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.
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
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 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
chất lưu khác nhau), hệ thống điện cực
để lấy tín hiệu (có thể là tín hiệu điện
hoặc tín hiệu quang)
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.