Micro/nano-onderzoek heeft een grote impact op levensveranderende technologie

Onderzoekers van Griffith University staan ​​achter een aantal grote doorbraken op micro- en nanoschaal, met recente onderzoeksbevindingen dat het binnenkort mogelijk wordt om meer gedetailleerde uitsplitsingen te krijgen van de algemene gezondheidsstatistieken van eigenaren van draagbare apparaten.

Dr. Jun Zhang en Dr. Navid Kashaninejad van Griffith’s Queensland Micro- and Nanotechnology Centre doen onderzoek naar twee actuele uitdagingen van een veld dat bekend staat als microfluïdica: biosampling door de scheiding van nanodeeltjes; en draagbare technologieën.

De twee onderzoekers hebben hun resultaten over dit werk gepubliceerd, onder het mentorschap van QMNC-directeur professor Nam-Trung Nguyen, die bekend staat om zijn onderzoek naar micro-elastofluidics.

Wat is micro-elastofluidics?

Micro elastofluidics maakt gebruik van buigzaamheid en rekbaarheid om vloeistofbehandeling mogelijk te maken die leidt tot een snellere en nauwkeurigere diagnose van gezondheidsproblemen.

“Deze technologie maakt een nauwkeurige behandeling van kleine hoeveelheden monsters en reagentia mogelijk”, zei professor Nguyen.

“Mijn onderzoek was gericht op impact op middellange termijn en is geëvolueerd van sensoren voor auto’s naar het verkleinen van een laboratorium tot een chip naar draagbare apparaten voor gezondheidsmonitoring.”

Het QMNC-onderzoeksteam heeft bijvoorbeeld een reeks apparaten voor het uitrekken van cellen ontwikkeld om celgedrag onder mechanische stress te bestuderen. Er wordt gewerkt aan huidmodellen, huidkankermodellen, darmmodellen en bloedvatmodellen.

“Als aanvulling op dit fundamentele onderzoek heb ik onlangs het veld ‘micro elasofluidics’ opgericht dat rekbaarheid en flexibiliteit gebruikt van moleculaire schaal tot apparaatschaal voor een betere behandeling van vloeistofmonsters, ” zei professor Nguyen.

“Het integreert microfluïdica in flexibele draagbare en implanteerbare apparaten.”

Voordelen van het scheiden van nanodeeltjes

Dr. Zhang’s recente onderzoek heeft zich gericht op de scheiding van nanodeeltjes en hoe ze kunnen worden gebruikt om informatie te verzamelen over verschillende gezondheidsproblemen.

Deze nanodeeltjes kunnen extracellulaire “blaasjes” zijn, dit zijn deeltjes die door cellen in ons lichaam worden uitgescheiden als een manier om te communiceren.

“Het extraheren van deze deeltjes uit vloeibare monsters, zoals bloed, zou een schat aan informatie over gezondheidsproblemen opleveren,” zei Dr. Zhang.

“Dezelfde deeltjes kunnen ontstekingsremmende en anti-verouderingseffecten hebben en mogelijk dienen als therapieën tegen veroudering en ouderdomsziekten zoals de ziekte van Alzheimer.”

De uitdaging is om de deeltjes te scheiden zonder het delicate oppervlak te beschadigen. Huidige technieken zoals ultracentrifugatie en ultrafiltratie beschadigen deze deeltjes vaak.

De methode van Dr. Zhang maakt gebruik van een uniek vloeistoffysisch fenomeen genaamd “traagheidsmicrofluïdica” om te voorkomen dat deze nuttige maar delicate deeltjes worden beschadigd.

“Vooruitgang in microfluïdische technologieën heeft een aanzienlijke impact gehad op het biomedische veld,” zei Dr. Zhang.

“Microfluïdische technologieën bieden een ongekend vermogen om de beweging van vloeistoffen en de opgeloste of gesuspendeerde analyten op microschaal nauwkeurig te regelen.”

“Deze analyten kunnen verschillende bloedcellen, bacteriën, virussen, DNA, RNA, eiwitten, glucose, lipiden enz. Zijn. En het nauwkeurig manipuleren en detecteren van deze kleine deeltjes is van cruciaal belang voor de diagnose van ziekten en het bewaken van de gezondheidstoestand in het menselijk lichaam.

“We zijn onlangs uitgenodigd om te publiceren een kritische recensie in Lab op een chip.

“We vergeleken de traditionele methoden en microfluïdica voor het scheiden van nanodeeltjes in dit artikel. De conventionele technieken hebben over het algemeen de voordelen van tijdsefficiëntie, hoge opbrengst, gebruiksgemak en goede reproduceerbaarheid, maar ze worden beperkt door de hoge kosten en lage zuiverheid. Microfluïdische technologieën zijn superieur in verbeterde scheidingsresolutie en kosteneffectiever.

“In het afgelopen decennium is er aanzienlijke vooruitgang geboekt in de microfluïdische technologie voor het scheiden van nanodeeltjes met een breed scala aan toepassingen, maar er is nog een aanzienlijke leemte die moet worden opgevuld. We hebben de uitdagingen en oplossingen voor deze beperkingen onderzocht die vaak over het hoofd worden gezien .”

Biosamples van draagbare apparaten?

Het onderzoek van Dr. Kashaninejad verkent de verzameling van informatie over de gezondheidstoestand via draagbare apparaten, gebruikmakend van het concept van micro-elastofluidics.

Op dit moment kunnen draagbare apparaten zoals smartwatches alleen fysieke informatie van de drager verzamelen. Het verzamelen van informatie over biochemische en biologische omstandigheden is veel moeilijker vanwege het gebrek aan “vloeistofbehandeling” van deze apparaten.

Het onderzoek van Dr. Kashaninejad verkent eenvoudige, praktische oplossingen voor het hanteren van vloeistoffen op flexibele en huidconforme oppervlakken, zodat oplossingen voor het bemonsteren van zweet en onderhuidse lichaamsvloeistoffen gemakkelijk kunnen worden onderzocht.

“We zullen deze oplossingen in de nabije toekomst vinden in draagbare apparaten die meer informatie kunnen geven over de gezondheidstoestand van de drager dan de huidige smartwatch”, zei hij.

“Op de huid draagbare systemen voor biovloeistofmonstername en biomarkerdetectie kunnen een revolutie teweegbrengen in de huidige praktijken in de monitoring van de gezondheidszorg en gepersonaliseerde geneeskunde.

“Er is echter nog een lange weg te gaan naar volledige marktacceptatie en acceptatie van deze fascinerende technologie.

“Mijn recente paper [published in Lab on a Chip] vergeleek verschillende microfluïdische platforms die kunnen worden gebruikt voor draagbare apparaten op de huid. Deze platforms omvatten op halfgeleiders gebaseerde, op polymeren gebaseerde, op vloeibaar metaal gebaseerde, op papier gebaseerde en op textiel gebaseerde microfluïdica.

“Deze platforms kunnen de rekbaarheid van op de huid draagbare biosensoren op apparaatniveau verbeteren, en er zijn potentiële microfluïdische oplossingen voor het verzamelen, transporteren en beheersen van de biovloeistoffen.

“De toepassing van vingeraangedreven micropompen is een haalbare oplossing voor nauwkeurig en on-demand pompen van biovloeistoffen.

“Er is een groot potentieel op dit gebied, zoals de toepassingen van rekbare micro-elastofluidics met continue stroom, rekbare superhydrofobe oppervlakken, vloeibare kralen – kleine capsules met vloeibare inhoud – als een vorm van digitale micro-elastofluidics en topologische vloeistofdioden die minder aandacht krijgen. maar hebben een enorm potentieel om te worden geïntegreerd in draagbare apparaten op de huid.”