Dawno, dawno temu (prawie dwa lata – jak ten czas leci!) reklamowałem na blogu film z konferencji TED w Bostonie z wykładem George’a Whitesidesa na temat produkowania mini-laboratoriów. Mikroczipy w formie wszelkiej są dzisiaj nierzadkością, ale przykłady podawane przez Whitesidesa były szczególne, bowiem jest jego grupa pionierem jeśli chodzi o stosowanie nietypowych, tanich materiałów do tych urządzeń. A zwłaszcza papieru.
Bo i owszem, jest sztuką sporą miniaturyzacja apartury, która w standardowej formie zajmuje całe laboratorium. Ale jeszcze większą sztuką jest miniaturyzacja takich urządzeń w taki sposób, aby te mikroczipy, mikrolaboratoria, kosztowały grosze – tak aby można je było stosować w krajach nierozwiniętych lub dopiero rozwijających się, które nie mają dużych funduszy na opiekę zdrowotną, ale za to mają mnóstwo chorych.
Grupa Whitesidesa pierwsze trójwymiarowe papierowy czipy (nazwane przez nich microPADami) opisała już cztery lata temu w piśmie PNAS, a ja wspominałem o niej w mojej notce na temat papierowych czipów, w których ważny był pomiar czasu. Tamta publikacja Whitesidesa i jego podopiecznych jest bardzo wyczerpującym i imponującym pokazem tzw. proof-of-principle. Jednak ma jeden podstawowy mankament w kontekście poprzedniego akapitu: mimo tego, że mikroczipy te oparte są na papierze, tanie niesety nie są. Przyczyną tego jest sposób ich przygotowania. Każdy taki trójwymiarowy mikroczip składa się z kilku wartsw papieru. Każda z nich poddawana była fotolitografii, która służy to uzyskania wzoru kanalików i komór, do których wprowadza się próbkę oraz w których zachodzą reakcje testowe. Następnie zaś papier był cięty też nie najtańszą z metod, bo laserem. I na koniec sklejany taśmą dwustroną (tę przynajmniej można dostać w sklepie za parę złotych).
W ostatnich miesiącach ukazały się jednak dwie prace Richarda Crooksa i jego studenta Honga Liu z Uniwersystetu w Teksasie w dwóch renomowanych czasopismach poświęconych chemii analitycznej – JACS oraz Analytical Chemistry – w których badacze opisali znacznie łatwiejszy i znacznie tańszy sposób przygotowania papierowych czipów. Jak powiedział sam Liu, insipracją do ich metody było origami.
Zamiast zatem przygotowywać każdą warstwę mikroczipu oddzielnice, wszystkie są robione na jednej kartce papieru – ograniczając liczbę procesów fotolitograficznych, które trzeba wykonać do produkcji takiego urządzenia do całego jednego. Następnie taki wzorcowy arkusz składa się jak origami (rzućcie okiem na ilustrację poniżej) i zamiast sklejania taśmą umieszcza w małym zaciskowym wielorazowym urządzonku będącym w gruncie rzeczy po prostu metalową klamrą. Następnie przeprowadza się pożądany test dokładnie w taki sam sposób, jak na microPADach opisanych przez grupę Whitesidesa. Kolejna przewaga tych nowych origami mikroczipów (nazwanych przez autorów pracy – niewątpliwie dla odróżnienia od mikroPADów – oPADami) polega na tym, że po zajściu reakcji można czip rozmontować i rozłożyć, po czym obejrzeć go warstwa po warstwie. Oznacza to, że możliwe jest zaprojektowaniu czipów, w których każda warstwa będzie miała jakąś funkcję – będzie odpowiedzialna za jakiś test kolorymetryczny (test, który w odpowiedzi na czynnik zewnętrzny zmienia kolor). W mikroPADach służyły to tego tylko warstwy wierzchnie.
Ale trzeba powiedzieć, że poza składaniem jak origami i pomiarami standardów białkowych w tej pierwszej pracy z zeszłego roku nie działo się nic więcej (nie, żeby to było mało – ale jakby było więcej, to by to była publikacja w Science, a nie JACS, nic JACSowi nie ujmując). Widać jednak, że panowie nie próżnowali – uwzględniając zresztą jak krótki był okres pomiędzy tymi publikacjami podejrzewać można, że gdy pierwsza praca pojawiła się w sieci, druga była już w drodze do wydawcy.
W każdym razie praca, która pojawiła się kilka tygodni temu w chemicznym piśmie Analytical Chemistry jest tą z kategorii, od której spadają skarpetki. Liu bowiem zaprojektował baterię, stanowiącą integralną część mikroczipu, dzięki czemu detekcja jest dokonywana elektrochemicznie (jest to dość powszechny sposób detekcji, ponieważ w porównaniu z metodami optycznymi jest tani i nieskomplikowany). Mikroczip ma być stosowany do analizy próbek moczu – obecne w nim sole aktywują baterię i uruchamiają detektor! Prototyp badał jedynie zawartość glukozy w moczu, jednak możliwości są tutaj niemal nieograniczone – ilość różnego rodzaju badań, które można w ten sposób zminiaturyzować, obniżyć koszt, a przede wszystkim przybliżyć do pacjenta, jest olbrzymia.
Zaś, jak donosi biuro prasowe Uniwerystetu w Teksasie (więc proszę przy tym hypie wziąć na to poprawkę, chociaż jak mówię – jest się czym ekscytować), oparte na origami PADach, z bateriami czy bez, testy diagnostyczne na choroby takie jak HIV czy malaria będą być może kosztować naprawdę niewiele: nawet mniej niż 10 centów za test.
Liu, H., & Crooks, R. (2011). Three-Dimensional Paper Microfluidic Devices Assembled Using the Principles of Origami Journal of the American Chemical Society, 133 (44), 17564-17566 DOI: 10.1021/ja2071779
Liu, H., & Crooks, R. (2012). Paper-Based Electrochemical Sensing Platform with Integral Battery and Electrochromic Read-Out Analytical Chemistry, 84 (5), 2528-2532 DOI: 10.1021/ac203457h
nic prostszego 