微流體是指微尺度設(shè)備中的流體操縱。通常稱為“片上實(shí)驗(yàn)室”，微流體系統(tǒng)用于研究和分析非常小規(guī)模的化學(xué)或生物樣品，取代用于傳統(tǒng)生物分析的極其昂貴和繁瑣的儀器。通過(guò)麻省理工學(xué)院技術(shù)評(píng)論，2001年將“改變世界的10項(xiàng)新興技術(shù)”列入其中，微流體被認(rèn)為是生物學(xué)和化學(xué)的革命性，因?yàn)槲⑻幚砥饕呀?jīng)用于電子和IT，它適用于巨大的市場(chǎng)。

今天，這個(gè)年輕的學(xué)科，在2000年代開始以微通道網(wǎng)絡(luò)組成的封閉系統(tǒng)開始起飛，它本身正在被綜合理工學(xué)院和麥吉爾大學(xué)的研究人員發(fā)現(xiàn)的根本改變，這加強(qiáng)了理論和實(shí)驗(yàn)基礎(chǔ)。開放空間微流體學(xué)。

這種消除通道的技術(shù)與傳統(tǒng)的微流體技術(shù)在某些類型的分析中具有良好的競(jìng)爭(zhēng)優(yōu)勢(shì)。實(shí)際上，閉合通道微流體裝置的經(jīng)典配置提供了若干缺點(diǎn)：通道橫截面的規(guī)模增加了細(xì)胞在培養(yǎng)時(shí)所經(jīng)受的應(yīng)力; 它們與細(xì)胞培養(yǎng)標(biāo)準(zhǔn) - 培養(yǎng)皿不相容，這使得該行業(yè)很難采用它。

Polytechnique和McGill大學(xué)研究人員探索的新方法基于微流體多極(MFM)，這是一種同時(shí)流體吸入系統(tǒng)，通過(guò)非常小的表面上相對(duì)的微開口吸入系統(tǒng)，放置在厚度小于0.1 mm的狹窄空間內(nèi)。“當(dāng)它們彼此接觸時(shí)，這些流體噴射形成的圖案可以通過(guò)用化學(xué)試劑染色來(lái)看到，”Gervais教授說(shuō)。“我們希望了解這些模式，同時(shí)開發(fā)一種可靠的MFM建模方法。”

優(yōu)雅的視覺(jué)對(duì)稱重現(xiàn)藝術(shù)家MC ESCHER的工作

為了理解這些模式，Gervais教授的團(tuán)隊(duì)必須為開放的多極流開發(fā)一種新的數(shù)學(xué)模型。該模型基于稱為共形映射的經(jīng)典數(shù)學(xué)分支，通過(guò)將其簡(jiǎn)化為更簡(jiǎn)單的幾何形狀來(lái)解決與復(fù)雜幾何相關(guān)的問(wèn)題(反之亦然)。

博士生ÉtienneBoulais首先開發(fā)了一個(gè)模型來(lái)研究多流偶極子(只有兩個(gè)開口的MFM)中的微噴射碰撞，然后依靠這個(gè)數(shù)學(xué)理論，將模型外推到具有多個(gè)開口的MFM。“我們可以用象棋游戲進(jìn)行類比，其中有一個(gè)版本有四個(gè)玩家，然后六個(gè)或八個(gè)，應(yīng)用空間變形同時(shí)保持相同的游戲規(guī)則，”他解釋道。

“當(dāng)受到共形映射時(shí)，流體噴射碰撞產(chǎn)生的圖案形成了對(duì)稱的圖像，讓人想起荷蘭藝術(shù)家MC Escher的畫作，”這位對(duì)視覺(jué)藝術(shù)充滿熱情的年輕研究員補(bǔ)充道。“但遠(yuǎn)遠(yuǎn)超出其美學(xué)吸引力，我們的模型允許我們描述分子在流體中移動(dòng)的速度以及它們的濃度。我們?yōu)槎噙_(dá)12個(gè)極點(diǎn)的所有可能系統(tǒng)配置定義了有效規(guī)則，以產(chǎn)生多種多樣的流動(dòng)和擴(kuò)散模式。“

因此，該方法是一個(gè)完整的工具箱，不僅可以模擬和解釋MFM中出現(xiàn)的現(xiàn)象，還可以探索新的配置。由于這種方法，現(xiàn)在可以實(shí)現(xiàn)開放空間微流體測(cè)試的自動(dòng)化，這種測(cè)試到目前為止只是通過(guò)反復(fù)試驗(yàn)進(jìn)行過(guò)探索。

使用3D打印制作設(shè)備

MFM設(shè)備的設(shè)計(jì)和制造由Pierre-Alexandre Goyette完成。該設(shè)備是一種由樹脂制成的小探針，采用低成本的3D打印工藝，并連接到泵和注射器系統(tǒng)。

“Juncker教授團(tuán)隊(duì)在固定在表面上的抗體檢測(cè)蛋白質(zhì)方面的專業(yè)知識(shí)對(duì)于管理該項(xiàng)目的生物學(xué)方面非常寶貴，”生物醫(yī)學(xué)工程博士生說(shuō)。“通過(guò)分析獲得的結(jié)果驗(yàn)證了我的同事Étienne開發(fā)的模型的準(zhǔn)確性。”

該裝置允許同時(shí)使用多種試劑來(lái)檢測(cè)同一樣品中的各種分子，這為生物學(xué)家節(jié)省了寶貴的時(shí)間。對(duì)于某些類型的測(cè)試，分析時(shí)間可以從幾天減少到幾個(gè)小時(shí)，甚至幾分鐘。此外，該技術(shù)的多功能性應(yīng)使其可用于各種分析過(guò)程，包括免疫學(xué)和DNA測(cè)試。

走向微流體顯示器?

Gervais教授的團(tuán)隊(duì)已經(jīng)在考慮他的項(xiàng)目的下一步：開發(fā)一個(gè)顯示化學(xué)圖像的屏幕。

“這將是液晶顯示器的一種化學(xué)等價(jià)物，”Gervais教授解釋說(shuō)。“就像我們?cè)谄聊簧弦苿?dòng)電子的方式一樣，我們會(huì)發(fā)送各種濃度的流體射流，這些流體會(huì)與表面發(fā)生反應(yīng)。它們會(huì)形成一個(gè)圖像。我們很高興能夠推進(jìn)這個(gè)項(xiàng)目，為此我們已獲得臨時(shí)專利。“

重新診斷程序和醫(yī)療處理后續(xù)行動(dòng)

目前，該研究團(tuán)隊(duì)開發(fā)的技術(shù)針對(duì)的是基礎(chǔ)研究市場(chǎng)。“我們的工藝可以同時(shí)將細(xì)胞暴露于許多試劑中，”Gervais教授說(shuō)。“它們可以幫助生物學(xué)家大規(guī)模研究蛋白質(zhì)和試劑之間的相互作用，從而增加分析過(guò)程中獲得的信息的數(shù)量和質(zhì)量。”

他解釋說(shuō)，隨后，醫(yī)藥市場(chǎng)也將能夠受益于這一發(fā)現(xiàn)所帶來(lái)的篩選系統(tǒng)自動(dòng)化的新方法。最后，它通過(guò)促進(jìn)患者細(xì)胞培養(yǎng)和接觸各種藥物來(lái)確定哪些藥物最佳反應(yīng)，為藥物發(fā)現(xiàn)開辟了一條新途徑。