När du tänker på mikro- eller nanoteknik, du tänker förmodligen på liten elektronik som din telefon, en liten robot eller ett mikrochip. Men COVID-19-tester – som har visat sig vara centrala för att kontrollera pandemin – är också en form av miniatyriserad teknologi. Många covid-19-tester kan ge resultat inom några timmar utan att du behöver skicka ett prov till ett labb, och de flesta av dessa tester använder en metod som kallas mikrofluidik.

Jag är professor i bioteknik och arbetar med mikrofluidik för min forskning. Allt från graviditetstester till glukosremsor till bläckstråleskrivare till genetiska tester är beroende av mikrofluidik. Denna teknik, utan att många människor vet, är överallt och avgörande för många av de saker som får den moderna världen att gå runt.

Vad är mikrofluidik?

Mikrofluidsystem är alla enheter som behandlar små mängder vätskor. Vätskorna går genom kanaler som är tunnare än ett hårstrå, och små ventiler kan slå på och av flödet. Dessa kanaler är gjorda av material som glas, polymerer, papper eller geler. Ett sätt att flytta vätskor är med en mekanisk pump; ett annat sätt är att använda ytladdningarna från vissa material; och ännu en annan är att använda den så kallade kapillärverkan - mer känd som wicking. Wicking är den process genom vilken energin som lagras i vätskan driver vätskan genom trånga utrymmen.

I liten skala, vätskor beter sig på ointuitiva sätt. Bild inte den turbulenta, kaotiskt flöde som kommer ut ur en trädgårdsslang eller ditt duschhuvud. Istället, i de sammandragna volymerna av en mikrokanal, flöden är kusligt stabila. Vätskor rör sig nedför kanalen i organiserade parallella strömmar - kallat laminärt flöde. Laminärt flöde är ett av de stora underverken i mikrofluidiska system. Vätskorna och partiklarna i laminärt flöde följer banor som är matematiskt förutsägbara – en nödvändighet för precisionsteknik och design av medicinsk utrustning.

Dessa processer – inspirerande för forskare – har funnits i naturen i evigheter. Växter transporterar näringsämnen från sina rötter upp till de högsta grenarna med kapilläritet, inspirationen till mikrofluidiska kretsar som drivs autonomt. Efterliknar de fysiska egenskaperna hos regndroppar, kemister har designat enheter som bryter ett prov i miljontals droppar och analyserar dem i svindlande hastigheter. Varje droppe är i huvudsak ett litet kemiskt laboratorium som tillåter kemister att studera utvecklingen av biomolekyler och utföra ultrasnabb genetisk analys, bland annat.

Och slutligen, varje hörn av människokroppen är mikrofluidiskt. Vi skulle inte kunna födas eller fungera utan invecklade blodkapillärer som ger mat, syre och signalmolekyler till varje cell.

Fördelarna med liten teknik

Ungefär som mikroelektronik, storlek är nyckeln i mikrofluidik.

När komponenterna blir mindre, enheter kan lita på de konstiga egenskaperna hos vätskor i små skalor, kan arbeta snabbare och mer effektivt och är billigare att tillverka. Mikrofluidikrevolutionen har tyst rullat på sin elektroniska motsvarighet.

En annan stor fördel med mikrofluidiska enheter är att de bara kräver mycket små mängder vätska och därför kan vara små i storlek. NASA har under lång tid övervägt mikrofluidanalysatorer för sina Mars-rovers. Analysen av värdefulla vätskor – som mänskligt blod – drar också nytta av möjligheten att använda små prover. Till exempel, glukosmätare är mikrofluidinstrument som bara kräver en droppe blod för att mäta en diabetikers blodsocker.

Mikrofluidik inom teknik, biologi och medicin

Chansen är stor att du använder mikrofluidik ganska ofta i ditt liv. Bläckstråleskrivare skjuter små bläckdroppar. 3D-skrivare pressar ut smält polymer genom ett mikrofluidiskt munstycke. Bläcket i reservoarpennor och kulspetspennor flödar via mikrofluidiska principer. Nebulisatorer för astmapatienter sprejar en dimma av mikroskopiska läkemedelsdroppar. Ett graviditetstest är beroende av urinflödet i en mikrofluidisk pappersremsa.

I vetenskaplig forskning, mikrofluidika kan styra droger, näringsämnen eller någon vätska till mycket specifika delar av organismer för att mer exakt simulera biologiska processer.

Till exempel, forskare har fångat maskar i kanaler och stimulerat dem med lukter för att lära sig om neurala kretsar. Ett annat team riktade näringsämnen mot specifika områden av en växtrot för att observera olika reaktioner på tillväxtkemikalier. Andra grupper har utarbetat mikrofluidiska fällor som fysiskt fångar sällsynta tumörceller från blod. Mängder av mikrofluidiska genetiska chips ger kraften att snabbt sekvensera det mänskliga genomet och göra personliga DNA-tester som 23andMe till verklighet. Inget av detta hade varit möjligt utan mikrofluidik.

Framtiden för mikrofluidik

Mikrofluidik kommer att vara avgörande för att inleda medicin i en ny, snabb, prisvärd era. Bärbara enheter som mäter ämnen i svett för träningsövervakning och implanterbara enheter som lokalt levererar cancerläkemedel till en patients tumör är några av nästa gränser för biomedicinsk mikrofluidik.

Forskare utvecklar komplexa, fascinerande mikrofluidiska system som kallas organ-on-a-chip som syftar till att simulera olika aspekter av mänsklig fysiologi. I mitt eget labb och andra labb över hela världen, team utvecklar tumör-på-ett-chip-plattformar för att testa cancerläkemedel mer effektivt. Dessa patientavatarer kommer att göra det möjligt för forskare att testa nya behandlingar på ett sätt som inte medför kostnaden, lidande och etiska frågor i samband med försök på djur eller på människor. I mitt labb, vi dissekerar först en tumörbiopsi från en cancerpatient i tusentals mikroskopiska vanliga bitar som vi håller vid liv. På grund av sin ringa storlek, vi kan använda mikrofluidik för att fånga de små tumörbitarna i flera brunnar, en brunn per läkemedel. Dessa prover behåller den lämpliga cellulära miljön för tumören vilket gör att vi kan förutsäga mer exakt hur ett läkemedel kommer att fungera för en specifik person.

Tänk dig att gå till doktorn, få en biopsi extraherad, och på mindre än en vecka, genom att använda vår mikrofluidiska enhet, läkaren kan ta reda på vilken drogcocktail som fungerar bäst för att ta bort din tumör. Det är fortfarande i framtiden, men vad vi vet är att framtiden kommer att vara mikrofluidisk.

Denna artikel publiceras från The Conversation under en Creative Commons -licens. Läs originalartikeln.