Ontwikkeling van een zelfaangedreven microfluïdisch platform voor lap-on-a-chip toepassingen

De constante groei en vergrijzing van de wereldbevolking gaat hand in hand met allerlei ziekten wat een grote kost met zich meebrengt voor de gezondheidszorg. Om deze reden ontwikkelen onderzoeksinstellingen en biofarmaceutische bedrijven wereldwijd nieuwe diagnostische testen die ziekten in een zeer vroeg stadium kunnen opsporen en opvolgen. Dit heeft heel wat toepassingen heeft voor onder meer kanker, infectieziekten en chronische ziekten. Een vroegtijdige diagnose is cruciaal om met een behandeling te kunnen starten vooraleer de ziekte een onomkeerbare fase heeft bereikt. In het geval van chronische ziektes is het eveneens belangrijk om frequent de progressie van de ziekte op te volgen zodat de behandeling kan bijgestuurd worden volgens de noden van de patiënt. Vandaag de dag gebeuren de meeste klinische analyses en onderzoeken in een gecentraliseerde setting, zoals in ziekenhuizen, die een hogedoorvoer en automatisatie kunnen bieden. Hiervoor zijn echter dure apparatuur en hoogopgeleid personeel nodig. Daarnaast is het soms enkele dagen wachten op resultaat, wat een vroege diagnose of frequente opvolging bemoeilijkt. Dit probleem wordt nog belangrijker als we spreken over ontwikkelingslanden waar de toegankelijkheid tot gecentraliseerde laboratoria en infrastructuur gelimiteerd is.

Met het principe van point-of-care testing (POCT) wil men deze problematiek oplossen door analyses dichter bij de patiënt te brengen, met resultaten binnen enkele minuten. Op die manier zou een dokter of de patiënt zelf onmiddellijk actie kunnen ondernemen. Binnen POCT, is er de laatste jaren veel aandacht besteed aan lab-on-a-chip (LOC) systemen: zij integreren verschillende laboratoriumtechnieken (zoals staalvoorbereiding, mixen, verdunnen) op een kleine microfluïdische chip. Als dit alles autonoom en zonder externe apparatuur werkt , zijn LOC systemen de ideale kandidaten voor POCT.

De algemene doelstelling van deze doctoraatsthesis is om binnen dit kader een innovatief, zelfgestuurd LOC microfluïdisch platform te ontwikkelen voor POCT. Meer bepaald zijn de drie deeldoelstellingen van dit doctoraat i) het bestuderen, onderzoeken en verder ontwikkelen van een zelfgestuurd aanzuigplatform genaamd SIMPLE met het oog op point-of-care toepassingen, ii) het ontwikkelen van een innovatieve, zelfgestuurde infusiepomp (iSIMPLE) en iii) het combineren van deze twee concepten met een eigen ontwikkeld microfluïdisch kleppensysteem dat complexe manipulaties van vloeistoffen toelaat.

In het eerste deel van de thesis werd een zelfgestuurde aanzuigpomp (SIMPLE) bestudeerd die werkt op basis van capillaire krachten om vloeistoffen door een microfluïdisch netwerk van kanalen te sturen. Op basis hiervan werd een biosensor ontwikkeld die creatinine (biomarker voor chronische nieraandoening) in bloedplasma detecteert. Hiervoor werd een enzymatisch bio-assay op een SIMPLE chip geïntegreerd met een colorimetrische uitlezing. Deze chip werd getest in klinisch relevante omstandighedenop slechts 5 µL plasma met resultaat binnen de 5 minuten. Ten tweede werd er een slim ontwerptool voor SIMPLE gebaseerde chips ontwikkeld. Hiervoor werd eerst een analytisch model van een SIMPLE pomp afgeleid en gevalideerd, wat later gebruikt werd om de exacte design parameters te bepalen. Hiermee kan een tijdrovende trial-en-error strategie vermeden worden bij het ontwikkelen van specifieke toepassingen (i.e. verschillende bio-assay stappen).

Uiteindelijk werd er een cruciale stap voor POCT, namelijk staalvoorbereiding, geïntegreerd in het SIMPLE device. Aangezien biologische stalen zoals bloed behandeld moeten worden om ze te kunnen analyseren, werd een module geïntegreerd op een SIMPLE chip waarmee plasma uit bloed gescheiden kan worden. Dit systeem maakt gebruik van een SIMPLE pomp en poreus materiaal om plasma te filtreren uit bloed om daarna de verdere analyse te kunnen doen. Dit systeem is daarenboven snel, zelfgestuurd, robuust en de scheidingsefficiëntie benadert die van de standaard gebruikte analytische methoden.

In het tweede deel van de thesis werd een innovatieve, zelfgestuurde infusiepomp (iSIMPLE) ontwikkeld en gekarakteriseerd. Anders dan bij SIMPLE kan de iSIMPLE pomp hoge drukken genereren om vloeistoffen door de kanalen te duwen, iets wat in het algemeen moeilijk haalbaar is met zelfgestuurde microfluïdische toestellen. Deze unieke eigenschappen werden uitgewerkt in een systeem om medicatie toe te dienen. Ex vivo experimenten toonden aan dat iSIMPLE gecombineerd met een dunne naald viskeuze vloeistoffen (i.e. vaccins, medicatie) kan injecteren in een matrix met de eigenschappen van huid op een gecontroleerde en herhaalbare manier.

In het laatste deel van dit werk werden meer complexe manipulaties van vloeistoffen gerealiseerd door de ontwikkeling van een hydrofoob kleppensysteem. Deze veelzijdige, robuuste en eenvoudig te fabriceren super-hydrofobe klep werd gebruikt om i) iSIMPLE activatie foutbestendig te maken, ii) twee SIMPLE pompen te combineren om stalen op te splitsen over twee verschillende kanalen, wat nodig is om multiplex POCT analyses uit te voeren, en iii) SIMPLE en iSIMPLE te combineren om zelfgestuurde manipulaties van vloeistoffen te bereiken, namelijk ‘shuttling’ van vloeistof.

In deze doctoraatsthesis werd het potentieel van de SIMPLE/iSIMPLE-technologie voor POCT aangetoond. Desalniettemin is, zoals voor elke nieuwe technologie, verder onderzoek noodzakelijk om i) nieuwe functies (bv. verwarming op de chip) op de SIMPLE/iSIMPLE-technologie te integreren, ii) dit concept te combineren met robuuste, gevoelige en veelzijdige detectietechnieken (bv. optische vezel surface plasmon resonance, digitale assays) en iii) het therapeutische potentieel te valideren voor het afleveren van geneesmiddelen door middel van in vivo experimenten.