vattendroppe förvrängd i en mikrokanal smälter samman med en annan del av sig själv, Professor Gervais förklarar. "Vårt mål var att förstå fenomenet och kontrollera det, så att vi kan tvinga vätskan att stagnera på exakt den plats där den möter ett reagens inuti enheten."

modellering av fenomenet, som laget kallade "self-coalescence, " baserades på ett matematiskt tillvägagångssätt utvecklat på 1950-talet för att studera obegränsade tvådimensionella viskösa flöden. Arbetet utfördes med hjälp av beräkningstekniker utvecklade av Samuel Castonguay, som avslutar sin Ph.D. i teknisk fysik vid Polytechnique under professor Gervais ledning. För att harmonisera modelleringsresultaten med experimentresultaten, Mr. Castonguay åkte till Zürich, arbetade i några månader med IBM-forskarna.

"Inte bara har våra modeller gjort det möjligt för oss att bemästra denna nya typ av flöde, men vi kan också mycket exakt programmera rumsliga och tidsmässiga konfigurationer av kemiska signaler med en kombination av reagenser, med minimal spridning, och utan behov av användaringripande, " Professor Gervais noterar. "Samarbetet mellan våra två team har därför gett upphov till en roman, särskilt flexibel och exakt biokemisk testarkitektur, som bevarar användningssekvensen för dussintals reagenser samtidigt under ett test."

Mot riktade mobila diagnostiska verktyg

IBM-teamet visade också att den här typen av arkitektur kan användas för att mäta enzymatiska reaktioner, med ett öga för att upptäcka olika sjukdomar (genetiska sjukdomar, till exempel). Det visade också ett proof-of-concept för en metod för DNA-amplifiering, en reaktion som används för att producera kopior av ett specifikt DNA-segment från ett prov, vid omgivningstemperatur. Metoden eliminerar behovet av en tekniker att utföra upprepade uppvärmnings- och kylcykler på provet. En enda provdroppe sätts in i enheten, och analys utförs automatiskt. Detta experiment visar potential för framtida användning av processen för att utföra DNA-sekvensering av gener associerade med patologier som cancer, och för att upptäcka vissa virus.

"Vår förhoppning är att vår process kommer att göra det möjligt för lab-on-a-chip-tillverkare att uppnå oöverträffad diagnostisk prestanda, med produkter som är lika enkla att använda som dagens glukosmätare, " säger Dr. Delamarche.

Slutligen, med tanke på att de biokemiska signalerna som registrerats av denna typ av test sannolikt kan läsas av en smartphone och överföras till en centraliserad databank, Testerna kan också spela en viktig framtida roll för att övervaka spridningen av epidemier i avlägsna regioner långt från vårdcentraler, och inom screening på nationell och internationell nivå för olika sjukdomar.