Kỹ thuật vi lưu ứng dụng trong tách tế bào pptx

Kỹ thuật vi lưu ứng dụng
trong tách tế bào

Vài năm trở lại đây, việc sử dụng kỹ thuật vi lưu để nhận biết
các tác nhân sinh học đã thu hút sự quan tâm của nhiều nhà
khoa học do những ưu thế mà kỹ thuật này mang lại như
giảm việc tiêu thụ các tác nhân phản ứng do kích cỡ vi kênh
và tăng độ nhạy nhờ vào việc tăng diện tích bề mặt và tăng sự
chuyển đổi khối khi kích cỡ các kênh giảm xuống kích thước
micro và nano mét.
Thêm vào đó, nhờ sự phát triển mạnh mẽ của công nghê
nano, công nghệ vi điện tử, việc tích hợp và chế tạo linh kiện
vi hệ thống nói chung và các hệ vi lưu nói riêng trở nên dễ
dàng hơn. Đây cũng là cơ sở để phát triển các phòng thí
nghiệm trên chíp cho phép tích hợp các chức năng như lấy
mẫu, bơm mẫu và phân tích, hiển thị kết quả.
Các cảm biến trên
cơ sở hệ vi lưu có
khả năng phát hiện
vi rút cúm A, tế bào
ung thư,…. Việc sử
dụng hệ vi lưu chắc
chắn sẽ mở ra những
hướng ứng dụng
trong nhiều lĩnh vực
khác nhau như: nuôi
cấy tế bào, lọc tách
các thành phần sinh
học, hóa học…

Vi lưu (Microfluidics) là một lĩnh vực nghiên cứu chế tạo sử
dụng công nghệ vi cơ điện tử (MEMS ) và liên quan đến việc
kiểm soát dòng chảy của chất lỏng đo bằng micro, nano, hoặc
thậm chí pico lít. Chất lưu có thể là chất lỏng hoặc khí trong

Hình 1. Hình ảnh mô phỏng của
một hệ vi lưu bao gồm các vi
kênh được mã màu khác nhau (đại
diện cho các chất lưu khác nhau),
hệ thống điện cực để lấy tín hiệu
(có thể là tín hiệu điện hoặc tín
hiệu quang)
tự nhiên, hoặc hỗn hợp cả hai, và chảy qua các vi kênh, vi
bơm, vi van và vi lọc. Những thiết bị vi lưu có thể được chế
tạo trên nền chất silics ứng dụng các kỹ thuật có sẵn của vi
điện tử. Những thiết bị này cũng có thể được chế tạo từ vật
liệu hữu cơ như từ nhựa hoặc polyme.
Các thiết bị vi lỏng chỉ yêu cầu một lượng nhỏ mẫu và thuốc
thử để thực hiện các phân tích đại diện cho một thể tích lớn.
Ngoài ra, thời gian phản ứng nhanh chóng và dễ dàng tự
động hóa làm cho các thiết bị vi lưu ngày càng phù hợp với
các phân tích trong y sinh.
Vi lưu (Microfluidics) đã được sử dụng rộng rãi trong nghiên
cứu và phát triển các hệ thống phân tích toàn diện, phòng thí
nghiệm trên chip (lab-on-chip), trong y sinh, trong dược
phẩm. Trong vòng 20 năm qua công nghệ vi lưu đã có những
bước tiến nổi bật nhờ nỗ lực của các nhà nghiên cứu. Không
xa nữa, chúng ta sẽ thấy một xu hướng phát triển theo đó các
sản linh kiện vi lưu sẽ được thiết kế và chế tạo theo yêu cầu,
đáp ứng mọi nhu cầu trong phân tích lâm sang, dược và trong

công nghệ sinh học.
Một trong những ứng dụng hứa hẹn nhất của thiết bị vi lưu
trong kỹ thuật y sinh học là thiết bị chẩn đoán. Giai đoạn
chuẩn bị mẫu trong phân tích đóng vai trò rất quan trọng, các
thiết bị vi lưu có thể được ứng dụng để phân lập các tế bào ra
khỏi các hợp chất khác trong mẫu. Thông thường, các tế bào
có thể được tách ra trong chất lưu huyền phù, dựa trên kích
thước, mật độ điện tích, tính chất tán xạ ánh sáng, và các tính
chất kháng nguyên bề mặt. Phương pháp truyền thống này
đỏi hỏi các thiết bị đắt tiền bao gồm máy ly tâm, phân loại tế
bào bằng kích thích huỳnh quang, điện di, sắc ký, thiết bị
tách dùng ái lực và dung từ trường. Các giải pháp vi lưu có
thể được được thiết để tích hợp vào các kỹ thuật nói trên,
hoặc hoạt động như một thiết bị độc lập để thực hiện các
nhiệm vụ chuẩn bị mẫu.
Một ví dụ điển hình là thiết bị lọc vi lưu để phân loại tế bào
di truyền giao tử đực (trong tinh trùng) để hỗ trợ quá trình
IVF (kỹ thuật thụ tinh trong ống nghiệm) và ICSI (kỹ thuật
tiêm tinh trùng trong bào tương). Trong một ca có yếu tố vô
sinh nam, tế bào sinh tinh khỏe mạnh sẽ được lấy ra từ viên
sinh thiết sau đó được tiêm trực tiếp vào tế bào trứng. Sinh
thiết dạng viên có chứa một loạt các mô và các tế bào phôi.
Quá trình tìm ra các tế bào sống cho ICSI có thể tốn thời
gian, đòi hỏi nhiều giờ làm việc liên quan đến việc thao tác
thủ công trên viên sinh thiết, sau đó đi qua các chu kỳ tách
bằng kỹ thuật ly tâm và cuối cùng là quá trình tách lọc các
đơn tế bào. Các tế bào phôi nhỏ đi khi ở vào giai đoạn trưởng
thành, bắt đầu như là một tế bào sinh tinh hình tròn với kích
thước cỡ 16 ~ 18μm và kết thúc như một tinh trùng nhỏ với
kích thước cỡ 4 ~ 6 μm. Lợi dụng đặc tính này, người ta có

thể phân chia các tế bào sinh tinh thành các loại khác nhau
theo giai đoạn trưởng thành dựa trên kích thước của chúng
một cách nhanh chóng và hiệu quả.
Như được thể hiện trong hình 2, một thiết bị vi lưu lỏng là
một thiết bị phẳng thụ động được chế tạo nhờ kỹ thuật DRIE
(DRIE – là từ viết tắt của kỹ thuật ăn mòn khô sử dụng các
phản ứng của ion khí với sự trợ giúp của plasma) có các vi
giếng riêng biệt để thu thập các loại tế bào khác nhau. Kích
thước các vi giếng được thiết kế giảm dần cho phép tách lọc
các tế bào với kích thước khác nhau. Chất lưu được đưa tới vi
hồ trung tâm nhờ các vi bơm hoặc sử dụng kỹ thuật áp điện.
Hình 2: Ảnh hiển vi điện
tử quét (SEM) của một
thiết bị lọc vi lưu chưa
Hình 3. Ảnh đồng tiêu
của việc tách hỗn hợp vi
cầu 3 μm (màu đỏ) và 10
hàn, nhìn từ phía lọc,
hiển thị các kênh tuyến
tính và bộ lọc phân đoạn
tỏa ra vi hồ chứa trung
tâm.
μm (màu xanh) bằng
thiết bị vi lưu. Trong
thiết kế này, các vi kênh
với kích thước khác
nhau vừa được sử dụng
như là bộ lọc vừa có
chức năng tạo ra lực
căng bề mặt để dịch

chuyển mẫu đi qua các
vùng lọc.
Thông qua kiểm soát kỹ lưỡng tính chất của bề mặt tiếp xúc
với chất lỏng, và bằng cách khai thác bản chất dòng tuyến
tính của dòng vi lưu, bộ lọc sử dụng sức căng bề mặt của chất
lỏng làm việc để đưa mẫu đi qua các địa điểm mong muốn.
Việc tiểu hình hóa thiết bị cho phép sử dụng tác dụng, mà ở
kích thước lớn nó ngăn chặn dòng chảy chất lưu, đưa mẫu đi
qua phần tử lọc mà không cần nguồn năng lượng bên ngoài.
Ở các thử nghiệm với thiết bị trong hình 2, thiết bị cho thấy
có khả năng lọc 1500 vi hạt ở thể tích 0.5 μl chất vi lưu với
thời gian chưa đầy một giây.
Hình 3 cho thấy kết quả của việc tách một hỗn hợp các vi cầu
có kích thươc 3 μm và 10 μm, nơi mà phần lớn các hạt được
thu thập trong vi hồ chứa tương ứng với kích thước của
chúng. Nồng độ tối ưu của các hạt trong vi giếng gom phù
hợp lần lượt là 50 % cho 3 μm và 84 % cho 10 μm hạt tương
ứng. Tỷ lệ của các tế bào được xử lý được hiểu là một hàm
của việc di chuyển chúng qua thiết bị lọc trong lòng chất lưu
khối.

Thiết bị này có lợi
thế là hoàn toàn
tương thích sinh học nhờ việc sử dụng các vật liệu như silic
và thủy tinh, và nhờ vào khả năng chế tạo hàng loạt để hạ giá
thành, chúng được dùng một lần nhằm loại trừ nhiễm bẩn
mẫu. Ngoài ra, bản chất ưa nước của các oxit được dung
trong các mao mạch của thiết bị hầu như vô hại đối với các tế
bào và protein. Kỹ thuật bơm mao mạch tự cấp nguồn có thể
được sử dụng để thao tác với các chất lưu, làm giảm độ phức

tạp của hệ thống. Tiếp cận này có triển vọng làm tăng cường
độ tin cậy và tính năng của thiết bị nhờ loại bỏ các bộ phận
tháo lắp bên ngoài, và do đó giảm các hỏng hóc có thể do gia
công cơ khí (các bộ phận bơm), hoặc, hỏng hóc có thể do
nhiệt phát sinh từ quá trình bơm mẫu.
Việc tích hợp các cấu trúc lọc vật lý trong một hệ thống vi
lưu thụ động cho phép xử lý hiệu quả mà không làm nhiễm
bẩn hoặc làm hỏng các mẫu. Quá trình này giảm đáng kể thời
Hình 4. Một hệ vi lưu hoàn chỉnh
gian xử lý và có tiềm năng lớn để tách tự động các tế bào hạt
tự động một cách hiệu quả trong các ứng dụng về y sinh. q