主要研究室が文献レビューを実施

Feb 29, 2024

北京工業大学出版局

画像: マイクロ流体チップ内のアクティブ マイクロバルブとパッシブ マイクロバルブ。 (A) アクティブマイクロバルブの典型的な構造: スライドアーム。 PDMS 構造には誘導チャネルと流体チャネルが含まれており、平面の PDMS 表面に結合されています。 (B) ピンチバルブの動作原理。 (C) 相変化マイクロバルブの動作原理。 (D) ホットバブルマイクロバルブの動作原理。もっと見る

クレジット: 宇宙: 科学と技術

生命科学研究を実施するための宇宙環境の利用は、宇宙飛行と宇宙環境による地球上の生命の発生と発達に影響を与える問題にとって非常に重要です。 ただし、複雑な操作、哺乳類および 2D 細胞培養実験に基づく研究モデルなどには限界があります。「ラボオンチップ (LOC)」としても知られるマイクロ流体チップは、従来の研究室の関連機能をミクロン単位で統合します。低エネルギー消費、高スループット、自動化を備えたレベルのチップで、長期間の実験運用と遠隔データの記録と送信を実現し、宇宙環境、実験リソースの不足、無人運用の問題を克服します。範囲。 マイクロ流体チップを使用した関連研究を実行するには、マイクロ流体の作動と制御が非常に重要です。 最近『Space: Science & Technology』誌に掲載されたレビュー論文の中で、北京工業大学生命科学院生物医学・製薬の分離・分析北京重点実験室の研究者らは、マイクロ流体駆動および制御システムの進歩について包括的に議論し、要約した。宇宙科学における潜在的な応用と課題。

まず最初に、マイクロ流体の作動および制御技術の現在の開発を要約します。 マイクロ流体チップにおいて、流体の流れの伝達と分配の役割を果たすマイクロポンプは、主に機械式マイクロポンプ（チップの何らかの構造に作用する）と非機械式マイクロポンプ（流体を直接駆動する）の２つに分類される。 機械式マイクロポンプは、機械式可動部品によって微小流体を移送および制御します。代表的なものには、ダイヤフラムマイクロポンプ、ピストンマイクロポンプ、遊星歯車マイクロポンプ、空気圧マイクロポンプ、電気関連マイクロポンプ、圧電マイクロポンプ、および光学駆動マイクロポンプがあり、設計と操作は単純ですが、次のような制限があります。フィルムの変形と脆さ、複雑な製造プロセス、高コスト、低い信頼性、および困難な統合。 非機械式マイクロポンプは、さまざまな物理的または化学的効果に依存して、非機械的エネルギーを運動エネルギーに変換して流体を駆動します。代表的なものには、電気浸透圧マイクロポンプ、磁気流体力学マイクロポンプ、バブル型マイクロポンプ、毛細管マイクロポンプ、および表面弾性波 (SAW) があります。 ) マイクロポンプ。製造中はある程度の安定性がありますが、動作中に複雑な駆動回路、外部機器、追加の電力が必要です。 マイクロバルブは流体の流れを制御するスイッチ要素であり、通常はシステムの入口ノードとチャネルノードの前面に配置されます。 ここでマイクロバルブはアクティブバルブとパッシブバルブに分けられます。 アクティブバルブはエネルギーの変換に依存せず、スライディングウォールやピンチバルブなどの流体のスイッチに直接作用します。 受動マイクロバルブは主にポンプ室の動作周波数の影響を受け、相変化マイクロバルブ、ホットバブルマイクロバルブ、磁性流体マイクロバルブなどの流体の流れ方向と圧力を制御します。 近年、単一のメカニズムに基づいて作動または制御されるマイクロ流体の欠点を克服するために、さまざまな方法を組み合わせることにますます注目が集まっています。

次に、シミュレーション空間条件または特定の航空宇宙下でのマイクロ流体チップまたはシステムの応用について簡単に説明しました。 模擬微小重力下で、Michel et al. Yangらは、全ガラス製LOCプラットフォームがヒトのケラチン形成細胞や皮膚黒色腫細胞の培養にうまく実装できることを示した。 Wangらは種子の発芽の初期段階で、種子懸濁後に成長因子の反応が大幅に低下することを発見し、Wangらはクリプトバクテリウム・ヒドラデナムに対する微重力損傷の解析を構築し、Yewらは同様の解析を行った。 細胞応答の短時間追跡と動的な流体環境の確立の必要性に対処するために、LOC クリノローテーション システムを開発しました。 一部の国では、STS-116ミッション（宇宙でグラム陰性菌を検出できる初のマイクロチップの打ち上げ）、「フォトン-M3」宇宙船（低磁性体）など、マイクロ流体チップに基づく宇宙生命科学の研究プロジェクトが相次いで実施されている。地球軌道試験）、rHEALTH（宇宙での長時間飛行中に宇宙飛行士の健康状態を監視するために使用される再利用可能なマイクロ流体チップデバイスの設計）、CubeSat（LOCシステムだけでなく、自由飛行CubeSatで動作する小型可変g遠心分離機の重要な検証） ）、国立衛生研究所が資金提供した初の宇宙用オルガンオンチップ、BioSentinel（自律型生物分析マイクロシステムの一例）、およびISROのモジュール式ラボチップペイロード。 一方、研究チームは10年以上にわたってマイクロ流体チップに基づく宇宙生命科学研究を実施しており、複数回の宇宙打ち上げに成功している。 要約すると、宇宙生命科学の研究には、高度に統合され、自動化され、機能的に多様な検出プラットフォームが必要であり、マイクロ流体チップには独自の利点があります。