52 Hafta Bilim / 17. Hafta — Lab on Chip/Microfluidic Nedir?
Merhaba, 52 Hafta Bilim yazi dizisinin 17. bolumunu okuyorsunuz. Bu yazinin konusu genis bir kullanim alani olan lab-on-chip uygulamalarinin doku muhendisliginde nasil kullanildigi ile alakali.
Lab-on-chip kisaca bir laboratuvarda yapilabilecek cesitli islemlerin ufak bir duzenek uzerinde yapilmasi temelinde calisan cihazlari tanimlayan bir terim. ’79 yilinda Terry ve arkadaslari tarafindan ilk defa bir uygulamasi kullaniliyor [1].
Lab-on-chip ve farkli alanlarda kullanimi konusu oldukca genis bir konu. Bizim burada tartisacagimiz alanin disinda oldukca farkli uygulamalari var. Asagida kaynaklar kismina lab-on-chip ve farkli uygulamalari ile ilgili degisik kaynaklar ekliyorum ilgilenenler icin.
Bizim ilgilendigimiz konu lab-on-chip tekniklerinin doku muhendisligi ile ilgili olan uygulamalari. Bu uygulamalar genel olarak microfluidic | mikroakiskan sistemler kullanilarak gerceklestiriliyor.
Bu cihazlar tercihen esnek bir yuzey (genellikle PDMS | polydimethylsiloxane) ve bu yuzeyin icinde yer alan (genellikle) mikrometre capinda kanallardan olusuyor. Zaten microfluidic sistemlerin en buyuk iki avantaji da buradan geliyor; esnek olmalari ve cok dusuk hacimde ornek kullanarak (bazi uygulamalar icin belki de pikolitre) analiz imkani sunmalari.
Calisma mantiklari oldukca basit bu sistemlerin. Bir inlet/giris uzerinden kanala istediginiz numuneyi enjekte ediyorsunuz (soldaki gorselde sari ok). Yapmak istediginiz analize bagli olarak modifiye ettiginiz kanallar (kanallarin ic yuzeyine bazi molekulleri bagladiginizi dusunebilirsiniz) ile etkilesime giren numuneniz (yandaki gorselde mavi kanallar ve saridan yesile donen oklar) microfluidic sistemi outlet/cikis (yesil ok) uzerinden terkediyor. Normalde bir laboratuvarda mililitre hacim kullanarak gerceklestireceginiz bir reaksiyonu bu sistem sayesinde mikrolitre hacim (1000 kat daha dusuk) kullanarak gerceklestirmis oluyorsunuz.
Bu mantik uzerinden calisan sistemler cesitli elektronik devrelerin sisteme entegre edilmesi sayesinde kontrollu otomatik akis, kontrollu sicaklik gibi cesitli ozelliklere sahip olabiliyor.
Gelelim doku muhendisligi icin nasil kullanildiklarina; yukarida bahsettigimiz gibi cesitli sekillerde modifiye edilen kanallar, cesitli fizyolojik sistemlerin taklit edilmesinde kullanilabiliyor (organ-on-chip tabiri buradan geliyor). Mesela bir bobrek, bazi temel fonksiyonlarini koruyarak taklit edilebiliyor [4]. Yazinin basindaki buyuk gorsel de bir akcigerin taklit edildigi lab-on-chip uygulamasina ait.
Hucre kulturu yazisindan hatirlayabileceginiz uzere, 3D hucre kulturu calismalari doku muhendisliginde yaygin bir sekilde kendisine yer buluyor. Microfluidic sistemler de 3D hucre kulturu uygulamalari icin kullanilabiliyor. Kapali ve kontrol edilebilir bir ortam saglayan mikrokanallar hucre kulturu ve kontrolu icin farkli secenekler sunabiliyor arastirmacilara.
Buna ilave olarak doku muhendisligine bir yan kol olarak gosterebilecegimiz bazi ilac calismalari icin de oldukca uygun bir platform sunuyor microfluidic sistemler. Yeni ilaclarin gelistirilmesinde veya bilinen bazi ilaclarin bazi sistemler uzerinde etkilerinin incelenmesinde yaygin bir sekilde kullanima sahipler.
Doku muhendisligi uygulamalarinda kullanilabilecek cesitli organik/inorganik sentezler, mikro/nano tasiyicilarin sentezi gibi bazi kimyasal sentezler de gerceklestirilebiliyor microfluidic sistemler uzerinde.
Her bir arastirma icin cogunlukla farkli tasarima sahip bir lab-on-chip sistemi uretmek gerekiyor. Bununla baglantili olarak yine her farkli arastirma icin mikrokanallari farkli sekillerde modifiye etmek gerekiyor. Bu sebeplerden dolayi lab-on-chip sistemin uretilecegi malzeme ve bu malzemenin biyolojik sistemler ile olan uyumu (biyouyumluluk, sitotoksisite) temel arastirma konularindan birisi. Ayrica kanallarin nasil ve ne kullanilarak modifiye edilecegi de basli basina bir calisma gerektiriyor.
Avantajlar/Dezavantajlar
Yeni bir teknoloji olmamasina ragmen microfluidic sistemlerin ozellikle doku muhendisligi arastirmalarinda kullanimi oldukca yeni. Bu sebepten dolayi en buyuk dezavantaj olarak henuz optimize edilmemis bir sistem var karsimizda. Her bir calisma icin yeni bir optimizasyon sureci gerekiyor olusu calismalari zorlastirici bir etki olarak gorulebiliyor. Fakat avantajlari, bunun gibi bir dezavantajin kolaylikla goz ardi edilmesine yetecek kadar onemli.
En buyuk 2 avantajdan yazinin basinda bahsetmistik: esneklik ve kucuk hacimlerle analiz imkani. Kullandiginiz lab-on-chip sistem genellikle 10 cm ve daha dusuk boyutlara sahip oldugu icin laboratuvarda neredeyse hic yer kaplamiyor. Ayrica esneyebilir bir yapiya sahip olmasi sebebiyle analiz sirasinda bile saga sola sikistirabilir, orasini burasini egebilirsiniz ve bu esnada analiz bu durumdan etkilenmez.
Buna ilave olarak sistemin kullaniminin oldukca kolay olmasi (modifikasyon basamaklari bile temel kimya/biyokimya egitimi almis kisilerce kolayca gerceklestirilebilir), laboratuvarda bu sistemin kullanilmasi icin ayrica bir personel bulunmasini gereksiz kiliyor. Bu da kullanim kolayligi avantajinin yanina dolayli yoldan da olsa dusuk maliyet avantajini getiriyor. Dusuk maliyet avantajinin asil kritik noktasi, bugun bir analiz icin kullanacaginiz cihazin maliyeti yuzbinlerce dolari bulabilirken bir lab-on-chip sistemin maliyeti bunun yaninda karsilastirilamayacak derecede dusuk kalabiliyor.
Ayrica lab-on-chip sistemler kullanarak gerceklestirilen sentezlerin geleneksel yontemler kullanilarak gerceklestirilen sentezlere oranla daha yuksek verimle gerceklestigine dair calismalar da bu sistemler icin yeni bir avantajin dogmasina sebep oluyor.
Kaynakca
[1] S. C. Terry, J. H. Herman and J. B. Angell, A Gas Chromatographic Air Analyzer Fabricated on a Silicon Wafer, IEEE Trans. Electron Devices 26 (1979) 1880–1886.; DOI:10.1109/T-ED.1979.19791
[2] D. Hur, M. G. Say, S. E. Diltemiz, F. Duman, A. Ersöz and R. Say, 3D Micropatterned All-Flexible Microfluidic Platform for Microwave-Assisted Flow Organic Synthesis, Chempluschem 83 (2018) 42–46.; DOI:10.1002/cplu.201700440
[3] Brandenberg, N., & Lutolf, M. (2016). In Situ Patterning of Microfluidic Networks in 3D Cell‐Laden Hydrogels. Advanced Materials, 28(34), 7450–7456. https://doi.org/10.1002/adma.201601099
[4] Filippo Zanetti, Chapter 7 — Kidney-on-a-chip, Editor(s): Julia Hoeng, David Bovard, Manuel C. Peitsch, Organ-on-a-chip, Academic Press, 2020, Pages 233–253, ISBN 9780128172025, https://doi.org/10.1016/B978-0-12-817202-5.00007-3.
Lab-on-Chip ve Farkli Kullanim Alanlari ile Ilgili Ileri Okuma Kaynaklari
- S. Büyüktiryaki, Y. Sümbelli, R. Keçili, C.M. Hussain, Lab-On-Chip Platforms for Environmental Analysis, in:
Ref. Modul. Chem. Mol. Sci. Chem. Eng., Elsevier, 2018
https://doi.org/10.1016/B978-0-12-409547-2.14489–0 - A. De Mello, On-chip chromatography: The last twenty years, Lab Chip 2 (2002).; DOI:10.1039/b207266c
- A. T. Giannitsis, Microfabrication of biomedical lab-on-chip devices. A review, Est. J. Eng. 17 (2011) 109.; DOI:10.3176/eng.2011.2.03
- Y. Temiz, R. D. Lovchik, G. V. Kaigala and E. Delamarche, Lab-on-a-chip devices: How to close and plug the lab?, Microelectron. Eng. 132 (2015) 156–175.; DOI:10.1016/j.mee.2014.10.013
- U. Eduok, O. Faye and J. Szpunar, Recent developments and applications of protective silicone coatings: A review of PDMS functional materials, Prog. Org. Coatings 111 (2017) 124–163.; DOI:10.1016/j.porgcoat.2017.05.012
- M. J. C. Santbergen, M. van der Zande, H. Bouwmeester and M. W. F. Nielen, Online and in situ analysis of organs-on-a-chip, TrAC — Trends Anal. Chem. 115 (2019) 138–146.; DOI:10.1016/j.trac.2019.04.006
- J. Y. Park, J. Jang and H. W. Kang, 3D Bioprinting and its application to organ-on-a-chip, Microelectron. Eng. 200 (2018) 1–11.; DOI:10.1016/j.mee.2018.08.004
- B. Zhang, A. Korolj, B. F. L. Lai and M. Radisic, Advances in organ-on-a-chip engineering, Nat. Rev. Mater. 3 (2018) 257–278.; DOI:10.1038/s41578–018–0034–7
- K. S. Lim, M. Baptista, S. Moon, T. B. F. Woodfield and J. Rnjak-Kovacina, Microchannels in Development, Survival, and Vascularisation of Tissue Analogues for Regenerative Medicine, Trends Biotechnol. 37 (2019) 1189–1201.; DOI:10.1016/j.tibtech.2019.04.004
- J. Wu, Z. He, Q. Chen and J. M. Lin, Biochemical analysis on microfluidic chips, TrAC — Trends Anal. Chem. 80 (2016) 213–231.; DOI:10.1016/j.trac.2016.03.013
- F. Yu and D. Choudhury, Microfluidic bioprinting for organ-on-a-chip models, Drug Discov. Today 24 (2019) 1248–1257.; DOI:10.1016/j.drudis.2019.03.025
- R. Mendes, P. Fanzio, L. Campo-Deaño and F. J. Galindo-Rosales, Microfluidics as a platform for the analysis of 3D printing problems, Materials (Basel). 12 (2019) 1–20.; DOI:10.3390/ma12172839
- K. Meller, M. Szumski and B. Buszewski, Microfluidic reactors with immobilized enzymes — Characterization, dividing, perspectives, Sensors Actuators, B Chem. 244 (2017) 84–106.; DOI:10.1016/j.snb.2016.12.021
- P. Supramaniam, O. Ces and A. Salehi-Reyhani, Microfluidics for artificial life: Techniques for bottom-up synthetic biology, Micromachines 10 (2019).; DOI:10.3390/mi10050299
- B. Amoyav and O. Benny, Microfluidic Based Fabrication and Characterization of Highly Porous Polymeric Microspheres, Polymers (Basel). 11 (2019) 419.; DOI:10.3390/polym11030419
