Kategoriler
Teknoloji

Mikroakışkan: Çevremizi saran minik, güzel teknoloji

Mikro veya nanoteknolojiyi düşündüğünüzde telefonu, küçük bir robotu veya mikroçip gibi küçük elektronik cihazları düşünürsünüz. Ancak pandemiyi kontrol etmede merkezi öneme sahip COVID-19 testleri bile minyatür bir teknoloji ürünü. Bu testlerin laboratuvara numune göndermeye bile gerek kalmadan saatler içinde sonuç vermesini sağlayan teknoloji mikroakışkandır. İnsan vücudunun her köşesi mikroakışkandır. Her hücreye besin, oksijen ve sinyal molekülleri taşıyan karmaşık kılcal kan damarları olmasa doğamaz veya işlev göremezdik.

Mikroakışkan nedir?

Mikroakışkan çip üretimi
Mikroakışkan çip üretimi.

Hamilelik testlerinden glikoz şeritlerine, mürekkep püskürtmeli yazıcılara ve genetik testlere kadar her şey mikroakışkanlara dayanıyor. Birçok insanın bilmediği bu teknoloji modern dünyadaki birçok şeyde kritik öneme sahip.

Çok az miktarda sıvıyı işleyen her cihaz mikroakışkandır. Bu sistemde sıvılar bir saç telinden daha ince kanallardan geçer ve akış küçük vanalar ile açılıp kapatılabilir. Bu vanalar cam, polimer, kağıt veya jel gibi bir malzemeden yapılır. Sıvı mekanik bir pompayla taşınabilirken başka bir yol belirli malzemelerdeki kimyasal yüzey yükünü kullanmaktır. Daha yaygın olarak kullanılan yöntemse fitilleme olarak bilinen kılcal hareket oluyor. Fitilleme, sıvı içinde depolanan enerjinin sıvıyı dar boşluktan geçirmesi işlemidir.

Nasıl çalışır?

Bir mikroakışkan cihaz bir pompa ve bir çip ile çalışır. Pompa sıvıyı çipin içinde 1 μL/dakika ila 10.000 μL/dakika (1 ml=1000.00 µL) hızında hassas şekilde hareket ettirebilir. Küçük bir damla su 10 mikrolitredir (μL). Çipin içinde karıştırma, kimyasal veya fiziksel reaksiyon gibi sıvının işlenmesini sağlayan mikroakışkan kanallar vardır. Sıvıda hücre veya nanopartikül gibi küçük parçacıklar olabilir. Bu kontrollü akış mikroakışkan cihazın sıvıdaki parçacıkları işlenmesini sağlar. Örneğin, kandaki normal hücrelerin arasından kanser hücrelerini yakalaması ve toplaması gibi.

İLGİLİ:  İnsülin direnci nedir ve insülin nasıl çalışır? İnsanlar için önemi

Yeterince küçük ölçeklere indiğinizde sıvılar garip davranmaya başlar. Tıpkı bazılarının nano ölçekte katı davranışına sahip olması gibi. Ancak mikroakışkan cihazlar ile çok kısıtlı hacimdeki bir mikro kanalda bulunan sıvılar buradan muazzam derecede istikrarlı şekilde akıtılabiliyor. Böyle bir sistemdeki sıvıların düzenli ve paralel şekilde kanaldan aşağı akıtılmasına laminer akış deniliyor. Laminer akış, mikroakışkan sistemlerin en büyük harikalarından biri. Laminer akıştaki sıvılar ve parçacıklar, matematiksel olarak tahmin edilebilir yolları izliyor. Bu hesaplamalar hassas mühendislik ve tıbbi cihaz tasarımını mümkün kılıyor.

Renkli sıvılar sol alttan girer ancak tek bir kanaldan geçmelerine ve sağ üstten çıkmalarına rağmen laminer akış sayesinde nispeten karışmamış halde kalırlar.
Renkli sıvılar sol alttan girer ancak tek bir kanaldan geçmelerine ve sağ üstten çıkmalarına rağmen laminer akış sayesinde nispeten karışmamış halde kalırlar.

Doğadan ilham alındı

Araştırmacılara ilham veren bu süreçler aslında doğada binlerce yıldır var. Bitkilerin besinleri köklerinden en yüksek dallara kadar taşıması kendiliğinden çalışan mikroakışkan devrelerin ilham kaynağı oldu. Kimyagerler, yağmur damlalarının fiziksel özelliğini taklit ederek bir numuneyi milyonlarca damlaya bölen ve baş döndürücü hızlarda analiz eden cihazlar tasarladılar. Her bir damlacık kimyagerlerin biyomoleküllerin evrimini incelemesini ve süper hızlı genetik analiz yapmasını sağlayan küçük bir kimyasal laboratuvara dönüştü.

İnsan vücudunun her köşesi mikroakışkandır. Her hücreye besin, oksijen ve sinyal molekülleri taşıyan karmaşık kılcal kan damarlar olmasa doğamaz veya işlev göremezdik.

Mikroakışkanın kullanım alanları

Mikro elektronikte olduğu gibi, mikroakışkanda da boyut önemli. Bileşenler küçüldükçe cihazlar küçük ölçekli sıvıların sergilediği alışılmamış özelliklerden yararlanır hale geliyor. Bu küçük bileşenler daha hızlı ve daha verimlidir ve üretimleri ucuzdur. Mikroakışkan devrimi özellikle elektronikler üzerinde bir süredir sessizce ilerliyor.

İLGİLİ:  Dünyanın en uzun yaşayan insanları Okinawalılar ve sırları

Mikroakışkan cihazların bir diğer önemli yararı, yalnızca çok az miktarda sıvı gerektirmesi ve bu nedenle boyutlarının çok küçük olabilmesidir. NASA uzun süredir Mars gezicileri için mikroakışkan analizör yapmayı planlıyor. İnsan kanı gibi değerli sıvıların analizi de küçük numuneler kullanma olanağından geliyor. Örneğin şeker ölçüm cihazları mikroakışkan aletlerdir. Şeker hastasının kan şekerini ölçmesi için sadece bir damla kan kullanır.

Teknoloji, biyoloji ve tıpta mikroakışkanlar

Bir mikro kanalda üç mikro vana. Turuncu kanala giden birinci ve üçüncü vana kapalıdır.

Mikroakışkanları farkında olmadan hayatımızda oldukça sık kullanıyoruz. Mürekkep püskürtmeli yazıcı küçük mürekkep damlacıklar ile çalışır. 3D yazıcı erimiş polimeri mikroakışkan ağızlıktan sıkar. Dolma kalemdeki ve tükenmez kalemdeki mürekkep mikroakışkan prensiple akar. Astım hastaları için sunulan nebulizatör, mikroskobik ilaç damlacıkları püskürtür. Hamilelik testi mikroakışkan bir kağıt şerit içindeki idrar akışına dayanır.

Bilimsel araştırmalarda kullanılan mikroakışkanlar sayesinde ilaç, besin veya herhangi bir sıvı organizmanın çok özel bölümlerine gönderilerek biyolojik süreçleri kesin bir şekilde simüle etmek mümkün oluyor.

Örneğin, araştırmacılar solucanları küçük kanallara hapsetmiş ve sinir devreleri hakkında bilgi edinmek için onları kokuyla uyarmıştır. Başka bir ekip büyüme kimyasallarına karşı verilen tepkiyi gözlemlemek için besinleri bitki kökünün belirli alanlarına yönlendirmiştir. Diğer gruplar ise kandaki nadir tümör hücrelerini fiziksel olarak yakalayan mikroakışkan tuzaklar tasarlamıştır. Çok sayıda mikroakışkan genetik çip, insan genomunu hızla sıralama ve 23andMe gibi kişiselleştirilmiş DNA testlerini gerçeğe dönüştürme imkanı sunuyor. Mikroakışkan teknolojisi olmadan bunların hiçbiri mümkün olmazdı.

İLGİLİ:  Uzun süreli oturmak sağlık sorunlarını artırıyor: Harekete geçin

Mikroakışkanların geleceği

Bu bir "çip üzerinde tümör" cihazıdır ve tümör örneklerinin yerleştirildiği her kuyuda merkeze pompalanan farklı bir ilaç bulunur. (Rodriguez and Albert Folch, CC BY-ND)

Mikroakışkanlar ile tıp yeni, hızlı tempolu, uygun fiyatlı bir çağa adım adıyor. Egzersiz takibi için ter içindeki maddeleri ölçen giyilebilir cihazlar ve hastanın tümörüne lokal şekilde kanser ilacı ileten implante edilebilir cihazlar, biyomedikal mikroakışkanların bir sonraki çığır açıcı örnekleri arasında.

Araştırmacılar, insan fizyolojisinin çeşitli yönlerini simüle etmeyi amaçlayan ve çip üzerinde organ denilen (mobil cihazlarda kullanılan çip üzerinde sistem (SoC) devresiyle çağrışım yapar) karmaşık, büyüleyici mikroakışkan çip sistemler geliştiriyor. Dünyadaki birçok laboratuvardan ekipler kanser ilaçlarını verimli şekilde test etmek için çip üzerinde tümör platformları geliştiriyor. Hasta avatar'ı denilen bu sistem ile bilim insanları yeni tedavileri hayvan veya insanda denemenin maliyeti, acısı ve etik sorunları olmadan test etme imkanı bulacak.

Bu işlemde bilim adamları kanser hastasından alınan bir tümör biyopsisini binlerce mikroskobik parçaya ayırıyor ve canlı tutuyor. Mikroakışkanların küçük boyutundan yararlanarak her tümör parçasını farklı 'kuyuda' tutuyor ve her kuyuya bir ilaç uyguluyor. Bu işlem tümörün uygun hücresel ortamını korumayı ve bir ilacın belirli bir kişi için nasıl çalışacağını doğru şekilde tahmin etmeyi sağlıyor.

Doktora gittiğinizi, biyopsi alındığını ve mikroakışkan cihaz kullanımı ile bir haftadan kısa sürede doktorun tümörünüzü tedavi etmek için hangi ilaç karışımının en iyi sonucu verdiğini bulabildiğini hayal edin. Bu imkan gelecekte gizli ve bildiğimiz şeyse geleceğin mikroakışkan olduğu.

Yazar Berkay Alpkunt

Coğrafya ve astronomi üzerine geniş kapsamlı içerikler hazırlıyor. Diğer ilgi alanları canlı hayatı, bilim tarihi ve ülkeler olarak sıralanır. Aynı zamanda bağımsız video oyunlarına ilgilidir.