آزمایشگاه روی تراشه

فناوری میکروسیالی یکی از پیشرفته‌ترین فناوری‌های نوین در حوزه‌ی زیست‌شناسی و پزشکی است که با بهره‌گیری از ویژگی‌های منحصربه‌فرد سیالات در مقیاس‌های بسیار کوچک—از جمله میکرولیتر، نانولیتر و پیکولیتر—توانسته تحولی گسترده در انجام آزمایش‌ها، کاهش هزینه‌ها و کوتاه‌سازی زمان تحلیل نمونه‌ها ایجاد کند. کار با حجم‌های بسیار کم سیال نه‌تنها سرعت واکنش‌ها و حساسیت آزمایش را افزایش می‌دهد، بلکه امکان انجام فرآیندهای پیچیده را با مصرف حداقلی مواد فراهم می‌سازد. به همین دلیل، این فناوری جایگاهی برجسته در پژوهش‌های تشخیصی، دارورسانی، مهندسی بافت و پزشکی شخصی پیدا کرده است.

یک دستگاه میکروسیالی معمولاً به صورت تراشه‌ای کوچک از جنس سیلیکون، شیشه یا پلیمرهای الاستومری ساخته می‌شود. درون این تراشه شبکه‌ای از کانال‌های میکرونی تعبیه شده است که سیالات در آن‌ها جریان می‌یابند و تحت عملیات مختلف قرار می‌گیرند. بسته به نوع کاربرد، می‌توان تراشه‌هایی طراحی کرد که همان عملکردهای آزمایش‌های زیستی و پزشکی را در ابعادی بسیار کوچک انجام دهند؛ از جمله واکنش‌های بیوشیمیایی، جداسازی سلولی، مخلوط‌سازی، انکوباسیون، سنجش آنزیمی و حتی مدل‌سازی اندام‌های بدن در مقیاس میکرو. همین انعطاف‌پذیری بالا سبب شده توسعه و بومی‌سازی این فناوری در کشور به یک نیاز مهم علمی و صنعتی تبدیل شود.

سیستم‌های میکروسیالی امکان کنترل دقیق سیالات را در حجم‌های بسیار کوچک فراهم می‌کنند. در این سیستم‌ها، سیالات از طریق کانال‌ها، دریچه‌ها، پمپ‌های میکروسیالی و مخلوط‌کننده‌های درون‌تراشه‌ای به حرکت درمی‌آیند و هر مرحله از گذر سیال می‌تواند مطابق با هدف آزمایش طراحی شود. به عنوان مثال، سیالات ممکن است وارد تراشه شوند، در بخش‌هایی برای مدت کوتاهی نگه‌داری شوند، در نقطه‌ای مشخص با یکدیگر مخلوط گردند، وارد یک محفظه‌ی واکنش شوند و در نهایت محصولات نهایی و ضایعات از خروجی‌های تعیین‌شده خارج شوند. تمامی این مراحل را می‌توان با روش‌های تصویربرداری مانند میکروسکوپ نوری bright-field، فلورسانس و UV به صورت دقیق دنبال و تحلیل کرد.

نکته‌ی بسیار مهم این است که رفتار سیالات در ابعاد میکرو با رفتار آن‌ها در مقیاس ماکرو تفاوت‌های اساسی دارد. در این مقیاس‌ها، نیروهای لزجتی اهمیت بیشتری پیدا می‌کنند، جریان‌ها اغلب آرام و منظم (Laminar) هستند و پدیده‌هایی مانند اختلاط بر اساس نفوذ مولکولی انجام می‌شود نه آشفتگی. این ویژگی‌ها باعث می‌شود کنترل حرکت سیالات ساده‌تر و قابل پیش‌بینی‌تر باشد. بسیاری از این رفتارهای ویژه، پایه‌ی طراحی عملکردهای اختصاصی در تراشه‌ها هستند؛ مثل سیستم‌های اختلاط کنترل‌شده، جداسازی ذرات، و ایجاد گرادیان‌های شیمیایی پایدار.

سیستم‌های میکروسیالی امروزه در حوزه‌های مختلف زیست‌شناسی و پزشکی به‌طور گسترده کاربرد دارند، زیرا بسیاری از آزمایش‌هایی که در این حوزه‌ها انجام می‌شود با نمونه‌های مایع سروکار دارد. از همین رو، هر بخش از یک تراشه می‌تواند عملکردی معادل یک بخش از یک آزمایشگاه کامل را داشته باشد. به دلیل همین قابلیت شبیه‌سازی کل یک آزمایشگاه روی یک تراشه‌ی کوچک، این فناوری با نام «آزمایشگاه روی تراشه» (Lab-on-a-Chip) شناخته می‌شود. افزون بر این، ترکیب این سیستم‌ها با فناوری‌هایی مانند نانومواد، حسگرهای زیستی، و تصویربرداری تک‌مولکولی، افق‌های جدیدی در تشخیص‌های سریع، درمان‌های هدفمند و تحقیقات سلولی پیشرفته گشوده است. 

استفاده از تراشه‌های میکروسیالی و مزایا

به‌کارگیری تراشه‌های میکروسیالی در انواع کاربردهای زیستی، شیمیایی و تشخیصی طی سال‌های اخیر به سرعت گسترش یافته است؛ زیرا این فناوری مجموعه‌ای از مزایای مهم را فراهم می‌کند که آن را از روش‌های کلاسیک کاملاً متمایز می‌سازد. یکی از اصلی‌ترین مزایا، نیاز بسیار اندک به حجم نمونه است؛ به‌گونه‌ای که حتی چند نانولیتر از مادهٔ مورد بررسی برای انجام آزمایش کافی است. این موضوع نه‌تنها هزینه‌ها را به طور قابل‌توجهی کاهش می‌دهد، بلکه در آزمایش‌هایی که میزان نمونه محدود است – مانند بسیاری از آزمون‌های مولکولی یا سلولی – اهمیت حیاتی دارد.

علاوه بر این، در سیستم‌های میکروسیالی فرآیندهای جداسازی، تشخیص و واکنش‌های شیمیایی با حساسیت بالا، سرعت زیاد و قدرت تفکیک چشمگیر انجام می‌گیرند. کوچک بودن ابعاد کانال‌ها سبب کنترل دقیق پارامترهایی مانند جریان، دما و زمان واکنش می‌شود و در نتیجه عملکردی تکرارپذیر و قابل اعتماد ایجاد می‌گردد. کاهش چشمگیر دخالت نیروی انسانی نیز یکی از مزایای اساسی این فناوری است؛ زیرا خودکار بودن عملیات از ورود آلودگی، خطاهای کاربری و نوسانات کیفی جلوگیری می‌کند.
همچنین از آنجا که این سیستم‌ها قابلیت ادغام اجزای مختلف بر روی یک تراشه را دارند، می‌توان چندین مرحلهٔ آزمایشگاهی (از آماده‌سازی نمونه تا تحلیل نهایی) را در قالب یک سیستم یکپارچهٔ on-chip انجام داد؛ موضوعی که به‌ویژه در تشخیص‌های سریع پزشکی (Point-of-Care) بسیار ارزشمند است.

2. تاریخچه

ریشه‌های شکل‌گیری فناوری میکروسیال را می‌توان در چهار جریان علمی و صنعتی عمده جست‌وجو کرد که هرکدام نقشی اساسی در شکل‌گیری و تکامل این فناوری داشته‌اند. نخستین جریان مربوط به ظهور روش‌های میکروآنالیز نظیر کروماتوگرافی مایع با کارایی بالا (HPLC) بود. این روش‌ها توانستند انقلابی در روش‌های تحلیلی ایجاد کنند و امکان شناسایی مقادیر بسیار جزئی از ترکیبات را فراهم سازند. موفقیت HPLC و روش‌های مشابه، انگیزه‌ای شد تا دانشمندان به سمت کوچک‌سازی بیشتر و توسعهٔ ابزارهایی بر پایهٔ حجم‌های میکرونی حرکت کنند.

عامل دوم از دل زیست‌شناسی مولکولی برآمد؛ جایی که در دههٔ ۱۹۸۰ با رشد چشمگیر داده‌های ژنومیک و ظهور روش‌های توالی‌یابی پیشرفته، نیاز به ابزارهایی با دقت، ظرفیت و حساسیت بسیار بالا احساس شد. این نیاز گسترده باعث شد فناوری‌های مبتنی بر میکروسیال به عنوان رویکردی ایده‌آل برای انجام واکنش‌های پیچیدهٔ مولکولی مطرح شوند.

سومین عامل اثرگذار، رشد صنایع میکروالکترونیک و پیشرفت تکنیک‌های ساخت مانند لیتوگرافی بود. روش‌هایی که در ابتدا برای تولید تراشه‌های الکترونیکی توسعه یافته بودند، بعدها به‌صورت مستقیم برای ساخت هندسه‌های پیچیدهٔ کانال‌ها، دریچه‌ها و ساختارهای میکروسیالی مورد استفاده قرار گرفتند. این انتقال فناوری مسیر توسعهٔ سریع‌تر سیستم‌های lab-on-a-chip را هموار کرد.

چهارمین عامل، برخلاف سه مورد قبل، جنبه‌ای نظامی داشت. پس از جنگ سرد و افزایش توجه به عوامل شیمیایی و بیولوژیکی، وزارت دفاع ایالات متحده با حمایت از پروژه‌های مرتبط با فناوری‌های کوچک‌مقیاس، سرمایه‌گذاری گسترده‌ای را در سیستم‌های میکروسیالی آغاز کرد. این حمایت‌ها نقش مهمی در شکل‌گیری نسل‌های نخست تراشه‌های میکروسیالی و تبدیل آن‌ها به ابزارهایی قابل اتکا ایفا نمود.
به‌مرور زمان، ترکیب این چهار جریان علمی‌ـ‌فناورانه باعث شد حوزهٔ میکروسیال از یک فناوری آزمایشگاهی محدود، به یک بستر قدرتمند برای انجام تشخیص، سنتز، جداسازی و مطالعهٔ سیستم‌های زیستی تبدیل شود.

3. ساختمان و اجزای تراشه

1.3 مادهٔ سازنده

با توجه به اینکه فناوری میکروسیال در ابتدا از صنعت میکروالکترونیک الهام گرفت، نخستین نسل تراشه‌ها از سیلیکون و شیشه ساخته می‌شد. این مواد از نظر پایداری شیمیایی، استحکام و دقت ساخت مزایای مهمی داشتند، اما هزینه بالا، فرآیند ساخت پیچیده و به‌ویژه عدم شفافیت سیلیکون که مشاهدهٔ نمونه را دشوار می‌کرد، استفادهٔ گستردهٔ آن‌ها را محدود ساخت.

در سال‌های اخیر، پلیمرهایی مانند PDMS (پلی‌دی‌متیل‌سیلوکسان) به‌طور گسترده جایگزین مواد قبلی شده‌اند. شفافیت مناسب PDMS، امکان مشاهدهٔ جریان سیال و سلول‌ها را با میکروسکوپ نوری و فرابنفش فراهم می‌کند. این ماده در برابر گازهایی مانند اکسیژن و دی‌اکسیدکربن نفوذپذیر است و همین ویژگی، محیطی مناسب برای کشت و بررسی سلول‌های پستانداران روی تراشه ایجاد می‌کند.

PDMS غیرسمی، زیست‌سازگار و قابل اتوکلاو است و امکان تغییر خواص سطحی آن ــ مانند هیدروفیلی یا هیدروفوبی ــ وجود دارد؛ بنابراین بسته به نوع کاربرد می‌توان آن را اصلاح کرد. انعطاف‌پذیری PDMS نیز اجازه می‌دهد تراشه‌هایی با ساختارهای پیچیده، دریچه‌های نرم و پمپ‌های میکروسیالی یکپارچه طراحی شوند.
به‌عنوان نکتهٔ تکمیلی، امروزه از پلیمرهای دیگری مانند PMMA و COC نیز برای ساخت تراشه‌های مقاوم‌تر و مناسب برای تولید انبوه استفاده می‌شود.

2.3 خواص فیزیکی سیالات در میکرولوله‌ها

یکی از عوامل کلیدی در موفقیت فناوری میکروسیال، تفاوت اساسی رفتار سیالات در مقیاس میکرو نسبت به مقیاس ماکرو است. این تفاوت‌ها باعث ایجاد عملکردهایی می‌شوند که در ابعاد بزرگ‌تر یا قابل دستیابی نیستند یا نیازمند تجهیزات بسیار گسترده‌اند.

در ابعاد ماکرو، حرکت سیالات غالباً به‌صورت جریان‌های آشفته (Turbulent) رخ می‌دهد و اختلاط به‌طور تصادفی و در جهات متعدد انجام می‌شود. اما در میکرولوله‌ها، به دلیل ابعاد بسیار کوچک و عدد رینولدز پایین، جریان سیال کاملاً لامینار و خطی است و مولکول‌های سیال فقط در راستای موازی با دیواره حرکت می‌کنند. این رفتار کنترل جریان، مسیر حرکت، زمان واکنش و پایداری سیستم را به شکلی دقیق امکان‌پذیر می‌سازد.

در صورت تزریق هم‌زمان دو سیال، آن‌ها بدون اختلاط، در کنار یکدیگر جریان می‌یابند و مرزی مشخص میانشان ایجاد می‌شود. این ویژگی برای کاربردهایی مانند ایجاد گرادیان، مطالعهٔ پاسخ سلولی یا جداسازی مواد فوق‌العاده ارزشمند است.

ویژگی مهم دیگر در مقیاس میکرو، جریان الکترواسمزی است. زمانی که سطح داخلی میکرولوله دارای بار ثابت باشد و یک اختلاف پتانسیل الکتریکی اعمال شود، لایهٔ یون‌های موجود در سطح به حرکت درآمده و سیال را با خود جابه‌جا می‌کنند. برخلاف جریان معمول که پروفایل سهمی‌وار دارد، جریان الکترواسمزی پروفیلی تخت و یکنواخت ایجاد می‌کند؛ همین ویژگی موجب افزایش قدرت تفکیک در جداسازی و الکتروفورز می‌شود.
به‌عنوان نکتهٔ تکمیلی، سرعت بالای پاسخ سیالات در این مقیاس امکان انجام آزمایش‌هایی با دقت زمانی بسیار بالا را فراهم می‌کند که در مطالعات سینتیکی اهمیت دارد.

3.3 اجزای دستگاه

برای عملکرد یک تراشهٔ میکروسیالی، ساختارهای مختلفی در داخل آن تعبیه می‌شود که هرکدام نقش خاصی در هدایت سیالات و اجرای فرآیندهای تحلیلی دارند. مهم‌ترین این اجزا عبارتند از: دریچه‌ها، مخلوط‌کننده‌ها و پمپ‌ها.

دریچه‌ها نقاطی هستند که دو یا چند کانال به هم می‌رسند و وظیفهٔ تغییر مسیر یا هدایت سیال را برعهده دارند. در برخی موارد، هدایت سیال بدون قطعات مکانیکی و تنها با استفاده از جریان الکترواسمزی یا ایجاد نواحی آب‌گریز بر سطح کانال انجام می‌شود. اما در بسیاری از تراشه‌ها از دریچه‌های مکانیکی نیز استفاده می‌شود که معمولاً از جنس شیشه، سیلیکون یا PDMS بوده و قابلیت باز و بسته شدن دارند.

در دستگاه‌هایی که نیاز به مخلوط شدن سریع سیالات وجود دارد، از مخلوط‌کننده‌ها استفاده می‌شود. مخلوط‌کننده‌ها به دو نوع فعال (Active) و غیرفعال (Passive) تقسیم می‌شوند. مخلوط‌کننده‌های غیرفعال با ایجاد پیچ‌وخم، شاخه‌های متعدد یا هندسه‌های خاص در مسیر جریان، فرایند اختلاط را تسریع می‌کنند؛ در حالی‌که نوع فعال معمولاً از میدان‌های الکتریکی، مغناطیسی یا ارتعاشی برای بهبود اختلاط استفاده می‌کند.

پمپ‌ها نقش اصلی در جابه‌جایی سیالات داخل تراشه را بر عهده دارند. هرچند بسیاری از سیستم‌های میکروسیالی بدون پمپ و تنها با اتکا به ویژگی‌های ذاتی جریان کار می‌کنند، اما در برخی کاربردها استفاده از پمپ ضروری است. پمپ‌ها به طور کلی به دو گروه مکانیکی و غیرمکانیکی تقسیم می‌شوند. پمپ‌های مکانیکی از اجزای متحرک برای ایجاد فشار بهره می‌برند، در حالی‌که پمپ‌های غیرمکانیکی از اصولی مانند فشار سطحی یا اثرات الکتروهیدرودینامیک استفاده می‌کنند.

به طور کلی، ترکیب این اجزا در یک پلتفرم کوچک امکان انجام فرآیندهای پیچیدهٔ آزمایشگاهی را روی یک تراشهٔ کوچک و قابل حمل فراهم می‌کند. 
 

۴.۳. روش ساخت

در آغاز، فناوری‌های مبتنی بر فتولیتوگرافی به عنوان اصلی‌ترین و پیشرفته‌ترین روش ساخت تراشه‌های زیستی شناخته می‌شدند و حتی در تولید آرایه‌های DNA نیز به‌کار گرفته شدند. با وجود دقت و توانایی بالای این روش، استفاده از آن در علوم زیستی با محدودیت‌هایی همراه بود؛ از جمله نیاز به تجهیزات بسیار گران‌قیمت، شرایط ساخت پیچیده، حساسیت بالا به آلودگی، و دشواری کار با مواد زیستی ظریف. همین مشکلات باعث شد که پژوهشگران به دنبال روش‌های ساده‌تر، ارزان‌تر و سازگار با محیط زیستی بروند.

در سال ۱۹۹۸ مجموعه‌ای از تکنیک‌ها تحت عنوان لیتوگرافی نرم معرفی شد. این روش‌ها با الهام از فناوری‌های قدیمی، ولی با انعطاف، دقت و سهولت بیشتر توسعه یافتند و امکان ایجاد الگوهایی در ابعاد میکروسکوپی را فراهم کردند. لیتوگرافی نرم، به‌ویژه به دلیل سازگاری با پلیمرهایی مانند PDMS و قابلیت تولید سریع و کم‌هزینه‌ی تراشه‌ها، به سرعت جایگاه مهمی در ساخت میکروسیستم‌های زیستی پیدا کرد.

با کوچک شدن ابعاد ابزارها در این فناوری، نسبت سطح به حجم به‌طور چشمگیری افزایش می‌یابد؛ موضوعی که باعث می‌شود ویژگی‌های سطحی نقش تعیین‌کننده‌ای در عملکرد تراشه‌ها داشته باشند. در سیستم‌های میکروسکوپی، تغییر ویژگی‌های سطحی حتی در حد یک لایه‌ی مولکولی، می‌تواند رفتار مولکولی، اتصال زیستی، و عملکرد کلی تراشه را کاملاً دگرگون کند. برای این منظور، از تک‌لایه‌های خودآرا (Self-Assembled Monolayers یا SAMs) استفاده می‌شود. این لایه‌ها معمولاً شامل آلکان‌تیولات‌هایی هستند که روی سطوح فلزی مانند طلا قرار می‌گیرند و می‌توانند خصوصیات شیمیایی، چسبندگی، آب‌دوستی یا آب‌گریزی سطح را به‌صورت دقیق کنترل کنند. ترکیب روش‌های لیتوگرافی نرم با فناوری SAM نقش بسیار مهمی در توسعه‌ی میکروسیستم‌هایی داشته که برای علوم زیستی مناسب و کاملاً قابل تنظیم هستند.

در طراحی تراشه‌های میکروسیالی، تنها شکل هندسی کانال‌ها و شاخه‌گذاری‌های آنها اهمیت ندارد؛ بلکه باید یک الگوی شیمیایی کنترل‌شده نیز روی سطح داخلی کانال‌ها ایجاد شود تا تعیین کند سلول‌ها، پروتئین‌ها یا سایر مولکول‌ها در کدام نقاط قرار بگیرند و به کدام بخش‌ها متصل نشوند. این موضوع برای انجام واکنش‌ها و آزمایش‌های دقیق ضروری است. برای مثال، بسیاری از پروتئین‌ها تمایل دارند به سطوح آب‌گریز متصل شوند؛ بنابراین با کنترل میزان آب‌دوستی یا آب‌گریزی می‌توان نواحی اتصال‌پذیر و اتصال‌ناپذیر را به‌صورت دلخواه ایجاد کرد. چاپ نرم (Soft Lithography) یکی از کارآمدترین روش‌ها برای ایجاد این الگوهای شیمیایی متنوع بر سطح کانال‌ها است.

تک‌لایه‌های SAM نیز برای تنظیم خواص مولکولی سطح مانند میزان رطوبت‌پذیری، چسبندگی سلولی، جذب مولکول‌های زیستی و حتی هدایت واکنش‌های شیمیایی مورد استفاده قرار می‌گیرند. این لایه‌ها می‌توانند با دقت بسیار بالا، رفتار سطح را برای نیازهای خاص آزمایش‌های زیستی تنظیم کنند.

در سال‌های اخیر، روش‌هایی مانند لیتوگرافی سه‌بعدی، پرینت سه‌بعدی با رزولوشن میکرونی، و روش‌های واکنش-انتشار نیز به جمع تکنیک‌های ساخت تراشه‌های میکروسیالی اضافه شده‌اند. این روش‌ها امکان ساخت سازه‌های پیچیده‌تر مانند محفظه‌های سه‌بعدی، کانال‌های با شکل‌های منحنی یا شبکه‌های مشابه ساختار بافتی را فراهم کرده‌اند و مسیر توسعه‌ تراشه‌ها را به سمت ساخت ارگان-روی-تراشه‌های پیشرفته هدایت کرده‌اند.

۴. کاربرد فناوری میکروسیالی در زیست‌شناسی سلولی و مولکولی

وجود مجموعه‌ای از مزایا مانند کاهش چشمگیر حجم نمونه، کاهش مقدار ضایعات، دقت بالا، صرفه‌جویی در هزینه و زمان، و امکان انجام واکنش‌ها در مقیاس کوچک، باعث شده فناوری میکروسیالی در حوزه‌های مختلف زیست‌شناسی، شیمی، مهندسی و پزشکی جایگاه ویژه‌ای پیدا کند. علاوه بر این، تراشه‌های میکروسیالی قادرند ساختارهایی ایجاد کنند که ابعاد آنها کاملاً متناسب با اندازه سلول‌های پروکاریوتی و یوکاریوتی باشد؛ موضوعی که موجب می‌شود این فناوری برای مطالعات سلولی بسیار مناسب و کارآمد باشد.

توانایی تراشه‌ها در ایجاد محیط‌های کنترل‌شده‌ی میکرو‌مقیاس اهمیت زیادی دارد. در روش‌های رایج کشت سلولی، معمولاً رفتار جمعیت بزرگی از سلول‌ها بررسی می‌شود؛ اما در سطح تک‌سلول، رویدادهای زیستی به‌مراتب پیچیده‌تر و حساس‌ترند و نیازمند کنترل محیطی دقیق هستند. فناوری میکروسیالی امکان مدیریت دقیق عوامل فیزیکی و شیمیایی اطراف یک سلول منفرد را فراهم می‌کند. وجود جریان‌های لامینار، حرکت آرام و قابل پیش‌بینی مواد و انتقال تدریجی آنها از طریق انتشار، شرایطی ایجاد می‌کند که در آن می‌توان یک شیب غلظتی پایدار ساخت. این شیب به‌گونه‌ای است که غلظت ماده‌ی مورد نظر در طول کانال تغییر می‌کند و محقق می‌تواند رفتار سلول را در نقاط مختلف این شیب به‌صورت لحظه‌ای بررسی کند.

این قابلیت در مجموعه‌ای از مطالعات پیشرفته، از جمله عصب‌شناسی، بررسی شکل‌گیری اکسون‌ها، مطالعه گرادیان کلسیمی، یا بررسی نقش فاکتورهای رشد در تکوین سلولی بسیار ارزشمند است. همچنین امکان ساخت میکرو محیط‌های شبه in vivo برای بررسی رفتار جمعیت سلولی فراهم می‌شود؛ موضوعی که در غربالگری دارویی اهمیت بالایی دارد و می‌تواند رفتار طبیعی‌تر سلول‌ها نسبت به محیط‌های کشت سنتی را بازنمایی کند.

در سال‌های اخیر، میکروسیستم‌ها به‌عنوان ابزاری کلیدی در تولید ارگان-روی-تراشه، ریزمحیط‌های مصنوعی و مدل‌سازی بیماری‌ها نیز به‌کار گرفته شده‌اند. این فناوری امکان شبیه‌سازی شرایط فیزیولوژیک واقعی مانند جریان خون، فشار، تغییرات ریزمحیطی و حتی تعامل سلول–سلول را فراهم کرده و کاربردهای گسترده‌ای در مدل‌سازی سرطان، نوروبیولوژی و ایمونولوژی ایجاد کرده است.

۱.۴. مطالعات سلول‌های بنیادی

سلول‌های بنیادی گروهی از سلول‌ها هستند که توانایی تمایز به انواع مختلف سلول‌های تخصص‌یافته را دارند. امروزه بسیاری از پژوهش‌ها بر درک عوامل مؤثر در تکثیر، تمایز و نگهداری این سلول‌ها متمرکز شده‌اند، اما روش‌های سنتی کشت سلولی محدودیت‌هایی جدی برای مطالعه آنها ایجاد می‌کند. یکی از مهم‌ترین چالش‌ها، ناتوانی این روش‌ها در بازسازی میکرو محیط واقعی پیرامون سلول‌هاست.

میکرو محیط سلول‌های بنیادی شامل مجموعه‌ای از عوامل بیوشیمیایی (فاکتورهای رشد، پیام‌رسان‌ها)، خصوصیات فیزیکوشیمیایی (pH، سختی سطح، کشسانی بستر)، عناصر ساختاری (ماده زمینه‌ای خارج‌سلولی) و محرک‌های مکانیکی است. روش‌های معمول کشت نمی‌توانند این عوامل را در مقیاس دقیق و قابل کنترل تنظیم کنند، بنابراین نقش بسیاری از این عوامل در سرنوشت تمایزی سلول‌ها هنوز به‌طور کامل روشن نشده است.

فناوری میکروسیالی این امکان را ایجاد می‌کند که محیط اطراف سلول‌ها با دقت میکرومتری کنترل شود. علاوه بر این، به دلیل حجم کم مورد نیاز، مصرف سلول‌ها، مواد مغذی و فاکتورهای رشد به حداقل می‌رسد که به‌ویژه برای سلول‌های بنیادی گران‌قیمت، بسیار اهمیت دارد.

در سال ۲۰۰۵ یک سیستم میکروسیالی ایجاد شد که قادر به تولید یک شیب غلظتی پایدار از چندین فاکتور رشد بود. در این مطالعه، سلول‌های بنیادی عصبی انسانی بیش از یک هفته در این محیط قرار گرفتند و تحت اثر ترکیبی از فاکتورهای رشد مانند EGF، FGF2 و PDGF قرار داشتند. نتایج نشان داد سلول‌ها در تمام این مدت زنده ماندند و بسته به غلظت فاکتورها، به درجات مختلفی به سلول‌های استروسیت تمایز یافتند. چنین آزمایش‌هایی نشان‌دهنده‌ی اهمیت فوق‌العاده فناوری میکروسیالی در مطالعه دقیق و چندبعدی سرنوشت سلول‌های بنیادی است.

۲.۴. بررسی حرکت شیمیوتاکسی نوتروفیل

در سال ۲۰۰۲ سیستم میکروسیالی نوآورانه‌ای طراحی شد که امکان بررسی رفتار نوتروفیل‌ها در برابر شیب غلظتی مواد جاذب شیمیایی را فراهم کرد. این سیستم از دو بخش اصلی تشکیل شده بود: یک بخش برای ایجاد شیب غلظتی پایدار و بخش دوم برای مشاهده و تحلیل رفتار سلول‌ها.

بخش ایجادکننده شیب از شبکه‌ای از میکروکانال‌های متصل به‌هم ساخته شده بود که درست پس از ورودی‌های دستگاه قرار می‌گرفت. دو محلول مختلف به سیستم وارد می‌شدند: یکی حاوی محیط پایه و دیگری شامل همان محیط به همراه ماده‌ی جاذب شیمیایی. این محلول‌ها در کانال‌های متوالی به‌طور مرتب از هم جدا، مخلوط و دوباره ترکیب می‌شدند تا در نهایت مجموعه‌ای از کانال‌ها با غلظت‌های مختلف شکل بگیرد. تمامی کانال‌ها در انتها به یک کانال اصلی و پهن متصل می‌شدند که در طول آن شیب غلظتی یکنواخت و قابل پیش‌بینی وجود داشت.

نوتروفیل‌ها در این کانال اصلی قرار داده می‌شدند و رفتار آنها در طول شیب غلظت با دقت تصویربرداری و تحلیل می‌گردید. این روش امکان مطالعه‌ی دقیق پاسخ سلول‌های ایمنی به سیگنال‌های شیمیایی را فراهم کرد و نقش بسیار مهمی در رمزگشایی از سازوکارهای مهاجرت سلول‌های ایمنی داشت.

سیستم‌های امروزی می‌توانند علاوه بر ایجاد گرادیان شیمیایی، شیب‌های مکانیکی، حرارتی یا الکتریکی نیز تولید کنند و رفتار سلول‌های ایمنی، عصبی و سرطانی را در برابر محرک‌های چندگانه به‌طور همزمان بررسی کنند. این امر افق‌های جدیدی برای مطالعه پیچیدگی‌های سیستم ایمنی و مکانیسم‌های فرار سلول‌های سرطانی از پاسخ ایمنی فراهم کرده است.

4.3. مطالعه‌ی بخشی از سلول: مطالعه‌ی اکسون‌ها

به‌منظور مطالعه‌ی دقیق و جداگانه‌ی اکسون‌ها، نوعی دستگاه میکروسیالی ویژه طراحی شده است که از دو محفظه‌ی مستقل و کاملاً تفکیک‌شده تشکیل می‌شود. میان این دو محفظه، یک مانع فیزیکی قرار دارد که تنها دارای شیارهایی باریک است؛ شیارهایی که اجازه‌ی عبور و رشد جوانه‌های عصبی را می‌دهند، اما سیالات و مولکول‌ها توان عبور از آن‌ها را ندارند. در نتیجه هیچ تبادل شیمیایی ناخواسته‌ای بین دو بخش رخ نمی‌دهد و شرایط هر محفظه می‌تواند به‌طور دقیق کنترل شود.

در این سیستم، سلول‌های عصبی ابتدا در ناحیه‌ی مربوط به جسم سلولی کشت داده می‌شوند. طی سه تا چهار روز، جوانه‌های عصبی شروع به رشد کرده و از طریق شیارها وارد بخش دوم می‌شوند که محل اختصاصی رشد اکسون است. از آنجا که جسم سلولی نمی‌تواند از این شیارها عبور کند، تنها زوائد عصبی در محیط دوم رشد کرده و قابل مشاهده و تحلیل می‌شوند.

این پلتفرم امکان مطالعه‌ی فرآیندهای مهمی همچون میلین‌دار شدن اکسون‌ها، بررسی صدمات اکسونی، باززایی عصبی و پاسخ اکسون به محرک‌های شیمیایی یا مکانیکی را فراهم می‌کند. افزون بر این، تراشه‌های مذکور ابزارهای قدرتمندی برای پژوهش در زمینه‌ی بیماری‌های اکسونی و دژنراتیو مانند آلزایمر، ام‌اس و نوروپاتی‌ها هستند؛ چرا که پژوهشگر می‌تواند عوامل مخرب یا محافظ عصبی را تنها بر اکسون اعمال کرده و اثرات آن را بدون دخالت جسم سلولی بررسی کند.

افزون بر کاربردهای ذکر شده، این سامانه زمینه‌ای فراهم می‌سازد تا نقش مولکول‌های هدایت‌کننده‌ی آکسون، سیگنال‌های بیوشیمیایی موضعی و حتی فاکتورهای مکانیکی در جهت‌یابی و رشد عصبی مطالعه شود. این سطح از کنترل محیطی، در روش‌های سنتی کشت عصبی قابل دستیابی نیست.

4.4. آنالیز اسیدهای نوکلئیک

یکی از برجسته‌ترین و پرکاربردترین زمینه‌های فناوری میکروسیالی، تحلیل اسیدهای نوکلئیک است. در مراحل ابتدایی توسعه‌ی این فناوری، تراشه‌هایی طراحی شدند که تنها قادر به انجام یک مرحله از تحلیل ژنتیکی – مانند PCR، جداسازی قطعات DNA بر اساس اندازه یا انجام میکرواری – بودند و اغلب به DNA خالص به عنوان ورودی نیاز داشتند.

با رشد و بلوغ فناوری، دستگاه‌هایی معرفی شدند که قادر بودند کل مسیر آنالیز ژنتیکی را از نمونه‌ی خام تا نتایج نهایی به‌صورت یکپارچه انجام دهند. برای مثال تراشه‌هایی ساخته شده‌اند که می‌توانند:

• نمونه‌ی خونی را دریافت کنند،

• مراحل لیز سلول‌ها و استخراج DNA را به‌طور خودکار انجام دهند،

• DNA استخراج‌شده را تکثیر کنند،

• هیبریداسیون یا واکنش‌های تشخیصی ژنتیکی را اجرا کنند،

• و نهایتاً خروجی را به‌صورت سیگنال‌های قابل اندازه‌گیری ژنتیکی ارائه دهند.

این یکپارچگی سبب افزایش سرعت، کاهش خطاهای انسانی، کاهش نیاز به تجهیزات حجیم آزمایشگاهی و استفاده‌ی حداقلی از مواد پرهزینه‌ی زیستی شده است.

افزون بر این، فناوری میکروسیالی امکان اجرای PCR در حجم‌های بسیار کم، کنترل دقیق دما و افزایش راندمان واکنش‌های ژنتیکی را فراهم کرده است؛ ویژگی‌هایی که موجب افزایش حساسیت و اختصاصیت آزمایش‌های مولکولی شده‌اند.

4.5. مطالعات دارویی

در صنایع داروسازی، آزمایش‌های سلولی و مولکولی از پردرآمدترین و زمان‌برترین مراحل توسعه‌ی دارو هستند. روش‌های ماکروسکوپی سنتی معمولاً به حجم زیادی از سلول‌ها، معرف‌ها، تجهیزات و زمان نیاز دارند. فناوری میکروسیالی راهکاری کارآمد برای غلبه بر این محدودیت‌هاست و در تمامی مراحل کشف و توسعه‌ی دارو کاربرد دارد.

کاربردها در مراحل اولیه کشف دارو

یکی از کاربردهای مهم، طراحی سیستم‌های میکروسیالی ترکیبی است که می‌توانند مجموعه‌ای از عملیات شامل لیز سلول، نشان‌دارسازی مولکولی، جداسازی و اندازه‌گیری کمی پروتئین‌ها را به‌صورت متوالی و در یک تراشه انجام دهند. این یکپارچگی موجب افزایش دقت، کاهش زمان آزمایش و کاهش مصرف مواد می‌شود.

کاربردها در مطالعه ساختار و خالص‌سازی پروتئین‌ها

در مرحله‌ی تعیین ساختار پروتئین هدف، تراشه‌هایی ساخته شده‌اند که با بهره‌گیری از لوله‌های موئین و خاصیت ایزوالکتریک، پروتئین‌ها را با دقت بسیار بالا و در زمانی کوتاه از یکدیگر تفکیک می‌کنند. افزون بر این، سیستم‌های میکروسیالی ویژه‌ای برای کریستال‌سازی پروتئین‌ها توسعه یافته‌اند و توانسته‌اند بلور پروتئین‌هایی را تولید کنند که با روش‌های مرسوم امکان تهیه‌ی آن‌ها وجود نداشته است. محیط‌های کنترل‌شده‌ی میکروسیالی به دلیل حجم کم، نرخ تبخیر کم و یکنواختی گرادیان‌ها، برای تهیه‌ی بلورهای پروتئینی بسیار ایده‌آل هستند.

کاربردها در غربالگری و مراحل پیش‌بالینی

این فناوری در غربالگری اتصال دارو به هدف، سنجش سمیت سلولی، بررسی اثرات هم‌افزایی داروها و پایش پاسخ بافت‌های زنده نیز نقش مهمی دارد. از جمله در مراحل پیش‌بالینی، تراشه‌هایی طراحی شده‌اند که می‌توانند اثر دارو را بر بافت خونی به‌صورت مستقیم و بدون نیاز به نمونه‌گیری بررسی کنند؛ اقدامی که در روش‌های سنتی امکان‌پذیر نیست.

کاربردها در مرحله‌ی بالینی

حتی در بخش‌های بالینی نیز تراشه‌های میکروسیالی وارد شده‌اند. برای مثال تراشه‌های سیلیکونی ساخته شده‌اند که با تحریک الکتریکی، دارو را در بدن آزاد کرده و غلظت دارو را بر اساس بازخوردهای زیستی تنظیم می‌کنند. این موضوع می‌تواند آینده‌ی روش‌های نوین دوزدهی شخصی‌سازی‌شده را متحول کند.

4.6. بهداشت عمومی

یکی از مهم‌ترین مزایای سیستم‌های میکروسیالی، کاربرد آن‌ها در حوزه‌ی زیست‌پزشکی و تشخیص‌های سریع است. این فناوری به دلیل نیاز به حجم بسیار کم نمونه، امکان استفاده توسط افراد غیرمتخصص، سرعت بالا و هزینه‌ی پایین، گزینه‌ای ایده‌آل برای توسعه‌ی ابزارهای تشخیصی نوین است.

در سال‌های اخیر دستگاه‌های میکروسیالی متعددی برای تشخیص بیماری‌ها، سنجش عوامل میکروبی، آنالیز خون، تعیین سطح هورمون‌ها و تشخیص فوری عوامل بیماری‌زا طراحی شده‌اند. با اصلاحات بیشتر در طراحی و سیستم‌های خوانش نتایج، این فناوری می‌تواند به گونه‌ای توسعه یابد که:

• تکنسین‌های آزمایشگاه،

• زیست‌شناسان،

• کارکنان مراکز درمانی،

• نیروهای پلیس،

• و حتی افراد عادی در خانه،

توانایی اجرای آزمایش‌های دقیق و معتبر را داشته باشند.

این فناوری می‌تواند نقش بزرگی در پزشکی شخصی‌، مدیریت بیماری‌های واگیردار، تشخیص‌های صحرایی و کنترل سلامت عمومی در شرایط بحرانی ایفا کند.

5. جمع‌بندی

سیستم‌های میکروسیالی به دلیل توانایی بالا در کاهش حجم نمونه، افزایش سرعت واکنش‌ها، مصرف کم مواد، قابلیت یکپارچه‌سازی فرآیندها و امکان طراحی ساختارهای پیچیده، به یکی از جذاب‌ترین فناوری‌های نوین در علوم زیستی و پزشکی تبدیل شده‌اند. با وجود پیشرفت‌های قابل توجه، این فناوری هنوز بیشتر در حوزه‌ی تحقیقاتی کاربرد دارد و برای ورود گسترده به بازار مصرف نیازمند کاهش هزینه‌ها، ساده‌سازی کاربرد و افزایش دوام و تکرارپذیری است.

علاوه بر این، برای ایجاد پیوند مؤثر میان دانشگاه و صنعت، لازم است مراکز پژوهشی هزینه‌ی اولیه‌ی ایده‌ها و پروتوتایپ‌ها را کاهش داده و صنایع نیز ریسک تجاری‌سازی را بپذیرند. تنها در این صورت است که می‌توان به توسعه‌ی ابزارهای میکروسیالی قابل استفاده برای عموم و ورود جدی این فناوری به عرصه‌ی پزشکی، داروسازی و بهداشت عمومی امید داشت.

افزون بر این، استانداردسازی جهانی فرایند تولید تراشه‌ها، توسعه‌ی مواد جدید سازگار با زیست، و طراحی سیستم‌های خوانش دیجیتال دقیق، می‌تواند آینده‌ی این فناوری را به‌طور چشمگیری تقویت کند و زمینه‌ساز ورود نسل جدید ابزارهای تشخیصی و درمانی شود.