Das Schlüssellabor führte eine Literaturrecherche durch

Feb 29, 2024

Beijing Institute of Technology Press Co., Ltd

Bild: Aktive Mikroventile und passive Mikroventile in Mikrofluidik-Chips. (A) Typische Struktur eines aktiven Mikroventils: Schiebearm. PDMS-Strukturen enthalten einen Führungskanal und einen Fluidkanal und wurden an eine planare PDMS-Oberfläche gebunden. (B) Funktionsprinzip des Quetschventils. (C) Funktionsprinzip des Phasenwechsel-Mikroventils. (D) Funktionsprinzip des Heißblasen-Mikroventils.mehr sehen

Bildnachweis: Raumfahrt: Wissenschaft und Technologie

Die Nutzung der Weltraumumgebung zur Durchführung biowissenschaftlicher Forschung ist von großer Bedeutung für Fragen, die das Auftreten und die Entwicklung von Leben auf der Erde durch Raumfahrt und Weltraumumgebung beeinflussen. Es gibt jedoch Einschränkungen bei komplexen Manipulationen, Forschungsmodellen, die auf Säugetier- und 2D-Zellkulturexperimenten usw. basieren. Mikrofluidik-Chips, auch bekannt als „Lab-on-Chip (LOC)“, integrieren die damit verbundenen Funktionen traditioneller Labore auf Mikrometerebene -Level-Chip mit geringem Energieverbrauch, hohem Durchsatz und Automatisierung, der einen langfristigen experimentellen Betrieb sowie die Datenaufzeichnung und -übertragung aus der Ferne realisieren kann und so die Herausforderungen von Weltraumumgebungen, die knappen experimentellen Ressourcen und die Probleme des unbemannten Betriebs für einige meistert Ausmaß. Um entsprechende Forschung mit Mikrofluidik-Chips durchzuführen, sind die Ansteuerung und Steuerung der Mikrofluidik sehr wichtig. In einem kürzlich in Space: Science & Technology veröffentlichten Übersichtsartikel diskutierten und fassten Forscher des Beijing Key Laboratory for Separation and Analysis in Biomedicine and Pharmaceuticals, School of Life Science, Beijing Institute of Technology, den Fortschritt mikrofluidisch betätigter und gesteuerter Systeme umfassend zusammen und fassten ihn zusammen die möglichen Anwendungen und Herausforderungen in der Weltraumwissenschaft.

Zunächst wird die aktuelle Entwicklung mikrofluidisch angesteuerter und gesteuerter Technologien zusammengefasst. Im Mikrofluidikchip werden Mikropumpen, die die Rolle der Übertragung und Verteilung des Flüssigkeitsflusses spielen, hauptsächlich in zwei Kategorien unterteilt: die mechanische Mikropumpe (die auf eine Struktur des Chips einwirkt) und die nichtmechanischen Mikropumpen (die die Flüssigkeit direkt antreiben). Mechanische Mikropumpen übertragen und steuern Mikroflüssigkeiten durch mechanisch bewegliche Teile. Vertreter davon sind Membran-Mikropumpen, Kolben-Mikropumpen, Planetengetriebe-Mikropumpen, pneumatische Mikropumpen, elektrische Mikropumpen, piezoelektrische Mikropumpen und optisch angetriebene Mikropumpen Filmverformung und Sprödigkeit, komplexer Herstellungsprozess, hohe Kosten, schlechte Zuverlässigkeit und schwierige Integration. Nichtmechanische Mikropumpen beruhen auf verschiedenen physikalischen oder chemischen Effekten, um einen Teil der nichtmechanischen Energie in kinetische Energie umzuwandeln, um die Flüssigkeit anzutreiben. Vertreter davon sind die elektroosmotische Mikropumpe, die magnetohydrodynamische Mikropumpe, die Mikropumpe vom Blasentyp, die Kapillarmikropumpe und die akustische Oberflächenwelle (SAW). ) Mikropumpe, die während der Herstellung ein gewisses Maß an Stabilität aufweist, aber komplexe Antriebsschaltungen, externe Ausrüstung und zusätzliche Leistung während des Betriebs erfordert. Das Mikroventil ist ein Schaltelement zur Steuerung des Flüssigkeitsflusses, das sich normalerweise vor dem Einlassknoten und Kanalknoten des Systems befindet. Mikroventile werden hier in aktive Ventile und passive Ventile unterteilt. Das aktive Ventil beruht nicht auf der Umwandlung von Energie, sondern wirkt direkt auf den Schalter der Flüssigkeit, wie zum Beispiel die Schiebewand- und Quetschventile. Das passive Mikroventil wird hauptsächlich durch die Aktionsfrequenz der Pumpenkammer beeinflusst, um die Strömungsrichtung und den Druck der Flüssigkeit zu steuern, wie z. B. Phasenwechsel-Mikroventile, Heißblasen-Mikroventile und Magnetflüssigkeits-Mikroventile. In den letzten Jahren wurde der Kombination verschiedener Methoden zunehmend Aufmerksamkeit geschenkt, um die Mängel eines einzigen Mechanismus zu überwinden, der auf mikrofluidischer Betätigung oder Steuerung basiert.

Anschließend wurden kurz Anwendungen von Mikrofluidik-Chips oder -Systemen unter den simulierenden räumlichen Bedingungen oder in einem bestimmten Luft- und Raumfahrtbereich diskutiert. Unter simulierter Mikrogravitation haben Michel et al. zeigten, dass die Ganzglas-LOC-Plattform erfolgreich für die Kultivierung menschlicher Keratin-bildender Zellen und Hautmelanomzellen eingesetzt werden kann, Yang et al. feststellten, dass im frühen Stadium der Samenkeimung die Wachstumsfaktorreaktion nach der Samensuspension deutlich reduziert war, erstellten Wang et al. eine Analyse der Schwerelosigkeitsschäden an Cryptobacterium hidradenum und Yew et al. entwickelte ein LOC-Klinorotationssystem, um den Bedarf an kurzfristiger Verfolgung zellulärer Reaktionen und der Schaffung dynamischer Fluidumgebungen zu decken. Einige Länder haben sukzessive Forschungsprojekte im Bereich der Weltraumlebenswissenschaften durchgeführt, die auf mikrofluidischen Chips basieren, wie die STS-116-Mission (Start des ersten Mikrochips, der gramnegative Bakterien im Weltraum nachweisen kann), die Raumsonde „Foton-M3“ (Low- Erdumlaufbahntests), rHEALTH (Entwurf eines wiederverwendbaren mikrofluidischen Chipgeräts zur Überwachung der Gesundheit von Astronauten bei langen Flügen im Weltraum), CubeSat (eine bedeutende Validierung nicht nur von LOC-Systemen, sondern auch von Miniaturzentrifugen mit variablem g, die im frei fliegenden CubeSat betrieben werden ), das erste von den National Institutes of Health finanzierte Weltraum-Organ-on-Chip, BioSentinel (ein Beispiel für autonome bioanalytische Mikrosysteme) und die modulare Lab-Chip-Nutzlast von ISRO. Mittlerweile betreibt das Forschungsteam seit mehr als 10 Jahren biowissenschaftliche Weltraumforschung auf der Basis von Mikrofluidik-Chips und hat mehrere Weltraumstarts erfolgreich durchgeführt. Zusammenfassend lässt sich sagen, dass die biowissenschaftliche Weltraumforschung hochintegrierte, automatisierte und funktional unterschiedliche Erkennungsplattformen erfordert, und Mikrofluidik-Chips bieten einzigartige Vorteile.

Darüber hinaus wird kurz auf die Anwendungsaussichten von Organ-on-Chip in der Weltraumbiologie eingegangen. Unter menschlichem mikrofluidischem bionischem Organ-on-Chip versteht man ein mehrkanaliges 3D-bionisches mikrofluidisches Zellkulturgerät, das die Aktivitäten, mechanischen Eigenschaften und damit verbundenen physiologischen Reaktionen des gesamten Organs oder Organsystems auf einem kleinen Chip durch Mikroverarbeitung simuliert. Die Entwicklung von Organ-on-Chip geht in Richtung Multi-Chip-Verbindung, hoher Integration und Automatisierung, sodass in mikrofluidischen Systemen betätigte und gesteuerte Systeme eingesetzt werden. Darüber hinaus wurde Organ-on-Chip als revolutionäre biomedizinische Spitzentechnologie von der NASA in den Plan der Internationalen Raumstation aufgenommen.

Abschließend wiesen die Autoren darauf hin, dass mikrofluidisch betätigte und gesteuerte Systeme immer eine zentrale Rolle spielen und ein flexibleres Design geeignetere Werkzeuge für die biowissenschaftliche Weltraumforschung bieten wird.

Referenz

Autor: Yimeng Zhao, Xuefei Lv, Xiaoqiong Li, Nino Rcheulishvili, Yu Chen, Zhe Li und Yulin Deng

Titel des Originalartikels: Microfluidic Actuated and Controlled Systems and Application for Lab-on-Chip in Space Life Science

Zeitschrift: Weltraum: Wissenschaft und Technologie

Zugehörigkeiten: Beijing Institute of Technology

Weltraum: Wissenschaft und Technologie

10.34133/space.0008

Mikrofluidisch betätigte und gesteuerte Systeme und Anwendung für Lab-on-Chip in der Weltraum-Biowissenschaft

9. Februar 2023

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