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マイクロ流体工学とは、10〜数百マイクロメートルの小さなチャネルを使用して少量の流体（10 −9〜10 −18リットル）を操作するシステムを指します。これは、分子分析、分子生物学、マイクロエレクトロニクスを含む学際的な分野です。[1]少量の流体を処理して多重化、自動化、およびハイスループットスクリーニングを実現するシステムの設計に実用化されています。マイクロ流体工学は1980年代初頭に登場し、インクジェットプリントヘッド、DNAチップ、ラボオンチップ技術、マイクロ推進、およびマイクロサーマル技術の開発に使用されています。
通常、マイクロとは次のいずれかの機能を意味します。
- 小容量（μL、nL、pL、fL）
- 小型
- 低エネルギー消費
- マイクロドメイン効果
一般的に、マイクロ流体システムは、流体を輸送、混合、分離、またはその他の方法で処理します。さまざまなアプリケーションが、流れ抵抗器や流れ加速器に似た毛細管流れ変更要素の形で、毛細管力を使用した受動的な流体制御に依存しています。一部のアプリケーションでは、外部作動手段が媒体の方向付けられた輸送に追加で使用されます。例としては、受動チップ上の流体輸送に遠心力を適用する回転駆動装置があります。アクティブマイクロ流体とは、マイクロポンプやマイクロバルブなどのアクティブ（マイクロ）コンポーネントによる作動流体の定義された操作を指します。マイクロポンプは、流体を連続的に供給するか、投与に使用されます。マイクロバルブは、ポンプで送られる液体の流れの方向または移動モードを決定します。多くの場合、通常は研究室で実行されるプロセスは、1つのチップ上に小型化され、効率と移動性が向上し、サンプルと試薬の量が削減されます。
流体のミクロスケール挙動
マイクロスケールでの流体の挙動は、表面張力、エネルギー散逸、流体抵抗などの要因がシステムを支配するという点で、「マクロ流体」の挙動とは異なる場合があります。マイクロ流体工学では、これらの挙動がどのように変化するか、また、それらをどのように回避するか、または新しい用途に活用するかを研究します。[2] [3] [4] [5] [6]
小さなスケール（チャネルサイズが約100ナノメートルから500マイクロメートル）では、興味深く、時には直感に反する特性がいくつか現れます。特に、レイノルズ数（流体の運動量の効果と粘性の効果を比較したもの）は非常に低くなる可能性があります。重要な結果は、流れが乱流ではなく層流になるため、共流流体が必ずしも従来の意味で混合するわけではないということです。それらの間の分子輸送は、多くの場合、拡散によって行われます。[7]
化学的および物理的特性（濃度、pH、温度、せん断力など）の高い特異性も保証され、単一および多段階反応においてより均一な反応条件とより高品質の製品が得られる。[8] [9]
さまざまな種類のマイクロ流体の流れ
マイクロ流体の流れは、幾何学的長さスケールによってのみ制約される必要がある。このような幾何学的制約を達成するために用いられる様式と方法は、対象となる用途に大きく依存する。[10]従来、マイクロ流体の流れは、チャネル断面積が10μm×10μm程度の閉じたチャネル内で生成されてきた。これらの方法にはそれぞれ、堅牢な流体の流れを維持するための独自の関連技術があり、数年かけて成熟してきた。[要出典]
オープンマイクロ流体
オープンマイクロチャネルにおける流体の挙動とその制御は、2005年頃に開拓され[11]、空気から液体へのサンプル収集[12] [13]やクロマトグラフィー[14]に応用されました。オープンマイクロ流体では、システムの少なくとも1つの境界が削除され、流体が空気または別のインターフェース（液体）に露出します。[15] [16] [17]オープンマイクロ流体の利点には、介入のための流動液体へのアクセス、より大きな液体-ガス表面積、および最小限の気泡形成が含まれます。[18] [15] [17] [19] オープンマイクロ流体のもう1つの利点は、オープンシステムを表面張力駆動の流体フローと統合できることです。これにより、蠕動ポンプやシリンジポンプなどの外部ポンプ方法が不要になります。[20]オープンマイクロ流体デバイスは、ミリング、熱成形、ホットエンボス加工によって簡単かつ安価に製造することもできます。[21] [22] [23] [24]さらに、オープンマイクロ流体工学では、毛細管の流れに悪影響を与える可能性のあるデバイスのカバーを接着または結合する必要がありません。オープンマイクロ流体工学の例には、オープンチャネルマイクロ流体工学、レールベースのマイクロ流体工学、紙ベース、および糸ベースのマイクロ流体工学が含まれます。[15] [20] [25] オープンシステムの欠点には、蒸発の影響を受けやすいこと、[26]汚染、[27]および流量が限られていることなどがあります。[17]
連続フローマイクロ流体
連続フローマイクロ流体工学は、主に毛細管要素内の流体の流れを加速または阻害することによって、狭いチャネルまたは多孔質媒体を通る定常液体の流れを制御することに依存しています。 [28]紙ベースのマイクロ流体工学では、毛細管要素は断面形状の単純な変化によって実現できます。一般に、液体の流れの駆動は、外部圧力源、外部機械ポンプ、統合機械マイクロポンプ、または毛細管力と電気動電メカニズムの組み合わせによって実装されます。[29] [30] 連続フローマイクロ流体操作は、実装が容易で、タンパク質ファウリングの問題の影響を受けにくいため、主流のアプローチです。連続フローデバイスは、多くの明確で単純な生化学アプリケーションや、化学分離などの特定のタスクには適していますが、高度な柔軟性や流体操作を必要とするタスクにはあまり適していません。これらの閉チャネルシステムは、流れ場を制御するパラメータが流路に沿って変化するため、システム全体の特性によって流体の流れが左右されるため、統合や拡張が本質的に困難です。また、永久的にエッチングされた微細構造は、再構成の制限やフォールトトレランス能力の低下にもつながります。近年、連続フローマイクロ流体のコンピュータ支援設計自動化アプローチが提案され、設計の労力を軽減し、拡張性の問題を解決しています。[31]
連続フローシステムにおけるプロセス監視機能は、ナノリットル範囲までの解像度を提供するMEMS技術に基づく高感度マイクロ流体フローセンサーによって実現できます。 [32]
液滴ベースのマイクロ流体
液滴ベースのマイクロ流体工学は、連続マイクロ流体工学とは対照的に、マイクロ流体工学のサブカテゴリです。液滴ベースのマイクロ流体工学は、低レイノルズ数と層流状態で、混ざり合わない相にある個別の体積の流体を操作します。液滴ベースのマイクロ流体システムへの関心は、過去数十年で大幅に高まっています。マイクロ液滴は、微小体積（μLからfL）の流体を便利に扱うことを可能にし、より優れた混合、カプセル化、選別、および検知を提供し、高スループットの実験に適しています。[34]液滴ベースのマイクロ流体工学の利点を効率的に活用するには、液滴生成に関する深い理解が必要です[35]さまざまな論理操作[36] [37]たとえば、液滴操作、[38]、液滴選別、[39]、液滴の合体、[40]、液滴の分解などです。[41]
デジタルマイクロ流体
上記の閉チャネル連続フローシステムの代替案としては、新しいオープン構造があり、ここでは、離散的で独立して制御可能な液滴が、エレクトロウェッティングを使用して基板上で操作されます。デジタルマイクロエレクトロニクスの類推に従って、このアプローチはデジタルマイクロフルイディクスと呼ばれています。Le Pesantらは、デジタルトラック上で液滴を移動させるために電気毛細管力を使用する先駆者でした。[42] Cytonix [43]が開発した「流体トランジスタ」も役割を果たしました。この技術はその後、デューク大学によって商品化されました。離散的な単位体積の液滴を使用することで、[35] マイクロ流体機能は、1単位の流体を1単位の距離に移動する一連の基本的な繰り返し操作にまで削減できます。この「デジタル化」方法により、マイクロ流体バイオチップの設計に階層的でセルベースのアプローチを使用できるようになります。したがって、デジタルマイクロフルイディクスは、柔軟でスケーラブルなシステムアーキテクチャと高いフォールトトレランス機能を提供します。さらに、各液滴は独立して制御できるため、これらのシステムは動的再構成も可能であり、一連のバイオアッセイの同時実行中に、マイクロ流体アレイ内のユニットセルのグループを再構成して機能を変更することもできます。液滴は限られたマイクロ流体チャネル内で操作されますが、液滴の制御は独立していないため、「デジタルマイクロ流体」と混同しないでください。デジタルマイクロ流体の一般的な作動方法の1つは、誘電体上のエレクトロウェッティング（EWOD）です。[44]多くのラボオンチップアプリケーションは、エレクトロウェッティングを使用してデジタルマイクロ流体パラダイム内で実証されています。ただし、最近では、磁力、[45] 表面弾性波、[46] オプトエレクトロウェッティング、機械的作動、[47] などを 使用した液滴操作の他の技術も実証されています。
紙ベースのマイクロ流体
紙ベースのマイクロ流体デバイスは、ポータブルで安価で使いやすい医療診断システムというニッチな市場を拡大しています。[48] 紙ベースのマイクロ流体は、多孔質媒体における毛細管浸透現象を利用しています。[49] 2次元および3次元で紙などの多孔質基板への流体浸透を調整するために、マイクロ流体デバイスの細孔構造、濡れ性、形状を制御できますが、液体の粘度と蒸発速度がさらに重要な役割を果たします。このようなデバイスの多くは、親水性紙の上に疎水性バリアを備えており、水溶液を生物学的反応が起こる出口に受動的に輸送します。[50]紙ベースのマイクロ流体は、高度な医療診断ツールにアクセスできない遠隔地で使用されるポータブルなポイントオブケアバイオセンサーと見なされています。[51]現在の用途には、ポータブルグルコース検出[52]や環境テスト[53]があり、高度な医療診断ツールが不足している分野に到達することが期待されています。
粒子検出マイクロ流体
学術的に多大な努力が払われ、商業的にもいくらか努力が払われている応用分野として、流体中の粒子検出の分野がある。直径約 1 μm までの流体中の小さな粒子の検出は、通常、コールター カウンタを使用して行われる。このカウンタでは、塩水などの導電性の弱い流体を小さな (直径約 100 μm) 細孔に通すと電気信号が生成され、粒子の体積と細孔の体積の比に正比例する電気信号が生成される。この背後にある物理学は比較的単純で、DeBlois と Bean による古典的な論文[54]で説明されており、実装はコールターの最初の特許 [ 55]で初めて説明されている。これは、標準的な血液分析で赤血球や白血球の大きさを計測して計数するために使用される方法である。この方法の一般的な用語は抵抗パルスセンシング(RPS) であり、コールター計数は商標用語である。しかし、RPS法は、信号対雑音比が、主に分析対象物が通過する細孔のサイズと第一段階増幅器の入力ノイズによって設定される信頼性の高い検出限界を下回るため、直径1μm未満の粒子にはうまく機能しません。[要出典]
従来の RPS コールター カウンターの細孔サイズの制限は、細孔の作成方法によって決まります。この方法は企業秘密ですが、おそらく[誰によると? ]従来の機械的方法を使用しています。ここでマイクロ流体が影響を与えることができます。リソグラフィーベースのマイクロ流体デバイスの製造、またはより可能性が高いのは、成形プロセスを使用してマイクロ流体デバイスを作成するための再利用可能な金型の製造ですが、これは従来の機械加工よりもはるかに小さいサイズに制限されます。1 μm までの臨界寸法は簡単に製造でき、もう少しの労力と費用で、100 nm 未満の特徴サイズも確実にパターン化できます。これにより、マイクロ流体回路に統合された細孔を安価に製造でき、細孔直径が 100 nm のオーダーのサイズに達することができ、同時に最小粒子直径が数桁小さくなります。
その結果、大学を拠点としてマイクロ流体粒子の計数とサイズ測定の開発が行われ[56] [57] [58]、この技術は商業化されました。この方法は、マイクロ流体抵抗パルスセンシング（MRPS） と呼ばれています。
マイクロ流体支援磁気泳動
マイクロ流体デバイスの主な応用分野の一つは、異なる流体または細胞タイプの分離と選別である。マイクロ流体分野における最近の開発では、マイクロ流体デバイスと磁気泳動（磁場による粒子の移動）の統合が見られる。[59] これは、少なくとも1つの磁性成分を含む流体を、チャネルの長さに沿って配置された磁石を備えたマイクロ流体チャネルに送ることによって達成できる。これにより、マイクロ流体チャネル内に磁場が生成され、磁気活性物質が引き寄せられ、流体の磁性成分と非磁性成分が効果的に分離される。この技術は、手元にある流体にすでに磁気活性物質が含まれている産業環境で容易に利用できる。例えば、牛乳やその他の乳製品などの特定の消費液体には、少量の金属不純物が混入することがある。[60]都合の良いことに、牛乳の場合、これらの金属汚染物質の多くは常磁性を示す。したがって、包装する前に、金属汚染物質を浄化する手段として、ミルクを磁気勾配のあるチャネルに流すことができます。
マイクロ流体支援磁気泳動の、より研究指向のアプリケーションは数多くあり、一般的には細胞分離を対象としています。これを達成する一般的な方法には、いくつかのステップがあります。まず、常磁性物質（通常はマイクロ/ナノ粒子または常磁性流体）[61]を機能化して、対象の細胞タイプをターゲットにする必要があります。これは、対象の細胞タイプに固有の膜貫通タンパク質を識別し、続いて相補的な抗原または抗体で磁性粒子を機能化することによって達成できます。[60] [62] [63] [64] [65]磁性粒子が機能化されると、それらは細胞混合物中に分散され、そこで対象の細胞のみに結合します。得られた細胞/粒子混合物は、磁場を備えたマイクロ流体デバイスに流され、標的細胞を残りの細胞から分離することができます。
逆に、マイクロ流体支援磁気泳動は、マイクロ液滴またはプラグ内での効率的な混合を促進するために使用できます。これを実現するために、マイクロ液滴に常磁性ナノ粒子を注入し、急速に変化する磁場を通過する直線チャネルを流します。これにより、磁性粒子が液滴内で左右にすばやく押し出され、マイクロ液滴の内容物が混合されます。[64]これにより、従来のチャネルベースの液滴混合に必要な面倒なエンジニアリングの考慮が不要になります。他の研究では、常磁性流体に細胞を懸濁し、磁気アルキメデス効果を利用することで、ラベルフリーの細胞分離が可能になる可能性があることも示されています。[66] [67]これにより、粒子の機能化の複雑さが排除されますが、磁気アルキメデス現象を完全に理解し、これをどのように使用できるかを理解するには、さらに研究が必要です。これは、マイクロ流体支援磁気泳動のさまざまな用途の網羅的なリストではありません。上記の例は、この分離技術が現在および将来のアプリケーションの両方で多用途に使用できることを強調しているにすぎません。
主な応用分野
マイクロ流体構造には、マイクロ空気圧システム、すなわちオフチップ流体（液体ポンプ、ガスバルブなど）の取り扱いのためのマイクロシステムと、ナノリットル（nl）およびピコリットル（pl）の容量のオンチップ取り扱いのためのマイクロ流体構造が含まれる。[68] 現在までに、マイクロ流体の最も成功した商業的応用は、インクジェットプリントヘッドである。[69]さらに、マイクロ流体製造の進歩により、メーカーは低コストのプラスチックでデバイスを製造し、 [70]部品の品質を自動的に検証することができるようになった。[71]
マイクロ流体技術の進歩は、酵素分析（グルコース や乳酸のアッセイなど）、DNA分析（ポリメラーゼ連鎖反応やハイスループットシーケンシングなど）、プロテオミクス、化学合成などの分子生物学手法に革命をもたらしている。 [28] [72]マイクロ流体バイオチップの基本的な考え方は、検出などのアッセイ操作、サンプルの前処理、サンプル調製を1つのチップに統合することである。[73] [74]
バイオチップの新しい応用分野は臨床病理学、特に病気の即時的なポイントオブケア診断である。[75]さらに、生化学的毒素やその他の危険な病原体について空気/水サンプルを連続的にサンプリングし、リアルタイムでテストできるマイクロ流体ベースのデバイス[76]は、早期警告のための常時オンの「バイオ煙警報器」として機能することができる。
マイクロ流体技術は、生物学者が細胞環境全体を制御するための強力なツールを生み出し、新たな疑問や発見をもたらしました。微生物学におけるこの技術のさまざまな利点を以下に示します。
- 成長を含む一般的な単一細胞研究[77] [34]
- 細胞の老化：「マザーマシン」のようなマイクロ流体デバイスは、何千もの個々の細胞を死ぬまで何世代にもわたって追跡することを可能にする[77]
- 微小環境制御：機械的環境[78]から化学的環境[79] [80]まで
- 複数の化学物質を単一のデバイスに組み込むことで正確な時空間濃度勾配を実現[81]
- 接着細胞や閉じ込められた染色体の力測定：マイクロ流体デバイスに閉じ込められた物体は、光ピンセットやその他の力発生方法を使用して直接操作することができます[82]
- ストークス流、光ピンセット、PDMS（ポリジメチルシロキサン）デバイスの制御された変形などの外部力発生方法と組み合わせて細胞を閉じ込め、制御された力を発揮する[82] [83] [84]
- 電界積分[84]
- チップ上の植物と植物組織培養[85]
- 抗生物質耐性: マイクロ流体デバイスは、微生物の不均一環境として使用できます。不均一環境では、微生物が進化しやすくなります。これは、微生物の進化の加速をテストしたり、抗生物質耐性の発達をテストしたりするのに役立ちます。
- ウイルス融合：これらのデバイスは、ウイルスが結合して宿主細胞に侵入するために必要ないくつかのステップと条件を研究することもできます。結合と融合プロセスの効率、速度論、および特定のステップに関する情報は、マイクロ流体フローセルを使用して取得できます。[86]
これらの領域のいくつかについては、以下のセクションでさらに詳しく説明します。
DNAチップ（マイクロアレイ）
初期のバイオチップはDNA マイクロアレイのアイデアに基づいていました。たとえば、 Affymetrixの GeneChip DNAarray はガラス、プラスチック、またはシリコン基板で、その上に DNA 片 (プローブ) が微細なアレイ状に固定されています。DNA マイクロアレイと同様に、タンパク質アレイは、さまざまな捕捉剤 (最も一般的にはモノクローナル抗体) がチップ表面に付着した小型アレイです。これらは、血液などの生物学的サンプル中のタンパク質の存在や量を決定するために使用されます。 DNA アレイとタンパク質アレイの欠点は、製造後に再構成も拡張もできないことです。デジタルマイクロ流体工学は、デジタル PCR を実行するための手段として説明されています。
分子生物学
マイクロアレイに加えて、バイオチップは二次元電気泳動[87] 、トランスクリプトーム解析[88]、PCR増幅[89]用に設計されている。その他の用途としては、タンパク質やDNAのさまざまな電気泳動や液体クロマトグラフィーの用途、細胞分離、特に血球分離、タンパク質分析、細胞操作および細胞生存率分析を含む分析[34]、微生物捕捉[74]などがある。
進化生物学
マイクロ流体工学と景観生態学およびナノ流体工学を組み合わせることで、細菌 生息地の局所的なパッチを構築し、それらを分散回廊で接続することで、ナノ/マイクロで製造された流体景観を構築できます。結果として得られる景観は、空間と時間に分散した機会のパッチの空間モザイクを生成することにより、適応景観の物理的な実装として使用できます。これらの流体景観のパッチ状の性質により、メタ個体群システム 内の適応細菌細胞の研究が可能になります。これらの合成生態系におけるこれらの細菌システムの進化生態学により、生物物理学を使用して進化生物学の問題に取り組むことができます。
細胞の行動
精密かつ慎重に制御された化学誘引物質の勾配を作り出す能力により、マイクロ流体工学は、運動性、[91] 走化性、および短期間で少数の微生物集団における抗生物質耐性の進化/発達能力を研究するための理想的なツールとなります。これらの微生物には、細菌[92]や海洋微生物ループ[93]を形成する幅広い生物が含まれ、海洋の生物地球化学の多くを調節する役割を担っています。
マイクロ流体工学は、デュロタキシス（剛性）勾配の作成を容易にすることで、 デュロタキシスの研究にも大きく貢献しています。
細胞生物物理学
個々の遊泳細菌の動きを整流することにより、[94] マイクロ流体構造を使用して、運動性細菌細胞の集団から機械的運動を抽出することができます。[95] このようにして、細菌動力のローターを構築することができます。[96] [97]
光学
マイクロ流体工学と光学の融合は、オプトフルイディクスとしてよく知られています。オプトフルイディクスデバイスの例としては、調整可能なマイクロレンズアレイ[98] [99]やオプトフルイディクス顕微鏡などがあります。
マイクロ流体フローは、高速サンプルスループット、大規模なサンプル集団の自動イメージング、3D機能、[100] [101]または超解像を可能にします。[102]
フォトニクス ラボ オン チップ (PhLOC)
一般的な分析方法（ICP-MS、ICP-AAS、ICP-OES [103]）の安全性への懸念と運用コストの増加により、フォトニクスラボオンチップ（PhLOC）は、使用済み核廃棄物中のアクチニドと硝酸塩の分析にますます人気のツールになりつつあります。PhLOCは、ラマン分光法とUV-Vis-NIR分光法の同時適用に基づいており、[104]異なる酸化状態の複数のアクチニドを含むより複雑な混合物の分析を可能にします。[105]これらの方法による測定は、産業試験のためにバルクレベルで検証されており、[103] [106]マイクロスケールでの変動がはるかに低いことが観察されています。[107]このアプローチは、測定チャネルの延長により、150μLの比較的広い濃度範囲にわたって、既知の文献値と一致するモル吸光係数（UV-Vis）を持つことがわかった[105] 。また、 U（IV）についてはマイクロスケールでビールの法則に従う。 [108]使用済み燃料を分析するための分光光度計によるアプローチの開発により、反応物の量をオンラインで測定する方法が作成され、サンプルを分析できる速度が向上し、再処理中に検出可能な偏差のサイズが減少する。[106]
PhLOC の適用により、操作方法の柔軟性と安全性が向上します。使用済み核燃料の分析は極めて過酷な条件を伴うため、使い捨てで迅速に製造できるデバイス (PDMS、PMMA、ガラスなどの鋳造および/または彫刻可能な材料に基づく[109] ) の適用が有利ですが、特定の過酷な条件下では材料の完全性を考慮する必要があります。[108]光ファイバー結合の使用により、デバイスを計測機器から分離できるため、放射線による損傷を防ぎ、研究室の作業員が潜在的に有害な放射線にさらされるのを最小限に抑えることができます。これは、研究室規模でも以前の分析基準でも不可能でした。[105]デバイスが小型化することで、使用する分析対象物の量を減らすことができ、生成される廃棄物の量と有害物質への曝露を減らすことができます。[105]
PhLOCを拡張して核燃料サイクル全体の研究を小型化することが現在評価されており、PUREXプロセスのステップがマイクロスケールで実証されています。[104]同様に、使用済み核燃料の分析用に開発されたマイクロ流体技術は、ほとんどまたはまったく変更を加えることなく、他のアクチニド、ランタニド、遷移金属の分析に水平展開すると予測されています。[105]
高速液体クロマトグラフィー（HPLC）
マイクロ流体工学の分野におけるHPLCには、2つの異なる形式があります。初期の設計では、液体をHPLCカラムに通し、溶出した液体をマイクロ流体チップに移し、HPLCカラムをマイクロ流体チップに直接取り付けていました。[110]初期の方法には、蛍光を測定する機械など、特定の機械からの検出が容易であるという利点がありました。[111]最近の設計では、HPLCカラムがマイクロ流体チップに完全に統合されています。 HPLCカラムをマイクロ流体デバイスに統合する主な利点は、より小さなフォームファクタを実現できることです。これにより、1つのマイクロ流体チップ内に追加の機能を組み合わせることができます。統合チップは、ガラスやポリイミドなど、さまざまな異なる材料から製造することもできます。これらは、さまざまな液滴ベースのマイクロ流体デバイスで使用されるPDMSの標準材料とはまったく異なります。 [112] [113]これは重要な機能です。なぜなら、HPLCマイクロ流体チップのさまざまなアプリケーションでは、さまざまな圧力が必要になる場合があるからです。PDMSは、ガラスやポリイミドと比較して高圧用途には適していません。 HPLC統合の汎用性が高いため、カラムとチップ間の接続やフィッティングが不要になり、堅牢性が確保されます。[114]将来的にもこの設計を拡張できるため、マイクロ流体工学の分野は潜在的な用途を拡大し続けることができます。
マイクロ流体デバイスに統合された HPLC カラムを取り巻く潜在的な用途は、過去 10 ～ 15 年間で拡大していることが証明されています。このようなカラムを統合することで、タンパク質の生物学的分析など、材料が入手しにくい、または非常に高価な場所での実験が可能になります。試薬の量が減ることで、従来のデバイスのサイズ制限のために非常に困難だった単一細胞タンパク質分析などの新しい実験が可能になります。[115] HPLC チップデバイスを質量分析などの他の分光法と組み合わせると、タンパク質などの目的の種の識別の信頼性が向上します。[116]マイクロ流体チップには、HPLC をさらに改善するための勾配生成を可能にする内部遅延線も作成されており、これにより、さらなる分離の必要性を減らすことができます。[117]統合 HPLC チップの他の実用的な用途には、髪の毛を介した人の薬物の存在の判定[118]や逆相液体クロマトグラフィーによるペプチドの標識付けなどがあります。[119]
音響液滴放出（ADE）
音響液滴放出は、超音波パルスを使用して、物理的接触なしで少量の液体（通常はナノリットルまたはピコリットル）を移動させます。この技術は、音響エネルギーを液体サンプルに集中させて、1リットルの100万分の1の100万分の1（ピコリットル = 10 −12リットル）ほどの小さな液滴を放出します。ADE 技術は非常に穏やかなプロセスであり、タンパク質、高分子 DNA、生細胞を損傷や生存能力の低下なしに転送するために使用できます。この特徴により、この技術はプロテオミクスや細胞ベースのアッセイを 含むさまざまなアプリケーションに適しています。
燃料電池
マイクロ流体燃料電池は、従来の燃料電池に必要な物理的な障壁なしに、層流を利用して燃料と酸化剤を分離し、2つの流体の相互作用を制御することができます。[120] [121] [122]
宇宙生物学
宇宙のどこか別の場所に生命が存在する可能性を理解するために、宇宙生物学者は惑星外天体の化学組成を測定することに興味を持っています。[123]マイクロ流体デバイスは、サイズが小さく、機能が幅広いため、これらの遠隔サンプル分析に最適です。[124] [125] [126] 地球外サンプルでは、マイクロチップキャピラリー電気泳動と選択的蛍光染料を使用して有機含有量を評価できます。[127] これらのデバイスは、アミノ酸、[128] ペプチド、[129] 脂肪酸、[130]および単純なアルデヒド、[131]ケトン、 [132 ]チオールを検出できます。[132]これらの分析を組み合わせることで、生命の主要成分を強力に検出できるようになり、地球外生命体の探索に役立つことが期待されます。[133]
食品科学
液滴マイクロ流体工学、紙マイクロ流体工学、ラボオンチップなどのマイクロ流体技術は、食品科学の分野でさまざまな分野で使用されています。[134]栄養学、[135] [136]食品加工、食品安全の研究は、より少ない試薬で実験を行うことができるため、マイクロ流体技術の恩恵を受けています。[134]
食品加工には、エマルジョンや防腐剤の添加など、食品の保存安定性を実現する機能が必要です。液滴マイクロ流体などの技術は、達成可能な液滴の精度により、従来の均質化によって作成されるものよりも制御され複雑なエマルジョンを作成するために使用されます。エマルジョンにマイクロ流体を使用すると、均質化と比較してエネルギー効率も高くなります。均質化では、「供給されたエネルギーの5％のみがエマルジョンの生成に使用され、残りは熱として消散します」。[137]これらの方法には利点がありますが、現在、商業化に必要な大規模生産能力がありません。[138]マイクロ流体は、食品化学と食品加工の革新を可能にするため、研究にも使用されています。[134] [138]食品工学研究の例として、食品加工業界での潜在的な使用、特にエマルジョンの強化に関する研究のために製造された新しいマイクロ3Dプリントデバイスがあります。[139]
紙と液滴のマイクロ流体デバイスは、少量の不要な細菌や化学物質を検出できるデバイスを可能にし、食品の安全性と分析に役立ちます。[140]紙ベースのマイクロ流体デバイスは、マイクロ流体紙ベース分析デバイス（μPAD）と呼ばれることが多く、スマートフォンで検出できる比色反応によって、肉に含まれる硝酸塩[141]、防腐剤[142]、抗生物質[143]などを検出できます。これらの方法は、液体クロマトグラフィーなどの従来の技術と比較して、反応物、スペース、時間が少なくて済むため、研究されています。μPADはまた、アレルギーや不耐性を持つ人々にとって興味深い、家庭での検出テストを可能にします。[141]紙ベースの方法に加えて、研究では、液滴ベースのマイクロ流体が、国内外の食品産業における農業用水における生存細菌汚染を確認するために必要な時間を大幅に短縮する可能性があることが実証されています。[140]
今後の方向性
個別化癌治療のためのマイクロ流体工学
個別化癌治療は、患者の診断と背景に基づいて調整された方法です。マイクロ流体技術は、より高いスループットで感度の高い検出を提供し、時間とコストを削減します。個別化癌治療では、腫瘍の構成と薬剤感受性が非常に重要です。[144]
バイオマーカーの状態に基づいて患者の薬物反応を予測したり、特定の細胞の非定型的な存在に基づいて病気の重症度と進行を予測したりすることができます。[145] Drop - qPCRは、液滴が再利用可能な毛細管で輸送され、異なる一定温度に維持された2つの領域を交互に流れ、蛍光を検出する液滴マイクロ流体技術です。汚染リスクが低く、Her2を検出するのに効率的です。[144]デジタル液滴ベースのPCR法を使用して、TaqManプローブでKRAS変異を検出し、変異遺伝子比の検出を強化することができます。[146]さらに、乳がん または前立腺がん患者の術後疾患進行の正確な予測は、術後治療を決定するために不可欠です。慎重に配合された細胞外マトリックス混合物でコーティングされたシンプルなマイクロ流体チャンバーは、72時間の増殖と画像による細胞の徹底的な評価後に腫瘍生検から得られた細胞に使用されます。 [147]
マイクロ流体は、循環腫瘍細胞（CTC）および非CTC 液体生検分析にも適しています。ビーズは、 CTC分離チップ（iCHIP）での陽性選択のために抗上皮細胞接着分子（EpCAM）抗体に結合します。[148] CTCは、腫瘍微小環境の酸性化と膜容量の差を利用して検出することもできます。[149] [150] CTCはマイクロ流体デバイスによって血液から分離され、オンチップで培養されます。これは、1回の分析でより多くの生物学的情報を取得する方法となります。たとえば、40種類の異なる薬剤または薬剤の組み合わせの細胞生存率をテストするために使用できます。[151]腫瘍由来の細胞外小胞は、尿から分離し、統合された二重濾過マイクロ流体デバイスで検出できます。また、血液から分離し、2レベル増幅酵素アッセイによる電気化学センシング法で検出することもできます。[152] [153]
腫瘍材料は、マイクロ流体デバイスを介して直接検出に使用できます。原発性細胞を薬剤でスクリーニングするには、多くの場合、癌細胞と非癌細胞を区別する必要があります。細胞が小さな狭窄部を通過する能力に基づくマイクロ流体チップは、細胞の種類、転移を分類できます。[154] 液滴ベースのマイクロ流体デバイスは、さまざまな薬剤または薬剤の組み合わせを、原発性腫瘍サンプルで直接、高精度にスクリーニングする可能性があります。 この戦略を改善するには、蛍光バーコードと組み合わせた薬剤カクテルの連続的な方法によるマイクロ流体プログラムがより効率的です。[155]別の高度な戦略は、懸濁マイクロチャネル共振器を使用して単一細胞の増殖率を検出することです。これにより、希少CTCの薬剤感受性を予測できます。[156]
マイクロ流体デバイスは、腫瘍の微小環境をシミュレートして、抗がん剤の試験にも役立ちます。2Dまたは3D細胞培養を備えたマイクロ流体デバイスは、さまざまな癌システム（肺癌や卵巣癌など）のスフェロイドを分析するために使用でき、複数の抗がん剤や毒性試験に不可欠です。この戦略は、スフェロイドのスループットと生産量を増やすことで改善できます。たとえば、3D細胞培養用の液滴ベースのマイクロ流体デバイス1つで、チップあたり500個のスフェロイドが生成されます。[157]これらのスフェロイドは、分析および監視のためにさまざまな環境でより長く培養できます。もう1つの高度な技術は、臓器オンチップであり、血管の模倣に基づいて薬物の代謝と活性を決定するために複数の臓器をシミュレートするために使用できます。また、pH、酸素を模倣して、薬物と人間の臓器の周囲の関係を分析することもできます。[157]
最近の戦略は、液滴中の単一細胞クロマチン免疫沈降（ChiP）シークエンシングであり、これは液滴ベースの単一細胞RNAシークエンシングとDNAバーコード化抗体を組み合わせて機能し、遺伝子型と表現型による腫瘍の異質性を調査して個別化された抗がん剤を選択し、がんの再発を防ぐことを目的としている。[158]
キャピラリー電気泳動（CE）システムの進歩
この分野における重要な進歩の 1 つは、 Z. Hugh Fanと D. Jed. Harrisonによって実証されたマイクロチップ上の統合キャピラリー電気泳動(CE) システムの開発です。彼らは、マイクロマシニング技術を使用して、サンプルインジェクターと分離チャネルを組み込んだ平面ガラスチップを作成しました。このセットアップにより、わずか数秒でアミノ酸を迅速に分離でき、最大 6800 の理論段で高い分離効率を達成しました。ガラスの熱質量と伝導性により可能になった高電界の使用により、ジュール熱の影響が最小限に抑えられ、システムが非常に効率的かつ高速になりました。このような革新は、分析化学、特に迅速かつ正確な分析を必要とするアプリケーションにおけるマイクロ流体デバイスの潜在能力を浮き彫りにしています。[159]
参照
- 高度なシミュレーションライブラリ
- 液滴ベースのマイクロ流体
- 流体工学
- 誘導電荷電気運動学
- 統合流体回路
- ラボオンチップ
- マイクロ流体細胞培養
- マイクロ流体変調分光法
- マイクロ生理測定
- マイクロポンプ
- マイクロバルブ
- uFluids@Home
- 紙ベースのマイクロ流体
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教育
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