Мышление за пределами чипа: проектирование и разработка микрофлюидики

May 11, 2023

Стив Грин

25 мая 2023 г.

10:15

Стив Грин, руководитель отдела дизайна Oxford Product Design, исследует некоторые менее обсуждаемые проблемы проектирования и разработки микрофлюидных устройств для здравоохранения.

Гринимал Shutterstock

чип

В общих чертах, микрофлюидика включает в себя поведение, манипулирование и контроль жидкостей, которые ограничены очень маленькой геометрией, обычно в микрометровом масштабе. В медицинской промышленности микрофлюидика становится все более важным инструментом для нескольких приложений.

Одним из ключевых преимуществ микрофлюидики является способность обрабатывать очень небольшие количества биологического материала, такого как кровь или слюна. Это может быть особенно полезно при диагностическом тестировании с взятием небольших образцов.

Позволяя исследователям и врачам обрабатывать и анализировать небольшие объемы биологического материала с высокой точностью, микрофлюидика способствует прогрессу в диагностике, разработке лекарств и персонализированной медицине.

В диагностике микрофлюидика широко используется при разработке систем оказания медицинской помощи, которые можно использовать для быстрого выявления заболеваний или состояний в клинических условиях. Эти устройства могут быть портативными, недорогими в расчете на один тест, простыми в использовании и быстрыми в получении результатов, что делает их идеальными для чрезвычайных ситуаций.

Это захватывающая и быстро развивающаяся область с огромным потенциалом революционизировать наш подход к здравоохранению, привлекающая большое внимание средств массовой информации, научных кругов и венчурных капиталистов. Хотя на рынок начинают проникать устройства, реализация этих преимуществ может еще не отражать затраченные деньги и усилия.

Очевидная проблема, которая привлекает большую часть усилий и внимания во время разработки, связана с самим микрофлюидным устройством (или «чипом»). Взаимодействие между гидродинамикой, химией поверхности и методами микрообработки, а также понимание лежащих в основе физики и химии создают технические препятствия, отнимающие внимание. Кроме того, требование надежных, воспроизводимых и масштабируемых результатов требует тщательного балансирования и оптимизации усилий на протяжении всего процесса проектирования и разработки.

Однако микрофлюидный «чип» является лишь небольшой частью более крупной системы, и интеграция этих устройств с другими компонентами и требованиями может оказаться сложной задачей.

Вот некоторые аспекты микрофлюидных систем, которые выходят «за пределы чипа», и которые не следует игнорировать:

Системная интеграция: Во многих случаях микрофлюидные системы необходимо интегрировать с внешними системами, такими как насосы, клапаны и датчики.

Интерфейсы : Поток жидкости обусловлен градиентами давления. Разработка чистых, надежных, герметичных и простых в использовании гидравлических соединений и интерфейсов может стать серьезной инженерной задачей.

Органы управления (ощущение и обратная связь): Для достижения замкнутого управления микрофлюидными системами часто необходимо включать датчики и механизмы обратной связи. Это может оказаться сложной задачей из-за небольшого размера системы, что может потребовать разработки специализированных сенсорных технологий, способных работать на микромасштабе.

Стабильность и надежность : Микрофлюидные системы могут быть чувствительны к изменениям условий окружающей среды, таких как температура, влажность и вибрация. Разработка стабильных и надежных систем требует тщательного проектирования компонентов и материалов, а также передовых алгоритмов управления.

Образец введения : Введение биологических образцов в микрофлюидные устройства сопряжено с такими проблемами, как подготовка образцов, обращение с ними и их хранение; объем и концентрация пробы; загрязнение и перекрестная реактивность; а также разработка и валидация тестов. Эти проблемы необходимо тщательно решать, чтобы микрофлюидные устройства давали надежные и точные результаты.

Пользовательский интерфейс и пользовательский опыт