Když pevné hranice stvoří zázraky: nová éra mikrofluidiky

Na první pohled se sice může zdát, že kapalina se musí chovat vždy stejně bez ohledu na to, do jak malého prostoru ji uzavřeme. Ano, když budeme porovnávat vodu ve vaně a v koupališti, žádné významné rozdíly nezjistíme. Jakmile však kapalinu uzavřeme do objemu mikrometrického či ještě menšího, její chování se docela změní. Nad jejími objemovými vlastnostmi totiž převládnou vlastnosti povrchové. K těm patří například povrchové napětí, které známe i z běžného života: díky němu vznikají vodní kapky, na hladině se udrží drobný hmyz (bruslařka obecná neboli vodoměrka po ní dokonce chodí) apod. Jde však jen o slabší projevy možností kapalin.

Obr. 1: Rozdíl mezi prouděním kapaliny za běžných okolností a v mikrokanálcích

Když kapalina proudí, jedná se většinou o proudění turbulentní, při němž se částice pohybují v různých směrech. U velmi viskózních kapalin (např. medu) a rovněž v mikrofluidice se však setkáváme se specifickým „přímým“ (tzv. laminárním) prouděním. Zatímco ale u medu hraje zásadní roli extrémně pomalý tok, mikrofluidní kapaliny takto využívají omezeného prostoru, a proto dokáží laminárně téct i větší rychlostí. Toho se dá dobře využít v aplikacích, kde je nutná velká přesnost, jako např. při výrobě léků, při analýze šroubovitých molekul DNA (obr. 2) a RNA¹  či při testech k detekci nemocí. 

Obr. 2: Schéma šroubovitého tvaru tří stejných molekul DNA

Při testování na virové infekce, např. na hepatitidu B nebo na covid-19, se vzorek odebraný od pacienta nasaje do mikrokanálků a tam je zahřán a následně zchlazen, aby se uvolnila část DNA či RNA viru. Ta se pak nakopíruje (obr. 3), aby virus mohl být detekován a určen. Takto fungují i tzv. PCR testy. A právě v mikrofluidním zařízení díky malému objemu kapaliny proběhne její zahřátí a ochlazení mnohem rychleji než při užití tradičních metod, čímž se výrazně zkrátí doba celého testu. Při PCR testech navíc mikrofluidní kanály automatizují proces přípravy a kopírování vzorků DNA či RNA, a tím se snižuje riziko jejich kontaminace a zároveň odstraňuje nutnost ruční manipulace s nimi, která může být časově náročná a náchylná k chybám.

Obr. 3: Zjednodušené schéma nakopírování molekul DNA viru hepatitidy B pomocí metody PCR

Celkově lze říct, že velkou výhodou mikrofluidiky je její přesnost, rychlost zjištění přítomnosti viru a nízká cena díky malému množství spotřebního materiálu použitého k analýze. Navíc pro test využívající mikrofluidiky stačí odebrat pacientovi jen minimální množství vzorku např. krve. Pro medicínu se proto mikrofluidika stává stále zajímavější.

¹ Molekula DNA nese genetický kód a najdeme ji v buněčném jádře. RNA slouží k tomu, aby podle genetického kódu probíhala výstavba těla organismu.