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Lab-on-a-Chip fatto di carta
Sfruttando il movimento naturale del liquido attraverso la carta, i ricercatori dell'Harvard's Gruppo di ricerca Whitesides potrebbe aver trovato un modo per rendere la tecnologia della microfluidica molto più economica. Il risultato potrebbe essere test diagnostici usa e getta semplici e abbastanza abbondanti per l'uso nel mondo in via di sviluppo.
Codificazione del colore: Questo prototipo di un nuovo test diagnostico cartaceo dell'Università di Harvard analizza il contenuto di glucosio (pozzetto sinistro) e proteine (pozzetto destro) dell'urina; il pozzetto superiore è un controllo per il dosaggio del glucosio. La parte beige della carta reattiva è stata trattata con un polimero idrofobo che incanala il liquido nei pozzetti. In questo test, la carta è stata immersa in una soluzione di urina artificiale che conteneva glucosio e una proteina estratta dal sangue di vacca.
Il campo della microfluidica si occupa della manipolazione precisa di piccole quantità di liquido. Una delle sue applicazioni più promettenti è il cosiddetto lab-on-a-chip, che può funzionare con campioni di fluido molto più piccoli di quelli richiesti da dispositivi più grandi, consentendo potenzialmente strumenti diagnostici più portatili. Ma i chip microfluidici esistenti sono generalmente realizzati con materiali relativamente costosi come silicio, vetro o plastica e hanno pompe e valvole minuscole che possono essere difficili da produrre.
Ora, George Whitesides di Harvard e il suo team hanno costruito un dispositivo microfluidico su un quadrato di carta delle dimensioni di un mignolo. È il primo esempio che sento di microfluidica cartacea, dice Albert Folch , un bioingegnere dell'Università di Washington che lavora sulla microfabbricazione. È davvero intelligente perché utilizza la carta come supporto, che è universalmente disponibile.
Mentre i test su carta più grandi (come quelli per la gravidanza) sono comuni, restringere la carta e ridurre al minimo la quantità dei reagenti chimici richiesti riduce i costi di produzione. La capacità di dirigere il campione in particolari regioni della carta consente l'esecuzione simultanea di diversi test, per cercare più sintomi di una condizione, come insufficienza renale o malattie infettive, afferma Whitesides. E ridurre la dimensione del campione è un vantaggio particolare nei paesi in via di sviluppo, dove la raccolta non invasiva di piccole quantità di liquidi evita la necessità di siringhe, che possono essere difficili da pulire e smaltire.
Una puntura di sangue o una goccia di urina assorbita dal bordo del dispositivo Whitesides si muove naturalmente attraverso la carta, proprio come il vino si diffonderà attraverso un tovagliolo di carta. Ma la carta è trattata con un polimero idrofobo, che dirige il liquido lungo i canali prescritti. Una volta che il liquido raggiunge i pozzetti alle estremità dei canali, interagisce con i reagenti, trasformando la carta in diversi colori. I colori possono essere abbinati a quelli di una chiave di colore, proprio come in un test del pH. Un disegno di prova che assomiglia a un albero geometrico in miniatura, a tre rami, potrebbe avere pozzi all'estremità di due rami per un'analisi del glucosio e uno all'estremità del terzo per un'analisi delle proteine, ad esempio.
Il design elimina i componenti costosi comuni nei dispositivi microfluidici convenzionali: le reazioni chimiche che colorano parti della carta sostituiscono sensori e analizzatori sofisticati, mentre l'utilizzo dell'azione capillare naturale della carta per assorbire i liquidi evita la necessità di pompe o fonti di alimentazione esterne. Diagnostic for All, uno spin-off cofondato da Whitesides e lo studioso di Harvard in visita Hayat Sindi, con il supporto di partner del MIT, sta commercializzando la tecnologia.
Invece di incidere canali in un materiale, come fanno la maggior parte dei designer di microfluidica, Whitesides e Sindi sono stati in grado di sfruttare la rete di canali inerente alla carta; il polimero idrofobo sigilla semplicemente i canali che i ricercatori non vogliono usare. La cosa veramente intelligente di questo sistema è che hanno effettivamente modellato l'intero volume del substrato, spiega Folch. La carta stessa forma una rete di capillari.
Uno svantaggio che Folch nota è che, a causa dell'azione di pompaggio limitata dei test su carta, probabilmente non saranno in grado di eseguire reazioni chimiche più complesse.
Oltre a rendere i dispositivi più economici, i progettisti hanno tenuto a mente altre caratteristiche che li avrebbero resi più pratici nei paesi in via di sviluppo. La leggerezza e la resistenza alla rottura del test lo rendono più portatile rispetto ai test modellati su superfici di vetro facilmente frantumate. Il chip di carta è anche facilmente smaltibile mediante incenerimento, una considerazione chiave nei paesi in via di sviluppo interessati al mantenimento della salute pubblica, afferma Whitesides. Il tipo di cose che stiamo sviluppando qui dovrebbero essere utili per lo screening della salute pubblica nei paesi in via di sviluppo, dice. Invece di prendere la medicina del primo mondo e cercare di ridimensionarla, il team ha iniziato a progettare la tecnologia pensando ai paesi in via di sviluppo, concentrandosi su facilità d'uso, accessibilità e portabilità, afferma Whitesides.
Al fine di ottimizzare il dispositivo per i paesi in via di sviluppo, il team prevede di combinare i test cartacei con un sistema di telefoni cellulari per la diagnosi fuori sede, riducendo al minimo il livello di competenza necessario per utilizzare i test. È principalmente un modo per conservare il tempo prezioso e le risorse limitate del personale sanitario, afferma Whitesides. Il team prevede che, nelle zone rurali dove i medici sono limitati, le persone formate solo per condurre i test li effettuino e li rimandino a una struttura centrale dove un medico esamina tali informazioni e [raccomanda] diagnosi e cure senza dover effettivamente essere lì, dice Whitesides.
A partire da ora, Whiteside e i suoi colleghi hanno testato lo strumento diagnostico cartaceo utilizzando l'urina artificiale. In un articolo pubblicato il mese scorso, hanno analizzato i risultati del documento in remoto, tramite le fotocamere del telefono, e hanno scoperto che i risultati erano paragonabili in termini di accuratezza all'analisi in loco, afferma Whitesides.
Il prossimo passo è una sperimentazione clinica e una distribuzione da qualche parte in Africa, afferma Sindi. In questo momento, il team sta testando il dispositivo in condizioni difficili, dice, come alta pressione, temperatura e umidità. Finora, il test non sembra essere influenzato negativamente, afferma Whitesides. Il team spera infine di andare oltre la diagnostica umana, sviluppando dispositivi per testare acqua, bestiame e altre fonti di cibo.
I tipi di analisi diagnostiche che si desidera eseguire e i tipi di problemi che si desidera risolvere sono molto diversi nel mondo reale, afferma Mehmet Fatih Yanik , un assistente professore presso il Laboratorio di Ricerca di Elettronica al MIT. La cosa bella della carta è che è una piattaforma molto flessibile per condurre una varietà di analisi. Aggiunge che realizzare dispositivi microfluidici come quello del gruppo Whitesides è molto più economico rispetto alla produzione di macchine diagnostiche di massa. La combinazione dei due sistemi a basso costo - la fluidica cartacea e i telefoni cellulari, che sono abbastanza onnipresenti nei paesi in via di sviluppo - è un'idea nuova, afferma Yanik.
Porta davvero uno strumento che avrà un grande impatto sull'implementazione della microfluidica, una tecnologia che di solito richiede molto hardware ed esperienza per essere utilizzata, afferma Folch. Hanno abbassato la barriera e sono in grado di portare la microfluidica alle masse, per così dire.