Lab-on-a-chip

Lab-on-a-chip (LOC) on laite, joka integroi yhden tai useamman laboratoriotoiminnon yhdelle integroidulle piirille (jota kutsutaan yleisesti "siruksi"), jonka koko vaihtelee millimetreistä muutamaan neliösenttimetriin, ja joka mahdollistaa automaation ja korkean läpimenon seulonnan. LOC:t voivat käsitellä erittäin pieniä nestemääriä, jopa alle pikolitroja. Lab-on-a-chip-laitteet ovat mikroelektromekaanisten järjestelmien (MEMS) alaryhmä, ja niitä kutsutaan toisinaan "mikrokokonaisanalyysijärjestelmiksi" (µTAS). LOC-laitteissa voidaan käyttää mikrofluidiikkaa, joka on pienien nestemäärien fysiikkaa, manipulointia ja tutkimista. Tarkkaan ottaen "lab-on-a-chip" tarkoittaa kuitenkin yleensä yksittäisten tai useiden laboratorioprosessien skaalaamista sirumuotoon, kun taas "µTAS" on tarkoitettu laboratorioprosessien kokonaisuuden integroimiseen kemiallisen analyysin suorittamiseksi. Termi "lab-on-a-chip" otettiin käyttöön, kun kävi ilmi, että µTAS-tekniikkaa voidaan käyttää muuhunkin kuin vain analyysitarkoituksiin.

Historia

Sen jälkeen kun mikrotekniikka keksittiin (~1954) integroitujen puolijohderakenteiden toteuttamiseksi mikroelektroniikkasiruja varten, näitä litografiaan perustuvia tekniikoita alettiin pian soveltaa myös paineanturien valmistuksessa (1966). Näiden yleensä CMOS-yhteensopivuutta rajoittavien prosessien jatkokehityksen myötä käyttöön tuli työkalupakki, jonka avulla piikiekkoihin voitiin luoda myös mikrometrin tai alle mikrometrin kokoisia mekaanisia rakenteita: mikroelektromekaanisten järjestelmien (MEMS) aikakausi oli alkanut.

Paineantureiden, turvatyynyantureiden ja muiden mekaanisesti liikkuvien rakenteiden ohella kehitettiin myös nesteenkäsittelylaitteita. Esimerkkejä ovat kanavat (kapillaariliitokset), sekoittimet, venttiilit, pumput ja annostelulaitteet. Ensimmäinen LOC-analyysijärjestelmä oli kaasukromatografi, jonka S.C. Terry kehitti Stanfordin yliopistossa vuonna 1979. LOC-tutkimus alkoi kuitenkin kasvaa vakavasti vasta 1980-luvun lopulla ja 1990-luvun alussa, kun muutamat eurooppalaiset tutkimusryhmät kehittivät mikropumppuja, virtausantureita ja analyysijärjestelmien integroituja nestekäsittelyjärjestelmiä. Nämä µTAS-konseptit osoittivat, että integroimalla esikäsittelyvaiheita, jotka tavallisesti tehdään laboratoriomittakaavassa, voidaan yksinkertaisen anturin toiminnallisuutta laajentaa kohti täydellistä laboratorioanalyysia, mukaan lukien lisäpuhdistus- ja erotusvaiheet.

Tutkimus ja kaupallinen kiinnostus lisääntyivät voimakkaasti 1990-luvun puolivälissä, kun µTAS-tekniikat osoittautuivat kiinnostaviksi välineiksi genomiikan sovelluksissa, kuten kapillaarielektroforeesissa ja DNA-mikrosarjoissa. Tutkimustuki lisääntyi huomattavasti myös armeijan taholta, erityisesti DARPA:lta (Defense Advanced Research Projects Agency), joka oli kiinnostunut kannettavista bio/kemiallisten taisteluaineiden havaitsemisjärjestelmistä. Lisäarvo ei rajoittunut ainoastaan laboratorioprosessien integrointiin analyysia varten, vaan myös yksittäisten komponenttien ominaispiirteisiin ja sovelluksiin muissa kuin analyysiprosesseissa. Tästä johtuen otettiin käyttöön termi "lab-on-a-chip".

Vaikka LOC:ien soveltaminen on vielä uutta ja vaatimatonta, yritysten ja soveltavien tutkimusryhmien kiinnostus on kasvanut eri aloilla, kuten analyysissä (esim. kemiallinen analyysi, ympäristön seuranta, lääketieteellinen diagnostiikka ja solumiikka) mutta myös synteettisessä kemiassa (esim. nopea seulonta ja mikroreaktorit farmaseuttisessa teollisuudessa). Sovellusten kehittämisen lisäksi LOC-järjestelmien tutkimuksen odotetaan ulottuvan myös nesteenkäsittelyrakenteiden pienentämiseen nanoteknologian avulla. Submikrometriset ja nanokokoiset kanavat, DNA-labyrintit, yksittäisten solujen havaitseminen ja analysointi sekä nanoanturit saattavat tulla mahdollisiksi, mikä mahdollistaa uudet tavat vuorovaikutukseen biologisten lajien ja suurten molekyylien kanssa. On kirjoitettu monia kirjoja, joissa käsitellään näiden laitteiden eri näkökohtia, kuten nesteen kuljetusta, järjestelmän ominaisuuksia, anturitekniikoita ja bioanalyyttisiä sovelluksia.

Sirumateriaalit ja valmistustekniikat

Useimpien LOC-valmistusprosessien perustana on fotolitografia. Aluksi useimmat prosessit olivat piitä, koska nämä pitkälle kehitetyt tekniikat olivat suoraan peräisin puolijohdevalmistuksesta. Koska on vaadittu esimerkiksi erityisiä optisia ominaisuuksia, bio- tai kemiallista yhteensopivuutta, alhaisempia tuotantokustannuksia ja nopeampaa prototyyppien valmistusta, on kehitetty uusia prosesseja, kuten lasin, keramiikan ja metallin etsaus, lasipinnoitus ja liimaus, polydimetyylisiloksaanin (PDMS) käsittely (esim. pehmeä litografia), ei-stoikiometristen tioli-eenipolymeerien (OSTEmer) käsittely, paksuihin kalvoihin perustuva 3D-tulostaminen ja stereolitografiaan perustuva 3D-tulostaminen sekä nopeat kopiointimenetelmät galvanoimalla, ruiskupuristamalla ja kohopainamalla. Halvan ja helpon LOC-prototyyppien valmistuksen kysyntä johti yksinkertaiseen menetelmään PDMS-mikrofluidilaitteiden valmistamiseksi: ESCARGOT (Embedded SCAffold RemovinG Open Technology). Tämän tekniikan avulla voidaan luoda mikrofluidisia kanavia yksittäiseen PDMS-lohkoon liukenevan telineen avulla (esim. 3D-tulostamalla). Lisäksi LOC-ala ylittää yhä enemmän litografiaan perustuvan mikrojärjestelmäteknologian, nanoteknologian ja hienomekaniikan rajat.

Edut

LOC-menetelmillä voi olla etuja, jotka ovat sovelluskohtaisia. Tyypillisiä etuja ovat:

• vähäinen nestemäärän kulutus (vähemmän jätettä, alhaisemmat reagenssikustannukset ja diagnostiikassa tarvittavien näytemäärien väheneminen).
• nopeammat analyysi- ja vasteajat lyhyiden diffuusioetäisyyksien, nopean lämpenemisen, suuren pinta-alan ja tilavuuden suhteen sekä pienten lämpökapasiteettien ansiosta.
• parempi prosessinohjaus, koska järjestelmä reagoi nopeammin (esim. eksotermisten kemiallisten reaktioiden lämpöohjaus).
• järjestelmien kompaktius suuren toiminnallisuuden ja pienen tilavuuden integroinnin ansiosta.
• massiivinen rinnakkaistaminen kompaktiuden ansiosta, mikä mahdollistaa korkean läpimenotehon analyysin
• alhaisemmat valmistuskustannukset, jotka mahdollistavat kustannustehokkaat kertakäyttöiset sirut, jotka valmistetaan massatuotannossa.
• osien laatu voidaan tarkistaa automaattisesti
• turvallisempi alusta kemiallisille, radioaktiivisille tai biologisille tutkimuksille toimintojen integroinnin, pienempien nestetilavuuksien ja varastoitujen energioiden ansiosta.

Haitat

Labs-on-chipin merkittävimmät haitat ovat seuraavat:

• Niiden valmistamiseen tarvittava mikrovalmistusprosessi on monimutkainen ja työvoimavaltainen, ja se edellyttää sekä kalliita laitteita että erikoistunutta henkilöstöä. Se voidaan ratkaista viimeaikaisen teknologian kehittymisen ansiosta, joka koskee edullista 3D-tulostusta ja laserkaiverrusta.
• Monimutkainen fluidinen toimilaite vaatii useita pumppuja ja liittimiä, joiden hienosäätö on vaikeaa. Se voidaan voittaa huolellisella simuloinnilla, sisäisellä pumpulla, kuten ilmapussin upotetulla sirulla, tai käyttämällä keskipakoisvoimaa :pumppauksen korvaamiseksi, eli keskipakoisella mikrofluidisella biosirulla.
• Useimmat LOC:t ovat uudenlaisia konseptin todistus sovelluksia, joita ei ole vielä täysin kehitetty laajamittaiseen käyttöön. Tarvitaan lisää validointeja ennen käytännön käyttöä.
• Mikrolitra-asteikolla, jota LOC-järjestelmät käsittelevät, pinnasta riippuvat vaikutukset, kuten kapillaarivoimat, pinnan karheus tai kemialliset vuorovaikutukset, ovat hallitsevampia. Tämä voi joskus tehdä laboratorioprosessien jäljittelystä LOC-laitteissa melko haastavaa ja monimutkaisempaa kuin tavanomaisissa laboratoriolaitteissa.
• Detektioperiaatteet eivät välttämättä aina skaalaudu positiivisella tavalla, mikä johtaa alhaisiin signaali-kohinasuhteisiin.
• Maailmanlaajuinen terveys

Lab-on-a-chip-teknologiasta voi pian tulla tärkeä osa maailmanlaajuisen terveyden parantamiseen tähtääviä pyrkimyksiä, erityisesti kehittämällä hoitopaikan testauslaitteita. Niissä maissa, joissa terveydenhuollon resurssit ovat vähäiset, tartuntataudit, jotka olisivat hoidettavissa kehittyneissä maissa, ovat usein tappavia. Joissakin tapauksissa köyhillä terveydenhuoltoklinikoilla on lääkkeet tietyn sairauden hoitoon, mutta niillä ei ole diagnostisia välineitä, joiden avulla voitaisiin tunnistaa potilaat, joille lääkkeet pitäisi antaa. Monet tutkijat uskovat, että LOC-teknologia voi olla avain tehokkaisiin uusiin diagnoosivälineisiin. Tutkijoiden tavoitteena on luoda mikrofluidisia siruja, joiden avulla huonosti varustettujen klinikoiden terveydenhuoltohenkilöstö voi tehdä diagnostisia testejä, kuten mikrobiologisia viljelynäytteitä, immunomäärityksiä ja nukleiinihappomäärityksiä ilman laboratoriotukea.

Maailmanlaajuiset haasteet

Jotta siruja voitaisiin käyttää alueilla, joilla resurssit ovat rajalliset, on voitettava monia haasteita. Kehittyneissä maissa diagnostisten välineiden arvostetuimpia ominaisuuksia ovat nopeus, herkkyys ja spesifisyys, mutta maissa, joissa terveydenhuollon infrastruktuuri on vähemmän kehittynyt, on otettava huomioon myös sellaiset ominaisuudet kuin helppokäyttöisyys ja säilyvyys. Esimerkiksi sirun mukana tulevat reagenssit on suunniteltava siten, että ne pysyvät tehokkaina kuukausia, vaikka sirua ei säilytettäisikään ilmastoidussa ympäristössä. Sirujen suunnittelijoiden on myös pidettävä mielessä kustannukset, skaalautuvuus ja kierrätettävyys, kun he valitsevat käytettäviä materiaaleja ja valmistustekniikoita.

Katso myös

• Mikrofluidistiikka
• Mikrosysteemit (MEMS)

Lehtiä

• Lab-on-a-Chip, Royal Society of Chemistry

Kirjoja

• Geschke, Klank & Telleman, eds.: Microsystem Engineering of Lab-on-a-chip Devices, 1st ed, John Wiley & Sons.  ISBN 3-527-30733-8.
• (2009) in Herold, KE: Lab-on-a-Chip Technology: Fabrication and Microfluidics. Caister Academic Press. ISBN 978-1-904455-46-2. 
• (2009) in Herold, KE: Lab-on-a-Chip Technology: Biomolecular Separation and Analysis. Caister Academic Press. ISBN 978-1-904455-47-9. 
• (2010) Lab-on-a-chip: Techniques, Circuits, and Biomedical Applications. Artech House, 220. ISBN 978-1-59693-418-4. 
• (2012) Gareth Jenkins & Colin D Mansfield (eds): Methods in Molecular Biology – Microfluidic Diagnostics, Humana Press,  ISBN 978-1-62703-133-2

Konferensseja

• MicroTAS konferenssi (Arkistoitu – Internet Archive).