پلی دی متیل سیلوکسان تکه سیلیکون ویفر چیپ های میکروفلوئیدیکی PDMS سیستم های میکروفلوئیدیک پروفسور ریچارد فاینمن سیستم های میکروالکترومکانیکی MEMS زیست پزشکی تاریخچه سیستم های میکروفلوئیدیک

تاریخچه میکروفلوئیدیک ! دنیای بعد از PDMS

دنیای بعد از PDMS

بخش دوم تاریخچه سیستم های میکروفلوئیدیک رو با عنوان دنیای پس از PDMS (پلی دی متیل سیلوکسان) شروع می کنیم. چیپ های میکروفلوئیدیکی که امروز در دسترس ماست، غالبا از جنس پلیمری بنام PDMS هستند. پلیمری شفاف، نسبتا ارزان، زیست سازگار، در دسترس همراه با ویژگی های بسیار ایده آل دیگر. این پلیمر در اواسط قرن بیستم کشف شد اما تا قبل ظهور سافت لیتوگرافی انقدر درخشش و محبوبیت پیدا نکرده بود. همان طور که ذکر شد با صعود تیم ملی ایران به جام جهانی 1998 میکروفلوئیدیک از دنیایی سخت و سیلیکونی به سمت دنیایی نرم و پلیمری گذر کرد که این گذر مدیون تولد رسمی فرآیند سافت لیتوگرافی بود.
کاهش شگرف در هزینه ها ، کاهش زمان و افرایش سهولت ساخت دیوایس ها با استفاده از PDMS و روش سافت لیتوگرافی موجب توسعه ی چشمگیر تحقیقات بواسطه ی این سیستم ها در آزمایشگاه های سراسر دنیا در دهه ی اول قرن بیست و یکم شد.
برای فهم سافت لیتوگرافی بهتر است ابتدا این سوال مطرح شود که ابتدا لیتوگرافی یعنی چی؟
لیتوگرافی از دو بخش تشکیل شده، لیتوس بمعنای سنگ و گرافیا به معنای حکاکی کردن و نگاشتن. ترجمه ی ملالغتی اون میشه حکاکی بر روی سنگ. از جمله روش هایی بوده که در ولنتاین قدیم نقش یک شاخه گلی رو با استفاده از یک تکه سنگ جکاکی شده یر روی یک تکه چرم چاپ می کردن. البته تک تک ما هم در دوران دبستان پاک کن گرافی رو انجام دادیم. و با حک کردن اسممون روی پاک کن برای خودمون یک مهر ساختیم. یا تجربه ی سکه گرافی یا قاشق گرافی. در میکروفلوئیدیک نقش و نگار کانال ها روی یک تکه سیلیکون ویفر حک میشه.

حالا چجوری یک حکاکی ایجاد میشه؟ این چجوری ها اولشون میاد.
مثلا فوتولیتوگرافی همون لیتوگرافی با نور هست. یعنی یک سری حکاکی که با استفاده از فوتون های نور ایجاد میشه. فرآیندی که باعث انقلاب در دنیای الکترونیک شد طوری که با این روش بیش از 10 میلیارد ترانزیستور در هر ثانیه در دنیا تولید میشه. در دنیای میکروفلوئیدیک فوتولیتوگرافی مرحله ای نسبتا پر خرج هست. چون یک نقش بسیار ظریف و ریز در ابعاد میکرومتری باید روی یک ویفر صاف سیلیکونی ایجاد شه. حالا به چه طریقی در آینده بیان میشه. بخش تخیلی داستان به این صورت هست که انگار شما یک پاککن دارید که اسمتون رو با مهارت با استفاده از یک لیزری به صورت برجسته روی اون حک کردید و به اصطلاح یک مهر یا یک قالب ساختید.

و این میکرومتری بودن مقیاس طول و این نانولیتری بودن مقیاس حجم های تبادلی نکته ای هست که تا به امروز در تحقیقات زیست پزشکی نادیده گرفته شده است. سیالی که آب هست در بدن ما. و آبی که در آن میلیون ها ماده ی مختلف حل یا سوسپانس شده. ماده ای که میتواند یک سلول، یک قند، یک #دارو، یک #سایتوکاین، یک آنتی بادی یک #هورمون، یک #باکتری و یا هزاران چیز دیگر باشد. و اینجاست که یک محقق سلول های #بنیادی، یک بیوشیمیست، یک #ایمونولوژیست، یک ژنتسیسن و .... درگیر کار می شوند. تا بر هم کنش ها را در این سیستم ها بررسی کنند. در سیستم های #میکروفلوئیدیک با شرایط میکرومحیطی نزدیک به بافت هدف خود! نه در فلاسک های تی بیست و پنج! چرا که آن ها شرایطی بسیار وحشتناک و نا آشنا برای سلول های بدن ما فراهم می کنند. شرایطی که هیچگاه در بدن تجربه نخواهند کرد! در پست های بعدی هر یک از این نکات را ریز می شویم.

تاریخچه سیستم های میکروفلوئیدیک

چیپ های میکروفلوئیدیکی که امروز در دسترس ماست، غالبا از جنس پلیمری بنام PDMS هستند. پلیمری شفاف، نسبتا ارزان، زیست سازگار، در دسترس همراه با ویژگی های بسیار ایده آل دیگر. همواره ما انسان ها از تاریخ عبرت میگیریم. لذا مفید است دانستن گذشته ی میکروفلوئیدیک بر یک مشتاق کار با این تکنولوژی.

تاریخ میکروفلوئیدیک رو به تاریخ قبل از PDMS و بعد از PDMS تقسیم می کنند .

تاریخ قبل از PDMS:

یک دنیای کاملا لاکچری، با هیجانات خاص علمی سده ی نوزدهم است. درآن دوران سیستم های میکروفلوئیدیکی را عمدتا با استفاده از سیلیکون و روش های پرهزینه تهیه می کردند.
در واقع تولد دنیای میکروفلوئیدیک از علم برق و الکترونیک بود. با پیدایش آی سی ها ها انقلابی بزرگ در دنیای برق و الکترونیک پدیدار شد. چرا که علاوه بر افزایش کارایی و بازدهی، حجم و وزن ابزار های الکتریکی و الکترونیکی بسیار کاهش پیدا می کرد. اولین آی سی تاریخ در سال پنجاه و هشت میلادی ابداع شد. یکسال بعد پروفسور ریچارد فاینمن، نابغه ی دنیای فیزیک و پدر نانوتکنولوژی البته هنوز در اون زمان از لغت نانوتکنولوژی به صورت رسمی هنوز استفاده نمی شد، در سخنرانی تاریخی زیبای خود با عنوان “فضاهای بسیار زیادی در آن پایین وجود دارد” از دانشمندان هم عصر خود دعوت کرد تا با نگاهی نو به دنیای نانو در سطح اتم، سعی در حل چالش های پیش رو در تکنولوژی های روز داشته باشند.

در انتهای این سخنرانی جایزه ای هزار دلاری برای افرادی تعیین شد که بتوانند ریز ترین موتور را بسازند و همچنین فردی که بتواند دایزه المعارف بریتانیکا را در یک برگ نامه بنویسد.این جایزه نمادین بهانه ای شد تا دانشمندان به سمت کوچکسازی ابزار ها و تکنولوژی های موجود پیش روند. دوازده سال بعد، اولین آی سی میکروالکترونیک سیلیکونی در امریکا ساخته شد. در دهه ی هشتاد میلادی، سیستم های میکروالکترومکانیکی (MEMS)، یعنی ابزار هایی میکروسکوپی که قابلیت تبدیل انرژی الکتریکی به مکانیکی و بالعکس را دارند در سیر ترقی قرار گرفتند. و در نهایت در دهه نود میلادی میکروپمپ ها، میکروسنسور ها و میکروکانال های بر پایه ی سیلیکون ساخته شدند و رسما میکروفلوئیدیک متولد شد. میکروفلوئیدیکی از جنس سیلیکون! تصور کنید یک پالایشگاه نفت را هزاران برابر ریزتر شده است. از همان ابتدا تلاش دانشمندان این حوزه حل چالش های موجود در علوم بیولوژی و ژنتیک، شیمی و زیست پزشکی با استفاده از این تکنولوژی شد.

سیستم های میکروفلوئیدیک در تحقیقات بایومدیکال | بخش دوم مقدمه

و اینجاست که دچار این سو تفاهم می شیم! افراد به رشته های تحصیلی خود احترام نمی ذارن! و حس می شه چون میکروفلوئیدیک یک اسم جذاب هست، به دنبال اون هستن. نکته اینجاست که باید رشته و یا موضوع ریسرچ خود را بشناسی ، و میکروفلوئیدیک را هم تعریف کلی آن را درک کنی، و بعد از تکنولوژی میکروفلوئیدیک، از این دیوایس های زیبا و دلربا برای حل مشکلی که در حیطه ی علمی مورد فعالیت شماست استفاده کنی.
در کتب و مقالات از کلیشه هایی مثل: استفاده از مقادیر بسیار کم نمونه ها و مواد واکنشگر، و انجام جداسازی ها و آشکارسازی ها با رزولوشن و حساسیت بالا، هزینه کم، زمان کم آنالیز استفاده میشه! و آیا این کلیشه ها برای بالا بردن اطلاعات همه کافیه؟
خیر! این کلیشه ها برای کسی مناسبه که میخواد در فضای سنسور ها، فضای سنتزی یا فرآیند های تشخیصی آزمایشگاهی فعالیت کنه! و به محققی که به عنوان مثال تلاش در زمینه ای مثل سلول های بنیادی فعاله کمک خاصی نمی کنه!
علوم مختلف در سیستم های #میکروفلوئیدیک به دنبال ایجاد شرایط مختلفی هستند.


به عنوان مثال: نگاهی کوتاه در بکار گیری سیستم میکروفلوئیدیک در تحقیقات پایه دانشجویان وزارت بهداشت
نکته ای که توجه محققان زیست پزشکی با نگاه مدرن را به خود جلب کرده، این نکته است که تقریبا همه ی اتفاقات شکل گرفته در داخل بدن انسان، چه فیزیولوژیک، چه بیوشیمیایی، چه تکوینی و چه پاتولوژیک و نیز تمام بر هم کنش های سلول-سلول، سلول-اسکافولد، سلول-دارو، سلول-مایعات میان بافتی، سلول-پلاسما و …. ، در محیط هایی در مقیاس میکرومتر صورت می گیرد، این یعنی در بافت های مختلف ما تبادلات مایعات در محدوده ی نانولیتر و ریز تر صورت می گیرد.

و این میکرومتری بودن مقیاس طول و این نانولیتری بودن مقیاس حجم های تبادلی نکته ای هست که تا به امروز در تحقیقات زیست پزشکی نادیده گرفته شده است. سیالی که آب هست در بدن ما. و آبی که در آن میلیون ها ماده ی مختلف حل یا سوسپانس شده. ماده ای که میتواند یک سلول، یک قند، یک #دارو، یک #سایتوکاین، یک آنتی بادی یک #هورمون، یک #باکتری و یا هزاران چیز دیگر باشد. و اینجاست که یک محقق سلول های #بنیادی، یک بیوشیمیست، یک #ایمونولوژیست، یک ژنتسیسن و .... درگیر کار می شوند. تا بر هم کنش ها را در این سیستم ها بررسی کنند. در سیستم های #میکروفلوئیدیک با شرایط میکرومحیطی نزدیک به بافت هدف خود! نه در فلاسک های تی بیست و پنج! چرا که آن ها شرایطی بسیار وحشتناک و نا آشنا برای سلول های بدن ما فراهم می کنند. شرایطی که هیچگاه در بدن تجربه نخواهند کرد! در پست های بعدی هر یک از این نکات را ریز می شویم.
سیستم های میکروفلوئیدیک

و این میکرومتری بودن مقیاس طول و این نانولیتری بودن مقیاس حجم های تبادلی نکته ای هست که تا به امروز در تحقیقات زیست پزشکی نادیده گرفته شده است. سیالی که آب هست در بدن ما. و آبی که در آن میلیون ها ماده ی مختلف حل یا سوسپانس شده. ماده ای که میتواند یک سلول، یک قند، یک دارو، یک سایتوکاین، یک آنتی بادی یک هورمون، یک باکتری و یا هزاران چیز دیگر باشد. و اینجاست که یک محقق سلول های بنیادی، یک بیوشیمیست، یک ایمونولوژیست، یک ژنتسیسن و …. درگیر کار می شوند. تا بر هم کنش ها را در این سیستم ها بررسی کنند. در سیستم های میکروفلوئیدیک با شرایط میکرومحیطی نزدیک به بافت هدف خود! نه در فلاسک های تی بیست و پنج! چرا که آن ها شرایطی بسیار وحشتناک و نا آشنا برای سلول های بدن ما فراهم می کنند. شرایطی که هیچگاه در بدن تجربه نخواهند کرد!
در پست های بعدی هر یک از این نکات را ریز می شویم.

سیستم های میکروفلوئیدیک در تحقیقات بایومدیکال

سیستم های میکروفلوئیدیک در تحقیقات بایومدیکال | میکروفلوئیدیک چیست؟ (بخش اول)


این روز ها یکی از جذاب ترین موضوعاتی که دانشجویان تحصیلات تکمیلی علاقمند به فعالیت در آن هستند، و سعی در تعریف تز خود پیرامون آن دارند سیستم های میکروفلوئیدیک است. با یک سرچ کوتاه، تصاویری بسیار جذاب از این سیستم ها یافت می شود، دیوایس هایی کوچک که جریان سیالاتی رنگی آن را بسیار جذاب تر و دلربا تر میکند. بسیاری آن را مرز علم و تکنولوژی می دانند و می گویند: استاد بوردرلاین دانش است! و حقیقتا هم بوردرلاین است. از دانشجویان علوم مهندسی گرفته، مخصوصا آن عزیزانی که ارادتی خاص به سیالات دارند یا به اصطلاح سیالاتی ها، تا دانشجویان علوم پایه ی بیولوژیک که آخرین واحد ریاضیاتی خود را در سال چهارم دبیرستان خواندند، تا دانشجویان مقیم در وزارت پولدار بهداشت و از همه مهم تر نانوکار ها که پاسخ سوالات نایافته ی همه ی علوم و راهگشای چالش های تکنولوژی های پیش رو را بصورت کاملا غیر تعصبی! در نانو می دانند، همه و همه پیگیر پیوستن به دنیای میکروفلوئیدیک شده اند.
بله میکروفلوئیدیک! البته نه میکروفلوئیدیک خالی! دانشجویان مهندسی عزیز که استاد هستند میخواهند به اصطلاح خود یک ذره بایو (بایولوژی) قاطی کنند به کار! و بیوپزشکی هایی سعی می کنند تحقیقات خود را در شرایط مهندسی میکروفلوئیدیک ران کنند و نگاه سنتی به بایولوژی را زیر پا بگذارند! این امر نشان می دهد این سیل همگرا شدن علوم مختلف خوشبختانه به کشور ما هم سرایت داشته است.
سوالی که حالا باید واقعا به آن پاسخ داد این است: این میکروفلوئیدیک چیست؟
در کتب و رفرنس ها آمده است: میکروفلوئیدیک دانش و تکنولوژی کنترل سیالات (از میکرولیتر گرفته تا پیکولیتر و حتی کمتر) در کانال هایی با ابعاد میکرومتری می باشد.
و سوالی که حالا واقعا باید به آن پاسخ داد این است: چرا میکروفلوئیدیک؟ چه جوری میکروفلوئیدیک!
ما در زندگی خود گاهی با سوال هایی عجیب روبرو میشیم. و اولین سوالی که برای ما پیش می آید این هست که آیا این سوال یک سوال است؟ و آیا باید پرسیده می شد؟ مثلا برخی دانشجویان می گویند موضوع فلان رو چجوری میکروفلوئیدیک کنیم! یا می پرسند در مورد موضوع فلان که تو بایو کار میشه میکروفلوئیدیکش چجوری میشه؟
و اینجاست که دچار این سو تفاهم می شیم! افراد به رشته های تحصیلی خود احترام نمی ذارن! و حس می شه چون میکروفلوئیدیک یک اسم جذاب هست، به دنبال اون هستن.

میکروفلوئیدیک چیست؟ ، کاربرد میکروفلوئیدیک ، کارگروه میکروفلوئیدیک ، همایش میکروفلوئیدیک ، ساخت میکروفلوئیدیک ، دومین کنفرانس میکروفلوئیدیک ، سیستم های میکروفلوئیدیک ، دومین همایش میکروفلوئیدیک

میکروفلوئیدیک | از تعریف تا کاربردهای زیستی میکروفلوئیدیک | Microfluidics

میکروفلوئیدیک؛ از تعریف تا کاربردهای زیستی ( Microfluidics )

به طور کلی تعامل با سیالات در ابعاد میکرو در حوزه‌ی تخصصی میکروفلوئیدیک است. میکروفلوئیدیک هم به عنوان علم، در شناخت و بررسی رفتار های سیالات و هم به عنوان فناوری، در ساخت و استفاده از ویژگی‌های خاص سیالات در این ابعاد در حال پیشرفت و ورود به حوزه‌های مختلف از سنتزهای شیمی و آنالیزهای زیستی گرفته تا اپتیک و حتی فناوری اطلاعات است.
شاید پس از شنیدن میکروفلوئیدیک اولین چیزی که به ذهن بیاید، تراشه‌های میکروفلوئیدیکی باشند که در واقع مجموعه‌ای از پیش طراحی شده از میکروکانال‌ها هستند که به واسطه‌ی کانال‌های ورودی و خروجی با محیط اطراف در تعامل‌اند.

سیالات در جریان حرکت در این کانال‌ها می‌توانند با هم مخلوط شده، یا از هم جدا شوند. هدایت و کنترل سیالات نیز می تواند از خارج برای مثال با نیروی مغناطیسی یا از داخل به واسطه طراحی صورت گرفته انجام گیرد.
مزیت کار با این تراشه‌ها در این است که نیاز به حجم نمونه، واکنش‌دهنده یا کاتالیزگر بالا نداریم و همین کاهش چشمگیر مقادیر، موجب کاهش ابعادی دستگاه، هزینه‌ها و زمان انجام واکنش می‌شود در حالی که دقت تشخیصی آن افزایش یافته و کنترل شرایط موثر در واکنش نیز راحت‌تر شده است.

به علاوه با طراحی‌های درست و اصولی امکان انجام تعدادی واکنش مجزا، یکی پس از دیگری فراهم می‌شود و درنتیجه می‌توان یک آزمایشگاه را بر روی یک تراشه جا داد.

میکروفلوئیدیک چیست؟ ، کاربرد میکروفلوئیدیک ، کارگروه میکروفلوئیدیک ، همایش میکروفلوئیدیک ، ساخت میکروفلوئیدیک ، دومین کنفرانس میکروفلوئیدیک ، سیستم های میکروفلوئیدیک ، دومین همایش میکروفلوئیدیک

میکروفلوئیدیک چیست؟

میکروفلوئیدیک برای زیست‌شناسان تحقق رویایی دست‌نیافتنی بود، رویایی با مزایای زیادی برایشان:

امکان حمل تراشه و درنتیجه در دسترس بودن آن برای تشخیص‌های اولیه طبی برای افراد آموزش ندیده و بدون نیاز به مراجعه حضوری به آزمایشگاه‌های تشخیصی، کاهش چشمگیر واکنش دهنده‌های مورد نیاز و درنتیجه هزینه‌ها و انجام همزمان تعداد زیادی واکنش زیستی و آنالیز بسیار سریعتر نتایج.

کانون پژوهش‌های کنونی میکروفلوئیدیک در حوزه زیستی، طراحی میکرودستگاه‌هایی سه بعدی و حاوی سلول‌های کشت داده شده است. که بتواند کارایی یک یا چند اندام انسانی را داشته باشد، که به آن اندام بر روی تراشه می گویند. و رویای نهایی، اتصال این تراشه‌ها به هم و ساخت یک انسان کامل بر روی تراشه است.

تراشه‌ای که می‌تواند کاربردهای زیادی در تحقیقات زیستی برای درک بهتر مکانیزم‌های واکنش‌های زیستی و تعاملات بین سلول‌های اندام‌های مختلف داشته باشد. همچنین در کارآزمایی‌های بالینی درمان‌های مختلف نیز می تواند. با کاهش زمان فازهای مختلف کارآزمایی، روند کشف و بهبود درمان‌ها را سرعت ببخشد و نیاز به آزمایش بر روی حیوانات را کاهش دهد.

کانال تلگرامی بیوتکنولوژی

میکروفلوئیدیک چیست؟ ، کاربرد میکروفلوئیدیک ، کارگروه میکروفلوئیدیک ، همایش میکروفلوئیدیک ، ساخت میکروفلوئیدیک ، دومین کنفرانس میکروفلوئیدیک ، سیستم های میکروفلوئیدیک ، دومین همایش میکروفلوئیدیک