Medische analyses vereisen de modernste laboratoria en het werk van deskundigen. Verschillende stoffen moeten worden verwerkt met complexe apparatuur, dure chemicaliën en veel deskundig personeel. Aan de Johannes Kepler Universiteit (JKU) in het Oostenrijkse Linz weten ze dat er een andere manier is. Hier ontwikkelden de wetenschappers al diverse “lab-on-a-chip”-platforms. Voorbeelden zijn een zwangerschapstest en een corona-sneltest. Met lab-on-a-chip kunnen de analyses rechtstreeks op de plaats van behandeling, dat wil zeggen bij de patiënt, worden uitgevoerd. De Corona-pandemie heeft onlangs aangetoond dat dit voordelig is. Maar de ontwikkeling en productie van deze mini-labs is tijdrovend. Dat kan anders, vinden Oostenrijkse wetenschappers.
Trial & Error
Er is ook dringend behoefte aan “lab-on-a-chip”-oplossingen op het gebied van kankeronderzoek en besmettelijke ziekten. Deze zijn vooral nodig op plekken met een slechte gezondheidszorg, zoals in ontwikkelingslanden. Maar de ontwikkeling van chiplabs gaat gepaard met kostbare en complexe ontwerp- en fabricageprocessen. Bovendien moeten de gebruikte stoffen en chemicaliën met de juiste druk in de chip worden geïnjecteerd en moeten processen zoals mengen, verhitten of incuberen op precies het juiste moment worden gestart. Aangezien de processen in het microlitergebied worden uitgevoerd, leiden zelfs de kleinste afwijkingen tot defecte chips. Ontwerp en productie slagen daarom vaak alleen door langdurige trial-and-error-procedures.
Ook interessant: Delta Diagnostics versnelt de ontwikkeling van tests om ziekten te herkennen
Bovendien moet een laboratorium op een chip soms volledig opnieuw worden ontworpen, zelfs wanneer afzonderlijke bewerkingen van tests worden gewijzigd. “Dit komt doordat veel medische tests op details verschillen, zoals een iets andere incubatietijd”, legt professor Robert Wille uit, leider van het consortium en hoofd van het Instituut voor Geïntegreerde Circuits aan de Johannes Kepler Universiteit in Linz en wetenschappelijk directeur van het Software Competence Center Hagenberg.
Microfluïde systemen
Als je het ontwerp van het lab op een chip wilt vereenvoudigen, moet dus ook het microfluïde systeem simpeler worden. Dat kan door ontwerpautomatisering met gebruikmaking van de wetten van de microfluïdica. Hierbij wordt aangenomen dat vloeistoffen en gassen zich in de kleinste ruimte anders gedragen dan macroscopische vloeistoffen. Omdat effecten kunnen overheersen op de kleinste schalen die in de klassieke vloeistofmechanica vaak worden verwaarloosd. Aan de Johannes Kepler Universiteit wordt al vele jaren onderzoek gedaan naar microfluïdica. Hierbij zijn wetenschappers uit verschillende disciplines betrokken – waaronder mechatronica-ingenieurs, natuurkundigen en computerwetenschappers. Het onderzoek naar het ontwerp en de simulatie van overeenkomstige chips is ongeveer zes jaar geleden begonnen. Het doel is een proces te ontwikkelen waarmee de laboratoriumprocedure kan worden overgebracht in overeenkomstige “lab-on-a-chip”-ontwerpen. Idealiter met een druk op de knop. Op basis van dit proces is het de bedoeling om vervolgens de fabricage van dergelijke systemen op grote schaal uit te voeren.
Berekeningen en simulaties
Als voorbeeld gelden de klassieke computerchips, die ook zeer complexe eenheden hebben met soms miljoenen of zelfs triljoenen componenten. Denk daarbij aan transistors, die onder meer correct moeten worden geplaatst en aangesloten. Niettemin zijn er reeds talrijke automatische methoden ontwikkeld die het mogelijk maken deze chips met een druk op de knop te realiseren. Het consortium wil nu soortgelijke methoden ontwikkelen voor de chiplaboratoria.
“De basis hiervoor is bekend. Uit fundamenteel onderzoek weten we hoe vloeistoffen zich gedragen in microfluïdische systemen. Dus bijvoorbeeld hoe ze door kanalen worden gepompt, hoe ze zich mengen als ze vertakken, hoe lang ze door meanders stromen, enzovoort”, legt professor Wille uit. Maar om deze processen te beschrijven zijn complexe wiskundige beginselen nodig en efficiënte computerprogramma’s die het gedrag berekenen en simuleren.
Simulatie heeft het voordeel dat mogelijke fouten reeds op het scherm worden ontdekt. Dit betekent dat de ontwerpen niet eerst hoeven te worden geproduceerd om ze te kunnen aanpassen. In een volgende stap kunnen op basis hiervan ook methoden en instrumenten worden ontwikkeld die met een druk op de knop automatisch althans delen van het ontwerp genereren.
Constructie van het instrument
Wat de constructie van het instrument betreft, worden verschillende mogelijkheden onderzocht. Voor eenvoudiger systemen is het voldoende om bepaalde parameters te specificeren. Zoals de breedte en lengte van de kanalen, de geometrie van het systeem, het type van de gebruikte vloeistoffen, enz. Voor meer gecompliceerde systemen moeten eerst vrij concrete tekeningen van het systeem worden gespecificeerd. Wille: “Het voordeel van een simulatie is hier echter al duidelijk, omdat je snel kunt testen of je eigen ontwerp werkt, snel veranderingen kunt uitproberen en fouten kunt corrigeren.” Op die manier kunnen de ontwerp- en productiewerkzaamheden worden teruggebracht van enkele maanden tot enkele dagen.
Automatisch ontwerp
In de toekomst zullen volledige ontwerpen van microfluïdische systemen automatisch worden gegenereerd. Gewoon door de gewenste bewerkingen op te geven: vloeistoffen moeten worden gemengd, monsters moeten gedurende een bepaalde tijd worden geïncubeerd, enzovoort. Medische professionals zijn niet langer nodig voor het lab-op-een chip. Het zijn veeleer de ingenieurs die de afzonderlijke stappen op de chip berekenen. Dit maakt het gemakkelijker om verdere medische analyses en onderzoeken van het laboratorium rechtstreeks bij patiënten in te zetten. Wille: “Dit maakt het niet alleen mogelijk om deze technologie kosteneffectief te gebruiken voor tal van andere toepassingen, maar ook om snel te reageren op nieuwe uitdagingen, zoals tests voor nieuwe virusvarianten.”
