Když pevné hranice stvoří zázraky: nová éra mikrofluidiky

Štítky

Mikrofluidika je extra zajímavá vědecká disciplína, která studuje chování kapalin v malých stísněných prostorách (tzv. mikrokanálcích) – což je něco, co se podstatně liší od našich každodenních zkušeností s kapalinami.

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.

Proudění kapaliny v mikrokanálkách
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. 

Schéma DNA
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.

DNA molekuly viru hepatitidy B
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.