1
ستاد ویژه توسعه فناوری نانو Iran Nanotechnology Initiative Council بستن
  • ستاد ویژه توسعه فناوری نانو

  • بانک اطلاعات شاخص های فناوری نانو

  • سایت جشنواره فناوری نانو

  • سیستم جامع آموزش فناوری نانو

  • شبکه آزمایشگاهی فناوری نانو

  • موسسه خدمات فناوری تا بازار

  • کمیته استانداردسازی فناوری نانو

  • پایگاه اشتغال فناوری نانو

  • کمیته نانو فناوری وزارت بهداشت

  • جشنواره برترین ها

  • مجمع بین المللی اقتصاد نانو

  • اکو نانو

  • پایگاه اطلاع رسانی محصولات فناوری نانو ایران

  • شبکه ایمنی نانو

  • همایش ایمنی در نانو

  • گالری چند رسانه ای نانو

  • تجهیزات فناوری نانو

  • صنعت و بازار

  • باشگاه نانو

روند پیشرفت فناوری آزمایشگاه روی تراشه

افراد مقاله : ‌ نویسنده اول - الهام بازیار نوجوکامبری , نویسنده دوم - داود قرایلو

موضوع : علم و پژوهش تاریخ مقاله : 1395/06/11 تعداد بازدید : 1487

پس از پیشرفت علوم در مقیاس‌های میکرومتر و کوچک‌تر از آن، فناوری جدیدی پا به عرصه ظهور گذاشت که به آن آزمایشگاه روی تراشه یا LOC گفته می‌شود. این فناوری به دلایل فراوانی، خیلی سریع مورد توجه دانشمندان در زمینه‌های مختلف قرار گرفت. در حال حاضر بیشترین موارد استفاده آزمایشگاه روی تراشه در حوزه‌های علوم زیستی، پزشکی و دارویی است. LOC با مباحث الکترومکانیک، سیالات و دانش بیوشیمی و فناوری نانو به همراه علوم پایه فیزیک و شیمی سروکار دارد، بنابراین آهنگ رشد این فناوری جدید و پیچیده به پیشرفت دانش‌های مرتبط به‌آن در ابعاد ریز، وابسته است. در این گزارش، سعی شده است روند رشد فناوری LOC در جهان، با رویکرد کاربردی بررسی شود تا راهنمای مناسبی برای متخصصان و تصمیم سازان باشد.

 

مقدمه:

فناوری آزمایشگاه روی تراشه، بیانگر وجود تراشه‌هایی با قابلیت انجام آزمایش‌های مختلف بر روی آن است. یک تراشه، مجموعه‌ای از مدارات الکترونیکی است که در ابعاد چند سانتیمتر و کوچکتر ساخته می‌شود. شروع ساخت تراشه در مقیاس‌های میکرومتر، نقطه عطفی در ظهور تراشه‌های آزمایشگاهی بود. یکی از حوزه‌های وابسته به این فناوری، در زمینه پزشکی و سلامت است که محصول آن تولید تراشه‌های زیستی در بسیاری از بخش‌ها شده‌است. استفاده از این فناوری در زمینه‌های تحقیقاتی دیگری همچون امکان انجام محاسبات بسیار پیچیده و سریع در علوم مختلف مثل کامپیوترهای کوانتومی وجود دارد، اما با آهنگ رشد کمتری  نسبت به حوزه پزشکی به جلو حرکت می‌کند. در این گزارش، فناوری آزمایشگاه روی تراشه و طبقه‌بندی‌های مختلف آن معرفی شده و سپس به روند و میزان پیشرفت آن در بخش‌های مختلف پرداخته می‌شود.

 

1-    آزمایشگاه روی تراشه یاLOC

ظهور میکروفناوری در دهه 1950 همراه با درک مفاهیم ساختارهای نیمه هادی در تراشه‌های میکروالکترونیکی، گام بلندی در تولید سیستم‌های میکرومتری از جنس ویفر سیلیکونی بود، اما ارتباط آن با آزمایشگاه روی تراشه تا دهه 1990 به دلیل ضعف دانش سیالات متوقف ماند[1].

دانش میکروسیالات در اوایل دهه 1980 آغاز شد. این دانش در زمره علوم بین رشته‌ای قرار دارد و مجموعه‌ای از علوم فیزیک، شیمی، مهندسی، بیوشیمی، نانوفناوری و بیوفناوری را با ویژگی‌هایی همچون حجم بسیار کم سیالات (میکرو، نانو، پیکو و فمتو لیتر)، ابعاد کوچک، مصرف انرژی پایین و اثرات حجمی در ابعاد میکرو دربردارد. سیالات در محیط‌های مختلف ماکروسکوپی و میکروسکوپی رفتارهای متفاوتی از خود نشان می‌دهند. سیستم‌های دینامیکی سیال را می‌توان با استفاده از فناوری میکروالکترومکانیکی[2] و پیاده‌سازی قطعات بسیار کوچک (مینیاتوری) مکانیکی مثل اعضای حسگرها تهیه نمود که اکنون، سالانه بیلیون­ها قطعه از این سیستم‌ها ساخته می‌شود[2].

اولین LOC در سال 1979 در دانشگاه استنفورد طراحی و ساخته شد و از اواخر دهه 1980 و اوایل 1990 تحقیقات LOC بر روی میکروپمپ‌ها، حسگرهای سیالات و مفاهیم رفتارهای مجتمع سیالات در سیستم‌ها آغاز شد. پیشرفت این فناوری، توانست سیستم آنالیزی را از یک حسگر ساده به یک آنالیز آزمایشگاهی کامل تبدیل کند[3].

طراحی سیستم‌های آنالیزی پیشرفته، بررسی برهمکنش‌های ارگانیکی پیچیده و مطالعه بیومولکول‌ها بدون توانایی میکروالکترونیک‌ها امکان‌پذیر نیست. فناوری ساخت سیستم‌های الکترونیکی و اپتیکی که شارشی از ذرات ابتدایی مثل فوتون­ها و الکترون­ها در آن­ها وجود دارد، با فناوری نسبتاً جدید کوچک‌سازی (مینیاتوری) ساختارهای شیمیایی که عوامل بیوشیمی همچون مولکول‌های پیچیده و بزرگ را پیاده‌سازی می‌کنند، کاملاً متفاوت است. در این موارد، آنالیز نمونه‌های حاوی ترکیبات مختلف باید با خالص‌سازی، پمپاژ کردن و فیلتراسیون شیمیایی همراه باشد که برای پیاده‌سازی در یک محیط آرایه‌ای (چیپ‌ها) کار ساده‌ای  نیست[2].

وابستگی LOC به فناوری میکروسیالات به‌حدی است که بسیاری از شرکت‌هایی که در حال حاضر در دنیا، در زمینه میکروسیالات فعالیت می‌کنند، به تحقیق در فناوری LOC علاقمند هستند و برای پیشبرد اهداف مختلفی در آن، سرمایه‌گذاری می‌کنند. تقریباً 90 شرکت بزرگ و کوچک در کشورهای صنعتی و پیشرفته (در راس آن­ها ایالات متحده امریکا با 38 شرکت) در زمینه میکروسیالات فعالیت دارند و بسیاری از جمله آمریکا، کانادا، فرانسه، انگلیس و استرالیا بر‌روی موضوع LOCها نیز فعال هستند[4].

به‌طور مثال یکی از بزرگترین مراکز جهانی میکروسیالات، مرکز Dolomite در انگلستان است که بر روی تولید LOC با کاربری‌های متفاوت، مطالعه و بررسی می‌کند، به‌طوریکه در سال 2005 به‌منظور ساخت LOC برای مطالعه علوم اتمسفری (آب و هوا) از وزارت بازرگانی و صنعت انگلستان، کمک هزینه تحقیقاتی بالایی دریافت کرده‌است[5].

در حال حاضر LOC، زیرمجموعه‌ای از سیستم‌های میکروالکترومکانیکی آنالیتیکی محسوب می‌شود که اغلب با نام میکروسیستم‌های تحلیل کلی[3]، شناخته می‌شوند. مبنای فرایند ساخت بیشتر آزمایشگاه‌های روی تراشه، لیتوگرافی نوری است. در ابتدا بیشتر فرایندها بر روی سیلیکون انجام می‌شد [6, 3].  اما با پیشرفت فناوری LOC، به‌دلیل درخواست‌هایی مثل ویژگی‌های خاص نوری، سازگاری زیستی/شیمیایی، کاهش هزینه‌های تولید و نمونه‌سازی سریعتر، فرایندهای جدیدی مثل قلمکاری شیشه، سرامیک و فلز، رسوب و باند، پردازش پلی دی متیل سیلوکسان[4]، برای تولید LOC ایجاد شد.

 

2-   تراشه‌های زیستی

آنچه که بیشتر در مورد حوزه‌های فعالیت برروی آزمایشگاه روی تراشه در مقالات و اخبار دیده می‌شود، در زمینه پزشکی، سلامت و دارو است.

ایده اولیه ساخت زیست‌تراشه بر این مبنا بود که به‌جای آنکه نمونه زیستی اعم از خون یا بافت به آزمایشگاه برده‌ شود و مورد آزمایش قرار گیرد، آزمایشگاهی سیار در ابعاد کوچک و سازگار با بدن موجود زنده طراحی شود تا با هدایت آن به‌درون بدن، تمام فرایندهای نمونه‌گیری، کشت، آنالیز و فرایندهای شیمیایی و فیزیکی لازم انجام شود و نهایتاً نتیجه آزمایش با استفاده از امکانات مخابراتی طراحی شده بر روی آن به گیرنده‌ای که در خارج از بدن قرار دارد، ارسال شود[3].

تراشه‌های زیستی بایومیکروالکترومکانیک[5] در رده سیستم‌های الکترومکانیکی قراردارند که با درک مفاهیم علوم زیستی همچون ژنتیک و پروتئین‌شناسی، ساخت دستگاه‌هایی با کاربرد زیستی را فراهم می‌سازتد. در حال حاضر این دستگاه‌ها به‌طورکلی شامل حسگرهای زیستی، تشخیص و رصد مولکول‌های خاص، سیستم‌های انتقال دارو، فناوری آزمایشگاه بر روی تراشه و غیره هستند[7].

به همین دلیل وقتی در این گزارش در مورد LOCها صحبت می‌شود، منظور تراشه‌ زیستی است که دربرگیرنده فناوری میکروالکترومکانیک و میکروسیال است.

 

3-  دسته‌بندی LOC از دیدگاه‌های مختلف:

با توجه به پیشرفت‌های صورت گرفته در زمینه فناوری LOC، می‌توان طبقه‌بندی‌های متفاوتی از دیدگاه‌های مختلفی تعریف کرد[2].

3-1- LOC براساس محیط­های قابل استفاده

قابلیت کاربرد LOC در محیط‌های مختلف، از اهداف پایه‌ای در ساخت آزمایشگاه روی تراشه است.

 در هریک از این محیط‌ها به فراخور نیازهای ذاتی که در انجام ماموریت وجود دارد، باید طراحی ویژه‌ای در ساخت آزمایشگاه روی تراشه انجام شود. به‌طور مثال یکی از اهداف طراحی LOCها، استفاده در فوریت‌های دارویی برای بیمارانی است که به‌دلیل وخامت شرایط فیزیکی، نمی‌توانند به محل بیمارستان یا آزمایشگاه انتقال داده شوند که با استفاده از LOCهای سیار این نوع مشکلات مرتفع می‌شود. مثال دیگر،کشف دارو برای بیماری‌های مختلف است. از آنجایی که فرایندهای موجود در بدن انسان نسبت به سایر حیوانات، بسیار پیچیده است و در بسیاری از موارد میزان اثربخشی یک دارو در انسان و حیوان قابل مقایسه نیست، ساخت آزمایشگاه کشف دارو نیز به‌منظور بررسی یک دارو و یا درمان بیماری به طور کامل امکان‌پذیر نیست. فناوری آزمایشگاه روی تراشه نشان داده‌است که می‌تواند گام مؤثری در رفع این نقایص و کاستی‌های موجود داشته باشد[2].

3-2-LOC براساس هدف مورد شناسایی

علاوه بر طبقه‌بندی محیطی، دسته‌بندی دیگری برای آزمایشگاه‌های روی تراشه وجود دارد که بر اساس شناسایی و آنالیز نوع هدف تهیه می‌شود. براین اساس مثلاً در نمونه­هایی مثل شیر و یا خون. روش­های آنالیزی و جداسازی به طبیعت نوع نمونه و روش آن در آزمایشگاه روی تراشه بستگی دارد[2].

3-3-LOC براساس حوزه کاربردی


4-    روند رشد فناوری آزمایشگاه روی تراشه در جهان

علی‌رغم عدم بلوغ دانش در زمینه‌ میکروسیالات و میکروالکترومکانیک در مقیاس‌های ریز ، محققان تمام تلاش خود را برای تکامل فناوری LOC انجام می‌دهند. این موضوع خبر از ظهور تحولی بزرگ در مسیر پزشکی، سلامت و دارو در آینده نزدیک می‌دهد.

در صورتی‌که بتوان مطالعه تراشه‌ها را در بخش «سایرموارد»  که در جدول 3 مشاهده می‌کنید، نادیده گرفت، LOC ها در حال حاضر در سه بخش کلی پایش و درمان بیماری، مطالعات زیستی و ساخت بافت‌های بدن، بسیار مورد توجه دانشمندان قرار دارد.

-1-4 LOC در تولید بافت

فناوری ساخت اندام مصنوعی از دیرباز یکی از حوزه‌های مورد توجه متخصصان بوده‌است تا بتوانند اثرات دارو، لوازم آرایشی و بهداشتی و بیماری‌های مختلف را بر روی آن بررسی کنند. مطالعه انواع داروها، لوازم آرایشی و میزان اثرگذاری آن­ها در بافت‌های بدن، موضوعی است که به جهت اخلاقی و علمی، امکان انجام آزمایش آن از یک طرف بر روی حیوانات بسیار محدود است و از طرف دیگر عدم پاسخ صحیح مواد مختلف بر روی اعضای حیوانات مشابه انسان، موضوعی است که متخصصان را وادار به تلاش در جهت ساخت اندام مصنوعی کرده‌است. به‌عنوان مثال، کانال‌های یونی که سلول‌های قلب از خلال آن­ها، جریان‌های الکتریکی را هدایت می‌کنند، بین انسان و سایر حیوانات از نظر نوع و تعداد بسیار متفاوت است. از طرفی در ساخت این اندام‌های مصنوعی یک هدف مهم دیگر نیز وجود دارد و آن پیوند عضو به بیمارانی است که به دلیل بیماری و یا آسیب‌دیدگی، عضو خاصی (مثل کلیه) را از دست داده‌اند. رسیدن به این هدف، دو مزیت مهم دارد؛ اول آنکه دیگر نیازی به انتظار چندین ماهه بیمار برای دریافت عضو جدید از انسان سالم وجود ندارد و دیگر آنکه بافت تولید شده با بدن خود بیمار سازگار بوده و  احتمال پس زدن عضو پیوندی از یک انسان به انسان دیگر به صفر می‌رسد[8].

ساخت بافت کبد، کلیه، شش، قلب، بافت استخوانی، طراحی سیستم عصبی و تولید بافت تومور روی تراشه از مواردی است که متخصصان موفق به تولید آن­ها روی تراشه شده‌اند. البته رسیدن به بافت کاملی که بتواند کلیه شرایط متابولیسمی و فرایندهای شیمیایی را کاملاً مشابه نمونه بافت طبیعی انجام دهد، هنوز محقق نشده‌است و به‌همین دلیل اکثر پیشرفت‌ها  در مرحله آزمایشگاهی قرار دارد[9,10,11,12,13,14].

به‌طور مثال با ساختن بافت کبد روی تراشه در مقیاس بسیار کوچک (سر یک سوزن)، می‌توان میزان سمی بودن کبد را بدون نیاز به آزمایشگاه در مدت زمان 30 دقیقه با دقت بسیار بالا تعیین کرد. این نمونه اولیه ساخته شده، نوید سهولت تشخیص بیماری‌های کبدی به‌صورت سرپایی و حتی در منزل را می‌دهد. ساخت این تراشه به‌صورت تجاری و کم هزینه از اهداف دانشمندان این پروژه است[11].  

ساخت پوسته تخم مرغ برای انتقال جنین مرغ به درون آن، امکان مطالعه بهتر رشد جنین را در یک محیط مناسب فراهم می‌آورد. در این فناوری، با تزریق خون و دیگر مایعات به درون محیط داخل غشاء، می‌توان بیماری‌ها و ناهنجاری‌های مختلف را شناسایی و بررسی کرد[15].

در کنار همه تراشه‌هایی که یک بافت را تولید می‌کنند، ساخت تراشه‌ای که بتواند چندین بافت را در کنار هم تولید کند و آنالیزهای همزمان را بر روی آن­ها انجام دهد، یکی از مهمترین پروژه‌های در حال بررسی است. تعدادی از دانشمندان در یک پروژه تحقیقاتی بزرگ تحت حمایت اتحادیه اروپا، موفق به ساخت تراشه‌ای شدند که قادر است چهار بافت کبد، تومور، قلب و سیستم عصبی را تولید کند. در این پروژه که به نوزاد روی تراشه[6] معروف است و توجه بسیاری را به خود معطوف کرده، به‌جای استفاده از روش دوبعدی در کشت سلولی، از روش کشت سه بعدی که شرایط بدن را بهتر تقلید می‌کند، استفاده شده‌است. پیشرفت این پروژه طوری است که محققان امیدوار به تجاری سازی آن تا سه سال آینده و کاهش هزینه‌های میلیون یورویی نسبت به روش‌های پیشین در شناسایی و درمان بیماری‌ها هستند[16].

LOC-2-4 در مطالعات زیستی:

این کاربرد، تلاش برای ساخت تراشه‌هایی است که بتواند برای تحقیق و مطالعه بر روی ذرات زیستی مفید و مؤثر باشد. کاربردهای آن را می‌توان به دو دسته جداسازی اعضای زیستی و مشخصه‌یابی پارامترهای زیستی تقسیم‌بندی کرد.

در مطالعه اجزای زیستی بدن، لازم است که اجزای مختلف یک بخش زنده را جداسازی کرد، اما همین موضوع می‌تواند باعث آسیب به جزء هدف شود و ارزش مطالعه و نتایج آن را به‌حداقل برساند. جداسازی نانوذرات از پلاسمای خون، جدا کردن سلول‌های منفرد از بین میلیون‌ها سلول، جدا کردن ذرات زیستی از یک سیال مثل خون، از موارد کاربردی است که با استفاده از LOCها می‌توان با کمترین آسیب به اجزاء حساس، انجام داد[17,18,19,20].

ساخت LOC حاوی نانوسیم یکی دیگر از کاربردهای این فناوری جدید در زمینه جداسازی پارامترهای زیستی است که قادر خواهد بود، سلول‌های زنده را از خون جدا کند. زنده نگه داشتن سلول‌ها بعد از خارج کردن از خون و یا بافت یکی از مشکلاتی است که محققان با آن همواره مواجه هستند. با این فناوری امکان زنده نگه داشتن سلول‌ها و تصویربرداری مستقیم از آن­ها در زیر میکروسکوپ ایجاد می‌شود. محققان معتقدند که با تکامل این LOC، می‌توان از آن­ها در همه آزمایشگاه‌ها استفاده کرد[20].

یکی از زمینه‌های مطالعاتی بیماری‌های خونی، بررسی تعداد سلول‌های خونی در بدن است. شمارش سلول‌های خونی اعم از گلبول‌های قرمز، پلاکت‌ها و گلبول‌های سفید خون اهمیت ویژه‌ای دارد. به‌همین منظور یک نوع LOC طراحی‌شده که از روش میدان الکتریکی استفاده می‌کند و قادر است با استفاده از تنها 11 میکرولیتر خون، گونه‌های مختلف سلول‌های خونی را براساس خصوصیات موردنظر از جمله اندازه و غشاء آن در مدت زمان حداکثر 20 دقیقه بشمرد. از آنجا که از مزایای ساخت این تراشه، هزینه اندک و رفع مشکلات طولانی بودن جواب آزمایش است، محققان امیدوار هستند که بتوانند محصول را در مدت کوتاهی تجاری‌سازی کنند[21].

LOC-3-4 در پایش و درمان

بزرگترین بخش کاربردهای LOC، در زمینه مراقبت‌های پیشگیرانه و درمان بیماری است. البته این نکته وجود دارد که برخی از زمینه‌های کاربردی LOC در این بخش با LOC در تولید بافت نیز هم‌راستا است. به‌این معنا که یکی از اهداف ساخت بافت مصنوعی بر روی آزمایشگاه به‌منظور کنترل و درمان بیماری‌های مختلف است و بالعکس. همچنین به دلیل فراوانی LOCهای طراحی‌شده در این بخش، سعی می‌شود به موارد مهم‌تر در این بخش اشاره شود.

4-3-1- پایش بیماری:

برای کنترل بیماری و روش‌های مراقبتی، لازم است در مورد خود بیماری، عامل بیماری‌زا، آثار و علائم ظاهری و بالینی و اعضای درگیر کننده، اطلاعات لازم تهیه شود. این بخش، شامل چندین قسمت است:

الف: شناسایی سرطان: سرطان از جمله بیماری‌هایی است که روند شروع، گسترش و بهبود آن از یک نوع به نوع دیگر متفاوت است. اما همه آن­ها ناشی از رشد فزاینده سلول‌‌های ناقص در یک قسمت از بدن هستند. برای مطالعه سرطان و انواع آن نیاز به مطالعات وسیعی است و در حال حاضر با انجام آزمایش‌های زودهنگام، می‌توان مانع پیشرفت سرطان در بدن شد. ساخت LOCهای متعدد برای پایش انواع مختلف سرطان‌ها در بدن همچون سرطان ریه، مغز، پروستات، تخمدان، مثانه و دهان امید بیماران آینده را برای درمان سرطان و عمر طولانی‌تر افزایش می‌دهد[22,23,24,25,26,27,28].

سرطان ریه یکی از سرطان‌های شایع در جهان است و سالانه بیش از 200000 نفر فقط در آمریکا به این بیماری مبتلا می‌شوند که اکثر آن­ها، سیگاری بوده یا سابقه استعمال دخانیات را داشته‌اند. این بیماری در مراحل اولیه خود را نشان نمی‌دهد، نیمی از این دسته بیماران، علاوه بر سرطان ریه مبتلا به سرطان متاستاتیک غیرقابل درمان هم هستند که در این حالت سلول‌های سرطانی در نقاط مختلف بدن بیمار پخش می‌شوند و درمان بیماری در این وضعیت، بسیار مشکل است. دانشمندان تراشه‌ای طراحی کردند که می‌‌تواند با آزمایش بر روی DNA بیمار، جهش ژنتیکی احتمالی ناشی از شروع سرطان ریه را تشخیص دهد. این روش در عین حال که بسیار سریع است، هزینه آزمایش‌های ژنتیکی را کاهش می‌دهد و موجب می‌شود تا متناسب با نوع جهش ژنتیکی ایجاد شده، درمان مناسب سرطان ریه تعیین شود[22].  

سرطان پروستات و تخمدان در زمره سرطان‌هایی هستند که با تشخیص زودهنگام، قابل درمان هستند. تعدادی از محققان با استفاده از نشان‌گذاری آنتی‌بادی با فلورسنت، LOCای طراحی کردند که می‌تواند با استفاده از بزاق دهان، در تشخیص بیماری‌های قلبی و سرطان پروستات و تخمدان مؤثر باشد. این سیستم در حال حاضر مرحله نهایی آزمایشات خود را در سازمان غذا و دارو آمریکا سپری می‌کند و به‌زودی به بازار مصرف خواهد رسید[26].

اغلب LOCهای ساخته شده در حال حاضر به‌منظور تشخیص و پایش یک نوع بیماری مشخص با علائم خاص طراحی شده‌اند. اما در این بین ساخت LOCای که بتواند چندین نوع سرطان را شناسایی کند، درصورتیکه مکانیزم شناسایی آن سریع و دقیق باشد و و با هزینه پایینی تهیه شود، از اهمیت ویژه‌ای برخوردار است. در راستای تحقق این اهداف، پژوهشگران ژاپنی، موفق به ساخت LOCای شدند که می‌تواند از طریق بازدم، چندین نوع سرطان را شناسایی کند. دانشمندان در این گروه براین باورند که هر سرطانی از خود بویی متصاعد می‌کند که انسان در شرایط عادی متوجه آن نمی‌شود. سازندگان این سیستم تلاش می‌کنند که تجاری‌سازی این فناوری طراحی شده تا پنج سال دیگر محقق شود و با قیمتی کمتر از 10 دلار در اختیار مصرف‌کنندگان قرار گیرد[29].   

دسترسی بیماران و آسیب‌دیدگان به محل آزمایشگاه همیشه میسر نیست و این مشکل یکی از دغدغه‌های مسئولین حوزه درمان است. یکی از اهداف طراحی LOCها، استفاده از این فناوری در شرایط غیر قابل کنترل است. این نوع LOCها باید نسبت به شرایط محیطی و آب و هوای غیر قابل پیش بینی، حساسیت لازم را در دریافت اطلاعات و نتیجه صحیح آنالیز داشته باشند. به‌همین دلیل، محققان LOC خاصی ساختند که در ابعاد سر یک سوزن می‌توانند با دریافت بسیار اندک از نمونه خون یا بافت، در هر شرایط و امکاناتی، آزمایشات تشخیصی را با هر تعداد آزمایش انجام دهند. در این نوع تراشه، نتیجه آزمایشات در کمتر از یک ساعت و با دقت بالا نسبت به نمونه‌گیری‌های فعلی که جواب آن چند روز طول می‌کشد، قابل حصول است[30]

مشابه با همین LOC، محققانی در اسپانیا موفق به ساخت LOCای شدند که قادر به شناسایی بیماری‌های مختلف در کمتر از یک دقیقه، با غلظت بسیار کم و با حساسیت بالا است. در این فناوری از نوعی آنتی‌بادی و نانوذرات طلا و قرار دادن آن­ها در کانال میکروسیال برروی تراشه و ایجاد پدیده رزونانس پلاسمونیک استفاده شده‌است. این LOC طراحی شده، از معدود تراشه‌هایی است که در صورت تکمیل شدن آن، به دلیل داشتن خصوصیات مناسب از جمله قدرت تشخیص هر نوع بیماری یا سرطان، استفاده در مناطق دوردست، عدم نیاز به حضور فرد متخصص، ارزان بودن و کاهش هزینه‌های آژمایشگاهی بسیار مورد توجه مسئولان قرار خواهد گرفت[31].

LOCهای دیگری نیز به‌منظور تشخیص سرطان، ساخته شده‌است که به‌دلیل فراوانی موضوع اعم از تشخیص نوع سرطان و روش ساخت، در این گزارش به سرطان‌هایی که عمومیت بیشتری دارد، پرداخته شده‌است.

ب: ویروس

ویروس به عنوان یک نوع انگل داخل سلولی قادر به عفونی کردن همه انواع موجوداتی که چرخه رشد آن­ها به نوع گیرنده و ویروس بستگی دارد. بسیاری از بیماری‌هایی که هرساله تعداد زیادی از مردم را درگیر می‌کند ویروسی هستند. آنفولانزا، ایدز، هپاتیت، ابولا از بیماری‌های ویروسی هستند که در سال‌های اخیر جان بسیاری از مردم را گرفته است [32-39].

بیماری آنفولانزا هرساله در جهان شیوع پیدا کرده و افراد بسیاری را مبتلا می‌کند. محققان متعددی در مراکز مختلف، میکروتراشه‌هایی ساخته‌اند که هریک به‌روشی در شناسایی ویروس آنفولانزا عمل می‌کند. به‌طور مثال، زیست‌تراشه‌ای ساخته شده‌است که با استفاده از بزاق یا خون، می‌تواند حضور یا عدم حضور آنتی‌ژن بیماری را به‌صورت سیگنال الکتریکی ارسال کند. تعیین سریع و دقیق ماهیت بیماری عفونی و کاهش تجویز بیش از حد آنتی‌بیوتیک از اهداف ساخت این نوع LOC است [32,33,34].

ساخت LOCای که بتواند ویروس‌های مختلفی را با حساسیت بالا و زمان بسیار کم شناسایی کند، از اهمیت ویژه‌ای برخوردار است. محققان توانسته‌اندLOCای طراحی کنند که با استفاده از نمونه بزاق، خون و یا دیگر مایعات بدن فرد مورد آزمایش و در اختیار داشتن پادتن ویروس خاص، در عرض چند دقیقه مشخص کند که آیا فرد به ویروس مورد نظر آلوده است یا خیر. این تراشه براساس تغییر فاز نور و ایجاد الگوی تداخلی و بررسی از طریق آشکارساز سیار، عمل می‌کند. این تراشه به مقدار کم ویروس، بسیار حساس بوده و حتی امکان اندازه‌گیری انصال یک ذره به ویروس را دارد[36].

 مشابه این LOC، تراشه‌ای طراحی شده‌است که می‌تواند به‌طور همزمان ویروس‌ها و عوامل بیماری‌زا را شناسایی کند. این تراشه که می‌تواند طیف وسیعی از ویروس‌ها را شناسایی کند، براساس فناوری فیبر نوری عمل می‌کند و با ترکیب طول موج نور، الگوهایی در کانال میکروسیال ایجاد می‌کند که بسته به نوع ذرات ویروسی، خواص نوری متفاوتی را نشان می‌دهند و در نهایت با استفاده از طیف‌سنجی قابل شناسایی است. مزیت این تراشه نسبت به نوع قبلی، امکان شناسایی همزمان ویروس‌هاست. درصورت تجاری‌شدن این تراشه، شناسایی سریع ویروس‌ها و درمان آن‌ها در مراحل ابتدایی در جامعه فراهم می‌شود و می­توان نسبت به درمان بیماری سریعتر اقدام نمود[40]ُ.

ویروس‌ها می‌توانند با قوی‌تر شدن نسبت به نوع پیشین خود، در برابر درمان و داروهای فعلی، مقاومت نشان دهند. به‌همین دلیل شناسایی سریع نوع ویروس‌ها و حتی انواع جدید آن و ساخت داروهای جدید، در جهان بسیار پراهمیت است. برخی از این بیماری‌های ویروسی همچون ایدز در کشورهای فقیر و ضعیف و کشورهای جهان سوم، شیوع بیشتری داشته‌است که البته می‌تواند اهداف مخفیانه‌ای همچون سیاست کاهش جمعیت جهان از طریق نابودی افراد ضعیف را دربرداشته باشد. صرف­نظر از هر نوع هدفی، درمان بیماری‌هایی از این دست، اگر در مراحل ابتدایی صورت بگیرد می‌تواند موجب نجات انسان شود.

ج: باکتری

در آزمایشات تشخیصی برای شناسایی نوع باکتری‌ها از عوامل مختلفی استفاده می‌شود. روش‌هایی همچون مقاومت مکانیکی زیست لایه‌ها، اندازه‌گیری میزان باکتری در آب جاری، میکروکانال‌ها، مسمومیت خونی و لایه‌نگاری زیستی موجب شده‌است تا LOCهایی براساس آن­ها طراحی و ساخته شود. به طور مثال نوعی عفونت باکتریایی خونی به نام سپسیس[7] وجود دارد که در نوزادان نارس، فراوان است. نوع بدخیم آن می‌تواند یک انسان را در عرض یک ساعت از پای دربیاورد. در حال حاضر شناخت این عفونت در مرحله اولیه، یکی از چالش‌های متخصصان این حوزه است که تشخیص آن از 2 روز تا پنج روز طول می‌کشد. در همین راستا، محققان LOCای طراحی کرده‌اند که می‌تواند با استفاده از تجزیه خون، عفونت سپسیس را بیست برابر سریع‌تر ار روش‌های فعلی شناسایی کند و تقریباً بعد از 2 ساعت بیماری تشخیص داده می‌شود. ورود این نوع تراشه به بازار مصرف مانع مرگ نوزادان نارس در اثر ابتلا به این ویروس، خواهد شد[41].

د: پایش شرایط فیزیکی:

پیشگیری از بروز بیماری بر پایش بیماری و درمان بیماری ارجحیت دارد. به‌طور مثال پایش سلامتی افراد و ارائه چکاب دوره‌ای در انسان‌ها، افراد سالمند و بیمار و کنترل سلامتی فضانوردانی که در شرایط فیزیکی خاصی قرار می‌گیرند، از اهداف دانشمندان در این حوزه است[42,43,44,45].

به‌طور مثال پژوهشگران برای رصد دائمی شرایط فیزیکی انسان، LOCای طراحی کرده‌اند که می‌تواند با قرار گرفتن در زیر پوست، از طریق شناسایی مولکول‌ها و ترکیبات شیمیایی ویژه‌ای در خون، سلامت فرد را بررسی کند. این فناوری، حاوی چندین حسگر با آنزیم‌های مختلف است. به‌طور مثال یک حسگر قادر است با داروهای ویژه، کلسترول، پروتئین‌ها و قندخون واکنش نشان دهد. از آنجا که این تراشه می‌تواند حضور تروپونین، نوعی پروتئین خاص را که هنگام استرس از عصلات قلب آزاد می‌شود، شناسایی کرده و هشدارهای لازم را پیش از حمله قلبی بدهد، برای پایش شرایط فیزیکی بیماران حیاتی است[43].

علاوه بر موارد فوق، به‌منظور پایش بیماری‌های انگلی همچون مالاریا، بیماری صرع، آلزایمر، بیماری قلبی و بیماری‌های ریوی (سل، آسم، عفونت‌های تنفسی)، LOCهای متعددی طراحی و آزمایش شده‌است و در همه موارد تلاش شده تا با شناسایی زودهنگام آن، موجب کنترل بیماری شده و از بدتر شدن شرایط بیمار جلوگیری کند[46-53].

-2-3-4درمان بیماری

اولین هدف در بخش پزشکی و سلامت، پیشگیری از ابتلا به بیماری است که می‌توان با ایجاد شرایط صحیح زندگی و تغذیه مناسب، آن را مهیا کرد. اما متاسفانه به‌دلیل توزیع ناعادلانه ثروت در جهان، کشورهایی از نداشتن شرایط مناسب زندگی رنج می‌برند و این مشکل موجب بروز بیماری‌های جسمی متعدد و بعضاً ناشناخته‌ای در یک جامعه می‌شود و از یک نسل به نسل دیگر ادامه می‌یابد که رهایی از آن بسیار مشکل‌تر است. از طرفی برخی بیماری‌ها به‌دلیل شرایط مختلفی همچون شرایط محیطی، مختص یک بخش از جمعیت جهان است که باز هم شیوع آن در طول سالیان دراز در یک جامعه سایه می‌افکند. در کنار بیماری‌های خاص، بیماری سرطان و دیابت دو بیماری بسیار شایع در جهان هستند و  هرساله جان تعداد بسیاری از انسان­ها را می‌گیرند.

الف: سرطان: یکی از فاکتورهای مهم در درمان سرطان، ساخت داروهای مؤثر و کاراست. هرچقدر بازدهی دارو بیشتر باشد، بهتر می‌تواند بر بیماری سرطان فائق آمده و موجب سلامتی بیمار شود. در همین راستا، چندین شرکت، مؤسسه و دانشگاه با همکاری یکدیگر یک نوع LOC طراحی کرده‌اند که با استفاده از فناوری جداسازی DNA عاری از سلول، اگزوزوم و برخی اندامک‌های سلولی از سیالات بدن، بتواند با تعیین میزان اثربخشی دارو در جهت درمان، به پزشکان این فرصت را بدهد تا در زمان سریع‌تر داروی مناسب را برای درمان تجویز کنند. رصد پاسخ دارو به درمان، کلید اصلی درمان است. در حال حاضر سالانه حدود 100 میلیارد دلار بر روی سرطان هزینه می‌شود، اما متاسفانه پزشکان فرصت کمی برای تصمیم‌گیری در انتخاب نوع روش درمان دارند. با تجاری ‌سازی این تراشه، گام بلندی در درمان مؤثر سرطان برداشته می‌شود[54].

ب: دیابت: این بیماری خاموش، با پیشرفت کردن در بدن و درمان دیرهنگام، اعضاء مختلفی از بدن را با نقصان در فعالیت مواجه می‌کند. در حال حاضر بیماری دیابت را با تزریق انسولین و تغییر روش در تغذیه می‌توان کنترل کرد. دانشمندان به‌روش‌های مختلفی به‌دنبال شناسایی و تزریق اتوماتیک روزانه انسولین از طریق ساخت تراشه مناسب آن هستند. محققان طی یک پروژه، با استفاده از طراحی LOC مناسب که ابعاد آن بسیار کوچک است، توانستند پروتئین‌های حامل بیماری را در خون تشخیص دهند. این فناوری می‌تواند در صورت تکمیل، ابزاری بدون درد برای تزریق دائمی انسولین به بدن باشد و با وجود آن دیگر نیاز به مراجعه بیمار به پزشک و تزریق انسولین روزانه نیست. محققان امیدوار هستند که آزمایش­های بالینی این طرح در سال 2017 وارد بازار ‌شود[55].

 

LOC-4-4 در کاربردهای دیگر

یکی از موضوعات چالش برانگیز در مسیر آزمون نظریه علوم و محاسبات کوانتومی، زمان و منابع مورد نیاز برای انجام آزمایش‌ها است که به طبیعت شکننده سیستم‌های کوانتومی وابسته است. محققان ژاپنی در انگلیس در یک همکاری مشترک، موفق به ساخت تراشه‌ای شدند که قادر به پردازش نور به روش‌های مختلف با استفاده از فناوری کوانتومی است. بررسی طبیعت در مقیاس کوانتومی و کنترل و مهندسی کردن حالات کوانتومی یکی از اهداف بزرگ دانشمندان در این حوزه است[56].

در زمینه محاسبات کوانتومی، پژوهشگران LOC خاصی طراحی کرده‌اند که توانسته‌است مدلی برای تشکیل اولیه جهان با استفاده از بررسی فرایندهای کوانتومی ارائه دهد. یکی از رازهای بزرگ هستی، چگونگی ساخته شدن خوشه‌های ستاره‌ای، کهکشان‌ها و اشیاء دیگر کیهانی است. ادعای مدل‌های پیشین بر سرعت بالای فرایند گذار هستی استوار است، اما این مدل برروی تراشه اثبات می‌کند که شروع هستی نه بسیار سریع و نه بسیار آهسته بوده‌است[57].

تشخیص میزان آلودگی محیط زیست یکی از دغدغه‌های بزرگ بشری است و برای کنترل و شناسایی میزان آلاینده‌ها از روش‌های مختلفی استفاده می‌شود. در این زمینه، LOC ارزان قیمت و زیست تخریب‌پذیری ساخته شده‌است که می‌تواند مولکول‌های زیستی (آلی و غیر آلی) و مواد سمی، شیمیایی را سریعا تشخیص دهد. این روش مشابه حسگرهای نوری عمل می‌کند و از طریق جذب سیگنال‌های نوری، حضور و غلظت مولکول مورد نظر را شناسایی می‌کند. یکی از کاربردهای پر اهمیت این نوع تراشه در شناسایی سریع نشت مواد سمی در نیروگاه­ها و کارخانه‌های داروسازی است[58].

بررسی میزان هورمون بویین در شیرگاو، مطالعه سیستم گرده‌افشانی در درون گل‌ها، آنالیز سولفید هیدروژن در مایعات نیز از پروژه‌های در حال تکمیل LOC توسط  دانشمندان است[59,60,61].

2-   مزایا و محدودیت‌های LOC

الف- مزیت‌های LOC
در صورتی‌که فناوری آزمایشگاه روی تراشه به پیشرفت‌های قابل توجهی دست یابد، مزایای بسیاری برای آن وجود دارد که در دنیای پزشکی، سلامت، ایمنی و زیستی تحول شگرفی را موجب می‌شود. مقدار بسیار کم نمونه مثل خون و بافت، مدت زمان پاسخگویی بسیار کم، تحلیل سریع نتایج، دقیق بودن نتایج نسبت به آزمایش‌های پیشین، کنترل آزمایش در شرایط مختلف (از نظر فیزیکی، ایمن بودن)، امکان آنالیز چندین واکنش به‌طور همزمان، عدم نیاز به آزمایش دارو بر روی حیوانات و انسان‌ها، هزینه پایین در ساخت تراشه‌ها و کاهش آزمایشات متعدد در راستای تولید انبوه و تجاری سازی از جمله مزایایی است که در حال حاضر با توجه به شناخت این فناوری، برای آن دیده شده‌است.

ب- محدودیت‌های LOC
عدم شناخت کامل خصوصیات میکروسیالات از جمله اثرات مویینگی، زبری سطحی، نحوه واکنش‌های شیمیایی در مقیاس‌های میکرو و فاکتورهای دیگر که تغییرات رفتاری بارزی را نسبت به مقیاس‌های کلاسیک نشان می‌دهد که موجب افزایش پیچیدگی تجهیزات مرتبط نسبت به تجهیزات فعلی ماکروسکوپی خواهد شد. همین مشکل در مورد تجهیزات الکترونیکی نیز وجود دارد، به‌طور مثال قانون آشکارسازی نتایج در تجهیزات فعلی، با کاهش مقیاس به ابعاد میکرومتر، با همان قانون در ابعاد ماکرومتر عمل نمی‌کند و این ناشی از ضعف تجهیزات میکرو الکترومکانیک و میکروسیالات است.

همچنین یکی از چالش‌های اصلی در این فناوری آن است که سلول‌های انسانی بیش از چند روز در خارج بدن، زنده نمی‌مانند. به همین دلیل یکی از مهمترین گزینه‌ها، ساخت آزمایشگاه روی تراشه مناسب و مؤثر در داخل بدن انسان است[62].

نتیجه‌گیری:

با توجه به میزان پیشرفت فناوری LOC، باید اذعان داشت که جهان به‌زودی شاهد انقلاب بزرگی در زمینه پزشکی، درمان و دارو خواهد بود. مزایای این فناوری همچون، پایش و درمان بیماری‌ها (به‌طور مثال سرطان) با نتایج دقیق‌تر، سریع‌تر و با هزینه‌های کمتر که آلودگی‌های زیستی و محیطی کمتری را نسبت به تجهیزات و روش‌های فعلی ایجاد می‌کند، نویدبخش امید بیشتر به زندگی و عمری طولانی همراه با سلامت است. همچنین رشد دانش در زمینه‌های زیستی از جمله DNA، با تکامل LOCهای مناسب، با آهنگ بیشتری ادامه می‌یابد و موجب حرکت مرزهای این دانش به سمت تکامل می‌شود.

 منابع

1-https://en.wikipedia.org/wiki/Microfluidics

2-Labs on Chip: Principles, Design and Technology, CRC press, Taylor& Francis Group 2015

3-http://dezmed.com

4-https://en.wikipedia.org/wiki/List_of_microfluidics_related_companies

5-http://www.mona-consultants.com/

6-https://fa.wikipedia.org/wiki/

7-http://mems.ut.ac.ir/en/k2/k2-categories/item/263-bio-mems

8-http://nbic.isti.ir/news/53065

9-http://nbic.isti.ir/news/53065

10-http://nbic.isti.ir/news/51999

11-http://nbic.isti.ir/news/51213

12-http://nbic.isti.ir/news/51857

13-http://nbic.isti.ir/news/51374

14-http://nbic.isti.ir/news/49758

15-http://nbic.isti.ir/news/51847

16-http://nbic.isti.ir/news/52324

17-http://nbic.isti.ir/news/52601

18-http://nbic.isti.ir/news/52107

19-http://nbic.isti.ir/news/53048

20-http://nbic.isti.ir/news/50043

21-http://nbic.isti.ir/news/52880

22-http://nbic.isti.ir/news/49961

23-http://nbic.isti.ir/news/52406

24-http://nbic.isti.ir/news/49897

25-http://nbic.isti.ir/news/51149

26-http://nbic.isti.ir/news/49966

27-http://news.nano.ir/46991/1

28-http://news.nano.ir/37711/1

29-http://nbic.isti.ir/news/53051

30-http://nbic.isti.ir/news/51247

31-http://nbic.isti.ir/news/49953

32-http://nbic.isti.ir/news/49819

33-http://nbic.isti.ir/news/52965

http://nbic.isti.ir/news/5243734-

35-http://nbic.isti.ir/news/52093

36-http://nbic.isti.ir/news/51704

37-http://nbic.isti.ir/news/51148

38-http://nbic.isti.ir/news/51211

39-http://nbic.isti.ir/news/51148

40-http://nbic.isti.ir/news/50932

41-http://nbic.isti.ir/news/49845

42-http://nbic.isti.ir/news/42424

43-http://nbic.isti.ir/news/50602

44-http://nbic.isti.ir/news/49572

45-http://nbic.isti.ir/news/51394

46-http://nbic.isti.ir/news/52437

47-http://nbic.isti.ir/news/50202

48-http://nbic.isti.ir/news/51702

49-http://nbic.isti.ir/news/49846

50-http://nbic.isti.ir/news/49966

51-http://nbic.isti.ir/news/50836

52-http://nbic.isti.ir/news/50533

53-http://nbic.isti.ir/news/49819

54-http://nbic.isti.ir/news/52102

55-http://nbic.isti.ir/news/50923

56-New optical chip lights up the race for quantum computer

57-http://nbic.isti.ir/index.php?ctrl=news&actn=news_view&lang=1&id=51489

58-http://nbic.isti.ir/news/49964

59-http://nbic.isti.ir/news/52680

60-http://nbic.isti.ir/news/52680

61-http://nbic.isti.ir/news/51277

62-https://en.wikipedia.org/wiki/Lab-on-a-chip