Mikrofluīdika

Mikrofluīdika ir gan zinātne, kas pēta šķidrumu uzvedību mikrokanālos, gan tehnoloģija, lai ražotu mikrominiaturizētas ierīces, galvenokārt mikroshēmas, kas satur kameras un tuneļus, caur kuriem var plūst vai tikt noslēgti šķidrumi. Mikrofluīdika ir starpdisciplināra nozare, kas apvieno inženieriju, fiziku, ķīmiju, bioķīmiju, nanotehnoloģiju un biotehnoloģiju. Mikrometru skalā šķidrumi uzvedas daudz citādāk nekā ikdienā, kas ļauj šo tehnoloģiju izmantot jauniem zinātnes eksperimentiem un inovācijām. Tipiski pielietojumi iekļauj ķīmiskos sensorus, plūsmas regulatorus, mikrosprauslas un mikrovārstus. Zināms, ka Latvijā mikrofluīdika tiek izmantota, lai izdalītu augstas kapacitātes ārpusšūnu vezikulas kā arī, lai izpētītu šķidrumu plūsmas apkārt magnētiski mīkstiem materiāliem.

Mikrofluīdikas mikroshēma, kas iestrādāta stikla pamatnē. Plūsmas kanāli ir 50 µm dziļi un 150 µm plati

Šķidrumu uzvedība mikroskalā

Šķidrumu uzvedība mikroskalā var atšķirties no uzvedības makroskalā, jo tādi faktori kā virsmas spraigums, enerģijas izkliede un šķidruma pretestība sāk dominēt sistēmā. Mikrofluīdika pēta šo izmaiņu un kā to var izmainīt vai izmantot jauniem lietojumiem.

Nelielos mērogos (kanāla izmērs no aptuveni 100 nanometriem līdz 500 mikrometriem) parādās dažas interesantas un dažkārt pat ne acīmredzamas īpašības. Piemēram, Reinoldsa skaitlis, kas salīdzina šķidruma plūsmu ar viskozitātes iedarbību, var kļūt ļoti mazs. Galvenās sekas ir tas, ka, plūsmai kļūstot par lamināru nevis turbulentu, līdzplūstošie šķidrumi ne vienmēr sajaucas, kā arī molekulārajam transportam starp dažādiem slāņiem bieži vien jānotiek caur difūziju.

Izmantotie materiāli

Mikrofluīdikas ierīcēm plaši izmantoti tiek polimēri to labo bioķīmisko īpašību un zemās cenas dēļ. Šo polimēru vidū visplašāk izmantots tiek polidimetilsiloksāns jeb PDMS, kas ir minerālorganiskais polimērs no siloksānu grupas. PDMS ir piemērots mikroshēmu izgatavošanai, jo tas ir:

• caurspīdīgs: mikrokanāli un to saturs ir pārskatāms;
• elastīgs: iespēja izmantot dažādos pielietojumos, piemēram, vārstu izveidei, deformējot kanālus, kā arī elastību iespējams regulēt ar piemaisījumiem;
• lēts: PDMS ir salīdzinoši daudz lētāks par citiem materiāliem, ko izmanto mikrofluīdikas mikroshēmas izgatavošanai;
• gāzu caurlaidīgs: PDMS ir caurlaidīgs pret gāzēm, kas atļauj to izmantot, piemēram, gāzu sensoros u.c.

Taču PDMS izmantošanai mikrofluīdikas mikroshēmās ir apgrūtinājumi, piemēram, materiāla novecošana ierobežo darbību izpildes kvalitāti gadu laikā, kā arī PDMS nav ķīmiski saderīgs ar daudziem organiskajiem šķīdinātājiem, padarot to pielietojamu galvenokārt tikai ar ūdeni saistītās sistēmās. Vēl viens PDMS trūkums neiespējama elektrodu ievietošana PDMS materiālā. Lai arī PDMS nodrošina ātru un vienkāršu mikrofluīdikas mikroshēmu izgatavošanu, tam ir šķēršļi dažādiem pielietojumiem, taču to var labot, mainot vai jaucot izvēlēto materiālu ar citu polimēru. Mikroshēmu izstrādei tiek izmantots arī polistirols (PS). PS ir optiski caurspīdīgs, biosaderīgs, inerts, ciets un tā virsmu var funkcionalizēt. Mikrofluīdikas ierīču izgatavošanai bieži tiek izmantots arī polimetilmetakrilāts (PMMA) un polikarbonāts (PC). PC ir sliktāka siltumvadītspēja nekā PMMA un tāpēc tas var tikt izmantots plašākā temperatūru diapazonā.

Pielietojumi

Atvērtā mikrofluīdika

Atvērtā mikrofluīdika balstās uz to, ka vismaz viena no robežām, kas ierobežo šķidruma plūsmu sistēmā, tiek noņemta, ļaujot šķidrumam mijiedarboties ar gaisu vai kādu citu šķidrumu. Atvērtās mikrofluīdikas priekšrocības ir iespēja plūstošajam šķidrumam mijiedarboties ar apkārtni, ir lielāks šķidruma-gāzes virsmas laukums, kā arī samazinās burbuļu veidošanās. Šādas ierīces ir lēti izgatavot maļot, termiski formējot un iespiežot karstās veidnēs. Turklāt atvērtās mikrofluīdikas ierīcēs nav nepieciešams izmantot līmi, lai savienotu vai noklātu dažādas detaļas vietas, kas ietekmē veiksmīgu un kontrolētu plūsmu pa kapilāriem. Kā atvērtās mikrofluīdikas piemēri minami atvērto kanālu mikrofluīdika, uz sliedēm veidota mikrofluīdika, papīra, kā arī pavedienu mikrofluīdika.. Šāda veida sistēmai ir trūkumi: uzņēmība pret šķidrumu iztvaikošanu sistēmā, piesārņojums no apkārtējās vides un ierobežots plūsmas ātrums.

Mikropilienu veidošanās mikrofluīdikas ierīcē

Pilienu mikrofluīdika

Pilienu mikrofluīdika ir mikrofluīdikas apakškategorija, kurā tiek veiktas manipulācijas ar diskrētiem šķidrumu daudzumiem, kuriem ir mazs Reinoldsa skaitlis un plūsma ir laminārā režīmā. Mainot sistēmas konstrukciju, iespējams iegūt mikropilienus, kuru tilpums ir no mikrolitriem līdz femtolitriem. Visbiežāk pilienu izveidei izmanto "T" formas kanālus. Izmantojot metāla oksīda pārklājumus, ir iespējams optiski mainīt virsmas potenciālu un tādējādi laikā mainot plūsmu un radot pilienus. Veiksmīgi izprotot un analizējot pilienu veidošanās mehānismus, iespējams iegūt sistēmas, ar kurām var iekapsulēt šūnas, nodrošināt zāļu transportu ķermenī, enzīmu attīstību un ķīmiskajā sintēzē.