Kỹ thuật vi lưu ứng dụng trong tách tế bào pptx

Vài năm trở lại đây, việc sử dụng kỹ thuật vi lưu để nhận biết các tác nhân sinh học đã thu hút sự quan tâm của nhiều nhà khoa học do những ưu thế mà kỹ thuật này mang lại như giảm việc

Kỹ thuật vi lưu ứng dụng

trong tách tế bào

Vài năm trở lại đây, việc sử dụng kỹ thuật vi lưu để nhận biết các tác nhân sinh học đã thu hút sự quan tâm của nhiều nhà khoa học do những ưu thế mà kỹ thuật này mang lại như

giảm việc tiêu thụ các tác nhân phản ứng do kích cỡ vi kênh

và tăng độ nhạy nhờ vào việc tăng diện tích bề mặt và tăng sự chuyển đổi khối khi kích cỡ các kênh giảm xuống kích thước micro và nano mét

Thêm vào đó, nhờ sự phát triển mạnh mẽ của công nghê

nano, công nghệ vi điện tử, việc tích hợp và chế tạo linh kiện

vi hệ thống nói chung và các hệ vi lưu nói riêng trở nên dễ dàng hơn Đây cũng là cơ sở để phát triển các phòng thí

nghiệm trên chíp cho phép tích hợp các chức năng như lấy mẫu, bơm mẫu và phân tích, hiển thị kết quả

Các cảm biến trên

cơ sở hệ vi lưu có

khả năng phát hiện

vi rút cúm A, tế bào

ung thư,… Việc sử

dụng hệ vi lưu chắc

chắn sẽ mở ra những

hướng ứng dụng

trong nhiều lĩnh vực

khác nhau như: nuôi

cấy tế bào, lọc tách

các thành phần sinh

học, hóa học…

Vi lưu (Microfluidics) là một lĩnh vực nghiên cứu chế tạo sử dụng công nghệ vi cơ điện tử (MEMS ) và liên quan đến việc kiểm soát dòng chảy của chất lỏng đo bằng micro, nano, hoặc thậm chí pico lít Chất lưu có thể là chất lỏng hoặc khí trong

Hình 1 Hình ảnh mô phỏng của một hệ vi lưu bao gồm các vi kênh được mã màu khác nhau (đại diện cho các chất lưu khác nhau),

hệ thống điện cực để lấy tín hiệu (có thể là tín hiệu điện hoặc tín hiệu quang)

tự nhiên, hoặc hỗn hợp cả hai, và chảy qua các vi kênh, vi bơm, vi van và vi lọc Những thiết bị vi lưu có thể được chế tạo trên nền chất silics ứng dụng các kỹ thuật có sẵn của vi điện tử Những thiết bị này cũng có thể được chế tạo từ vật liệu hữu cơ như từ nhựa hoặc polyme

Các thiết bị vi lỏng chỉ yêu cầu một lượng nhỏ mẫu và thuốc thử để thực hiện các phân tích đại diện cho một thể tích lớn Ngoài ra, thời gian phản ứng nhanh chóng và dễ dàng tự động hóa làm cho các thiết bị vi lưu ngày càng phù hợp với các phân tích trong y sinh

Vi lưu (Microfluidics) đã được sử dụng rộng rãi trong nghiên cứu và phát triển các hệ thống phân tích toàn diện, phòng thí nghiệm trên chip (lab-on-chip), trong y sinh, trong dược phẩm Trong vòng 20 năm qua công nghệ vi lưu đã có những bước tiến nổi bật nhờ nỗ lực của các nhà nghiên cứu Không

xa nữa, chúng ta sẽ thấy một xu hướng phát triển theo đó các sản linh kiện vi lưu sẽ được thiết kế và chế tạo theo yêu cầu,

đáp ứng mọi nhu cầu trong phân tích lâm sang, dược và trong công nghệ sinh học

Một trong những ứng dụng hứa hẹn nhất của thiết bị vi lưu trong kỹ thuật y sinh học là thiết bị chẩn đoán Giai đoạn chuẩn bị mẫu trong phân tích đóng vai trò rất quan trọng, các thiết bị vi lưu có thể được ứng dụng để phân lập các tế bào ra khỏi các hợp chất khác trong mẫu Thông thường, các tế bào

có thể được tách ra trong chất lưu huyền phù, dựa trên kích thước, mật độ điện tích, tính chất tán xạ ánh sáng, và các tính chất kháng nguyên bề mặt Phương pháp truyền thống này đỏi hỏi các thiết bị đắt tiền bao gồm máy ly tâm, phân loại tế bào bằng kích thích huỳnh quang, điện di, sắc ký, thiết bị tách dùng ái lực và dung từ trường Các giải pháp vi lưu có thể được được thiết để tích hợp vào các kỹ thuật nói trên, hoặc hoạt động như một thiết bị độc lập để thực hiện các nhiệm vụ chuẩn bị mẫu

Một ví dụ điển hình là thiết bị lọc vi lưu để phân loại tế bào

di truyền giao tử đực (trong tinh trùng) để hỗ trợ quá trình IVF (kỹ thuật thụ tinh trong ống nghiệm) và ICSI (kỹ thuật tiêm tinh trùng trong bào tương) Trong một ca có yếu tố vô sinh nam, tế bào sinh tinh khỏe mạnh sẽ được lấy ra từ viên sinh thiết sau đó được tiêm trực tiếp vào tế bào trứng Sinh thiết dạng viên có chứa một loạt các mô và các tế bào phôi Quá trình tìm ra các tế bào sống cho ICSI có thể tốn thời gian, đòi hỏi nhiều giờ làm việc liên quan đến việc thao tác thủ công trên viên sinh thiết, sau đó đi qua các chu kỳ tách bằng kỹ thuật ly tâm và cuối cùng là quá trình tách lọc các đơn tế bào Các tế bào phôi nhỏ đi khi ở vào giai đoạn trưởng thành, bắt đầu như là một tế bào sinh tinh hình tròn với kích thước cỡ 16 ~ 18μm và kết thúc như một tinh trùng nhỏ với kích thước cỡ 4 ~ 6 μm Lợi dụng đặc tính này, người ta có thể phân chia các tế bào sinh tinh thành các loại khác nhau theo giai đoạn trưởng thành dựa trên kích thước của chúng một cách nhanh chóng và hiệu quả

Như được thể hiện trong hình 2, một thiết bị vi lưu lỏng là một thiết bị phẳng thụ động được chế tạo nhờ kỹ thuật DRIE (DRIE – là từ viết tắt của kỹ thuật ăn mòn khô sử dụng các phản ứng của ion khí với sự trợ giúp của plasma) có các vi giếng riêng biệt để thu thập các loại tế bào khác nhau Kích thước các vi giếng được thiết kế giảm dần cho phép tách lọc các tế bào với kích thước khác nhau Chất lưu được đưa tới vi

hồ trung tâm nhờ các vi bơm hoặc sử dụng kỹ thuật áp điện

Hình 2: Ảnh hiển vi điện

tử quét (SEM) của một

thiết bị lọc vi lưu chưa

Hình 3 Ảnh đồng tiêu của việc tách hỗn hợp vi cầu 3 μm (màu đỏ) và 10

hàn, nhìn từ phía lọc,

hiển thị các kênh tuyến

tính và bộ lọc phân đoạn

tỏa ra vi hồ chứa trung

tâm

μm (màu xanh) bằng thiết bị vi lưu Trong thiết kế này, các vi kênh với kích thước khác nhau vừa được sử dụng như là bộ lọc vừa có chức năng tạo ra lực căng bề mặt để dịch chuyển mẫu đi qua các vùng lọc

Thông qua kiểm soát kỹ lưỡng tính chất của bề mặt tiếp xúc với chất lỏng, và bằng cách khai thác bản chất dòng tuyến tính của dòng vi lưu, bộ lọc sử dụng sức căng bề mặt của chất lỏng làm việc để đưa mẫu đi qua các địa điểm mong muốn Việc tiểu hình hóa thiết bị cho phép sử dụng tác dụng, mà ở kích thước lớn nó ngăn chặn dòng chảy chất lưu, đưa mẫu đi qua phần tử lọc mà không cần nguồn năng lượng bên ngoài

Ở các thử nghiệm với thiết bị trong hình 2, thiết bị cho thấy

có khả năng lọc 1500 vi hạt ở thể tích 0.5 μl chất vi lưu với thời gian chưa đầy một giây

Hình 3 cho thấy kết quả của việc tách một hỗn hợp các vi cầu

có kích thươc 3 μm và 10 μm, nơi mà phần lớn các hạt được thu thập trong vi hồ chứa tương ứng với kích thước của

chúng Nồng độ tối ưu của các hạt trong vi giếng gom phù hợp lần lượt là 50 % cho 3 μm và 84 % cho 10 μm hạt tương ứng Tỷ lệ của các tế bào được xử lý được hiểu là một hàm của việc di chuyển chúng qua thiết bị lọc trong lòng chất lưu khối

Thiết bị này có lợi

thế là hoàn toàn

tương thích sinh học nhờ việc sử dụng các vật liệu như silic

và thủy tinh, và nhờ vào khả năng chế tạo hàng loạt để hạ giá thành, chúng được dùng một lần nhằm loại trừ nhiễm bẩn mẫu Ngoài ra, bản chất ưa nước của các oxit được dung trong các mao mạch của thiết bị hầu như vô hại đối với các tế bào và protein Kỹ thuật bơm mao mạch tự cấp nguồn có thể được sử dụng để thao tác với các chất lưu, làm giảm độ phức tạp của hệ thống Tiếp cận này có triển vọng làm tăng cường

độ tin cậy và tính năng của thiết bị nhờ loại bỏ các bộ phận tháo lắp bên ngoài, và do đó giảm các hỏng hóc có thể do gia công cơ khí (các bộ phận bơm), hoặc, hỏng hóc có thể do nhiệt phát sinh từ quá trình bơm mẫu

Việc tích hợp các cấu trúc lọc vật lý trong một hệ thống vi lưu thụ động cho phép xử lý hiệu quả mà không làm nhiễm bẩn hoặc làm hỏng các mẫu Quá trình này giảm đáng kể thời

Hình 4 Một hệ vi lưu hoàn chỉnh

gian xử lý và có tiềm năng lớn để tách tự động các tế bào hạt

tự động một cách hiệu quả trong các ứng dụng về y sinh q