Mikroakışkanlar Nedir?

Mikro ve nano hacimlere sahip tek ya da çok evreli sistemlerdeki sıvıları mikrometre boyutundaki kanallarda dolaştırarak yüzey gerilimi, enerji kullanımı ve sistemdeki akışkan dirençleri gibi akışkanların davranışlarında etkili olabilen faktörleri inceleyen, püskürtmeli yazıcılar, kan-hücre ayırımı, elektromatografi ve çip üstü laboratuvar gibi kimya, biyokimya ve tıp alanında birçok uygulamalı bilim dalı olan mikroakışkanlar mühendislikde de yaygınlaşmaya başlamış durumdadır. [1-12,13]

Kısaca şöyle özetleyebiliriz, laboratuvarlarda yapılan birkaç evreli işlemlerin tamamını resimlerde gördüğünüz mikroakışkan bir çip üzerinden istediğiniz veriye aldığımızı düşünebiliriz.

Mikroakışkanların tarihine değinecek olursak…

İlk olarak 1840’larda Hagen-Poiseuille çalışmalarında Mikroakıışkanların üretiminden kullanılan malzeme PDMS’nin kimyasal yapıyla alakalı çalışmayı ele almışlardır.  Dow Corning, silikonlar üzerine çalışmak için 1943’te ise Midland’ ı kurmuştur ve ilk üreticisidir.

Ardından 1950’liler de yarı iletken teknolojisindeki gelişmeler sayesinde minyatür sistemlerin ve bileşenlerin tasarlanmasında bilgi birikimi artmaya başladı.1958 yılına gelindiğinde Jack Kilby ilk mikro kanallar ile çalışmalara el atmıştır.

1970’lerin ortalarına gelindiğinde silikon katmanları üst üste konulmasıyla gofret şeklinde bir minyatürüze edilmiş ve bu minyatür bir gaz kromatografisi üreten Stanford Üniversitesi’nden Stephen Terry tarafından yapılan bir çalışmada; gaz kromotografisiyle numune enjeksiyon sistemi vasıtasıyla kılcal yol girişleri ve çıkışı olarak minyatür termal iletkenlik detektörünü oluşturarak çip üzerinde labarotuvar(lab on a chip) ismini alan ilk çalışma örneğidir.[14]

Bu çalışma sayesiyle 1993 yılına gelindiğinde, birkaç saniye içerisinde amino asitlerin kılcal elektroforezini(dışardan verilen bir elektrik alan yöntemiyle yüklü bir parçacığın çözelti içerisinden yönlendirilmesiyle oluşan potansiyel farktan oluşan elektrik alan etkisiyle kılcal yollara hareket ettirme) yapabilen bir cam çip geliştirildi. Bu cam çipin boyutları ise yaklaşık olarak 10×30 um(mikron) kesitten oluşan kılcal damarlara sahip bir yongadır. Bu çalışmayla birlikte karmaşık analizler için kullanılacabilecek bir yonga üzerinde minyatür bir labaratuvar oluşturma olasılığı kaspısı açılmıştır.

İlk mikroakışkan cihazlar genellikle sililkon ve camdan yapılmıştır. Araştırmacıların o dönemde silikon ve camı kullanmışlardır. Ancak bu ürünlerin bazı kötü yönleride bulunmaktadır, silikonun pahalıdır ve opağı nedeniyle optik mikroskobide birleştirilememesi ve ayrıca  hem silikonun hemde camın düşük gaz geçirgenliğine sahip olmasıdır. Bu durum ise silikon ve camın biyolojide kullanılmasında uygunsuz hale getirmiştir. Daha sonra araştırmacılar öncelikilere kıyasla optik olarak şeffaf, işlenmesi kolay, esnek ve ucuz olabilecek alternatif geliştirmek için en uygun seçenek olarak organik polimerleri buldu. 1990’larda ise polidimetiloksan(pdms) geliştirildi. Bu gelişmeyle birlikte mikroakışkanlarda en yaygın olarak kullanılan ve halen günümüzde de hala yaygın olarak kullanılmaya yol açmıştır. Diğer mikroelektrikte kullanılan geleneksel malzemelerle karşılaştırıldığından PDMS’nin temel avantajarından birisi hücrelerle olan uyumluluğu ve basit organizmaların kültürlenmesindeki kolaylıktır. 1990’ların sonlarında  hücre ve proteinleri ayırma modelleme de, hücre temelli biyosensörler, kültür ve araştırmaları gibi hücre biyolojisi uygulamaları için mikroakışkan cihazlar oluşturuldu.[15]

2000’li yıllara doğru, araştırmacılar, ilaç keşfi ve gelişimi için doku ve organ modelleri olarak kullanılabilecek mikroakışkan cihazlar üzerinde çalışmaya başladılar ve patofizyoloji ve biyolojik süreçlerin incelenmesiyle bir çipte organ(the organ-on-a-chip)  geliştirmiştir. 2000’li yıllardan bu yana bağırsak, karaciğer, beyin, kalp, göz, cilt, akciğer , kas, kan damarları  ve tümörün çip üzerinde birçok doku modeli üzerinde çalışmalar yapılmıştır [16,17].

2010 yılına gelindiğinde yapısal ,fonsiyonel ve mekanik yönleriyle akciğer alveoler-kılcal arayüzü takli edilmesi için bir biyometrik cihaz geliştrilmiştir ve fonksiyonel olarak bir mikro ortamı yeniden oluşturabilen farklı dokuların tek bir çipine entegrasyonu sağlanmıştır. Cihazın, bir tarafında insan alveolar epitel hücreleri ve karşı ya da alt tarafta insan pulmoner endotel hücreleri bulunmaktadır, böylece epitelyal ve endotel bölmeleri oluşturan , gözenekli bir PDMS mebranı ile ayrılmış iki PDMS mikrokanaldan oluşuyordu. Alveoların yan çeper ya da duvarlarına hava enjekte edilerek ve ardından vakumlama yapılarak insan nefesi taklidi yapılmıştır [18-20].

2018’li yıllara gelindiğinde ise insan bağırsağı üzerinde yapılan bir organ çip çalışması ise şöyledir, insan bağırsağının en önemli özelliklerinden birisi sindirim ve emilimdir. Aynı zamanda bağırsak mikrobiyomun ve mikropların ortak olarak yaşadığı yerdir. Bu çalışma da ise bağırsakdan alınan bir modelle yapılan bir organ çipte ilaç emilimisyonu denenmiştir. Yapılan mikroakışkan da üst kısıma bağırsak örnekleri konulmuş ve alt kısımdan ayıran gözenekli bir mebran konularak verilen ilaçların emilip emilmediğini kontrol edilmiştir.

Biraz da yorum yapacak olursak, ilerleyen süreçlerde ise belki de bu yakın bir gelecekte korono virüsü(covid-19) teşhisi yapılacağına inanıyorum.

İnsanlardan alınan birkaç damla kan ile, nasıl ki kan grubu teşhisi veya farklı alerjik testler için alınan kan örnekleri gibi, üretilen tek kullanımlık mikroakış sensörleriyle korono negativ veya pozitif olacağı bilgisi verilebilir.

Kaynaklar:

1-Whitesides, G. The origins and the future of microfluidics. Nature 442, 368–373 (2006). https://doi.org/10.1038/nature05058

2-Engineering Mechanics, “National Conference with International Participation”, 2008

3-Microfludics, “The Royal Society”, 2004

4-WHITESIDES G. and STROOCK A. “Flexible Method for Microfludics”, 2016

5-AVDELGAWAD M. And WHEELER A. “The Dijital Revolution: A new Paradigm for Microfludics” , 2009

6-YANG H. And PARK P.  “Lab on a Chip” , 2008

7-SASSI A. And PAULUS Aran, “Multichannel control in microfludics”, 2002

8-EW Esch, A. Bahinski and D. Huh, “Organs on chips at the borders of drug discovery” Nat. Rev. Drug Discovery. , skin. 14, no. 4, p. 248, 2015.

9-https://www.elveflow.com, “History of Microfludics”,

10-PRYOR Roger, “Multuphysics Modeling Using Comsol”, 2010

11-Introduction to COMSOL Multiphysics, Version 4.4, 2013 in Press

12-http://roboturka.com/catia/1004/ ,2015

13-http://www.neokur.com, 2016

14-https://www.fluigent.com/microfluidic-expertise/what-is-microfluidic/history-of-microfluidics/

15-A. Folch and M. Toner, “Cellular micro models on biocompatible materials,” Biotechnol. Prog. , skin. 14, no. 3, pp 388-392, 1998.

16-AM Ghaemmaghami, MJ Hancock, H. Harrington, H. Kaji ve A. Khademhosseini, “İlaç keşfi için bir çip üzerindeki biyomimetik dokular,” Drug Discov. Bugün, cilt. 17, hayır. 3-4, s. 173-181, 2012

17-D. Huh, BD Matthews, A. Mammoto, M. Montoya-Zavala, HY Hsin and DE Ingber, “Reconstruction of lung function at the organ level on a chip” Science (80-.). , skin. 328, no. 5986, p. 1662-1668, 2010.

18-A. Williamson, S. Singh, U. Fernekorn and A. Schober, “The Future of the Body on Patient-Specific Chips” Lab Chip , vol. 13, no. 18, p. 3471–3480, 2013.

19-C. Moraes, JM Labuz, BM Leung, M. Inoue, T.-H. Chun and S. Takayama, “Being the right size: scaling effects in the design of a person on a chip,” Integr. Biol. , skin. 5, no. 9, p. 1149-1161, 2013.

20-EW Esch, A. Bahinski and D. Huh, “Organs on chips at the borders of drug discovery” Nat. Rev. Drug Discovery. , skin. 14, no. 4, p. 248, 2015.