اختصاصی بسپار/ میکروسیال‌ها: کاربردها و چالش‌ها در صنایع مختلف و افق‌‌‌های آینده
گروه ترجمه و تولید محتوا در بسپار/ایران پلیمر میکروسیال‌شناسی (Microfluidic)، در واقع بررسی سامانه‌هایی با ابعاد کوچک و دارای قابلیت انجام وظایف مختلف در فضای محدود هستند که در صنایع مختلف کاربرد دارند. این سامانه‌‌ها از اجزا و فناوری‌های میکرونی تشکیل شده‌اند. این اجزا شامل موادی مانند سیلیکون، شیشه، بسپار و فلزات می‌‌باشد که با استفاده از فناوری‌های ریزساخت (Microfabrication) و ریزسیالسازی برقی (Electro-Microfluidization) برای طراحی ساختارهای میکرومتری مانند کانال‌ها، محفظه‌ها و چاه‌ها ایجاد می‌شوند و در صنایع مختلف مورد استفاده قرار می‌گیرند. ریزساخت شامل چاپ سنگی یا لیتوگرافی نوری (Photolithography)، قالب‌گیری، حکاکی (Etching)، نقشکوبی (Embossing) و چاپ سه‌‌بعدی می‌‌باشد و ریزسیالسازی برقی، سامانه‌ای با استفاده از جریان الکترواسمزی (Electroosmotic) که عبور حلاّل خالصی را از غشای نیمهتراوایی که دو ناحیه از محلولی با غلظت‌های متفاوت را از هم جدا کرده است، ارایه می‌دهد. این مقاله به معرفی، توضیح مفاهیم، اجزای اصلی تشکیل‌‌دهنده‌‌ی میکروسیال‌ها، روش‌های ساخت آنها، کاربردهای صنعتی و نقاط قوت و ضعف آنها می‌پردازد. در مقدمه، مفهوم میکروسیال‌ها و اهمیت آنها برای صنایع مختلف معرفی می‌شود. در بخش مفاهیم و اجزا اصلی میکروسیال‌ها، ساختار و عناصر اصلی آنها از جمله لایه‌های مختلف، ریزحسگرها و اتصالات مورد بررسی قرار می‌گیرند. هم‌‌چنین، به توضیح روش‌های ساخت میکروسیال‌ها از جمله چاپ سنگی نوری و الکترومیکروسیال‌‌سازی پرداخته می‌شود. سپس، در بخش کاربردهای صنعتی میکروسیال‌ها، به تفکیک، کاربردهای مختلف آنها در صنایعی مانند ساخت حسگرهای فشار، لرزش‌سنج‌ها و شتاب‌سنج‌ها، تراشه‌های حسگر زیستی و سامانههای سوانگاری (Chromatography) گاز و مایع مورد بررسی قرار می‌گیرند. در بخش نقاط قوت و ضعف میکروسیال‌ها، به بررسی مزایا و معایب این سامانه‌‌ها پرداخته می‌شود. از جمله نقاط قوت میکروسیال‌ها می‌توان به ابعاد کوچک، دقت بالا، عملکرد سریع و مصرف کم انرژی اشاره کرد. اما در عین حال، ضعف‌هایی مانند قابلیت تولید پیمانه‌‌ای، حساسیت به خرابی و هزینه‌‌ی بالای طراحی و ساخت آنها نیز وجود دارد. در آینده، انتظار می‌رود میکروسیال‌ها با توسعه مواد جدید، ادغام فناوری‌های بی‌سیم، قابل حمل و توسعه کاربردهای پزشکی و سامانههای خودکار، نقش مهمی در صنایع مختلف ایفا کنند. از طریق تحقیقات و نوآوری‌های آینده، امکان بهبود عملکرد و کاربردهای میکروسیال‌ها وجود دارد و این فناوری به یکی از پیشرفت‌های کلیدی در صنایع مختلف تبدیل خواهد شد.
مقدمه و تاریخچه میکروسیال‌ها
سازوکار این چاپگرها مبتنی بر سامانههای میکروسیال است. این شامل استفاده از لوله‌های بسیار کوچکی است که جوهر را برای چاپ حمل میکنند. در دهه 1970 یک سوانگاری گازی کوچک روی یک ویفر سیلیکونی ساخته شد. در اواخر دهه 1980، اولین میکرودریچه‌ها و میکروپمپ‌های مبتنی بر ریزماشین‌کاری سیلیکونی نیز عرضه شد. در سال‌های بعد چندین سامانه تجزیه و تحلیل مبتنی بر سیلیکون عرضه شد (شکل 1). همه این مثال‌ها سامانههای میکروسیال را نشان می‌دهند، زیرا آنها کنترل دقیق کاهش حجم سیال را از یک سو و کوچک‌سازی اندازه یک سامانه گذار سیال را از سوی دیگر، امکانپذیر می‌سازند.
با گذشت زمان، محققان زمان زیادی را صرف توسعه اجزای میکروسیال جدید برای گذار سیال، اندازه‌گیری دبی جریان سیال، اختلاط مایعات، دریچه‌سازی، یا تمرکز و جداسازی مولکول‌ها در مقادیر کوچک سیالات کردند. به عنوان مثال، در سال 2006، شرکت Fluigent اولین شرکتی بود که یک روش مختل‌کننده جدید برای جابه‌‌جایی سیالات در میکروسیال‌ها تحت عنوان پمپ‌های فشار میکروسیال معرفی کرد. استفاده از یک پمپ مبتنی بر فشار، صرف زمان کوتاه، بسیار پاسخگو و جریان بدون تَپ (pulse) را امکانپذیر می‌کند. در ابتدا فقط می‌توانست فشار مایعات را در تراشه‌های میکروسیال کنترل کند، اما سپس با افزودن یک حسگر جریان و یک حلقه کنترل بازخورد منحصر به فرد، شرکت Fluigent کنترل فشار و سرعت جریان را فعال کرد. کنترل دقیق مایعات در یک دستگاه میکروسیال، کاربردهای پیچیده جدیدی را امکانپذیر می‌کند که قبلا امکانپذیر نبود. کمک مهم دیگر توسعه چاپ سنگی یا لیتوگرافی نرم (Soft Lithography) در بسپار پلی‌‌دی‌متیل سیلوکسان (PDMS) به عنوان روشی برای ساخت دستگاه‌های نمونه اولیه و آزمایش ایده‌های جدید بوده است.
مفهوم کلیدی مربوط به میکروسیالات، ادغام در یک سامانه ساده در اندازه میکرومتری است که معمولا به یک آزمایشگاه کامل تحت اصطلاح کاربردی آزمایشگاه روی تراشه (Lab-On-Chip) نیاز دارند. در حال حاضر، در سامانههای میکروسیال، به لطف اندازه جمع و جور دستگاه که زمان از طراحی ترکیب تا تولید طول می‌کشد، به‌طور چشم‌گیری کوتاه‌تر می‌شود. این منجر به پذیرش فناوری‌های میکروسیال نه تنها برای اهداف تحلیلی، بلکه برای تولید در مقیاس بزرگ در صنایع فرایندی، به ویژه شیمی، مواد غذایی، محیط‌زیست و داروسازی می‌شود. هم‌‌چنین سامانههای میکروسیال کیفیت داده عالی و بهبود کنترل عوامل را فراهم میکنند که امکان خودکارسازی فرایند را در عین حفظ عملکرد فراهم می‌کند. آنها ظرفیت پردازش و تجزیه و تحلیل نمونه‌ها را با دست زدن به نمونه جزئی دارند. ارتباط تراشه میکروسیال و سامانه جابه‌‌جایی سیال به گونه‌ای توضیح داده شده است که تنظیم‌کننده‌ی خودکار گنجانده شده، به کاربر اجازه می‌دهد تا واکنش‌های چند مرحله‌ای را تولید کند که به سطح پایینی از تخصص و قابلیت‌های زیادی نیاز دارد. اخیرا تعداد فزاینده‌ای از دستگاه‌های مبتنی بر میکروسیال، که هم در شرکت‌های کوچک نوپا و هم در شرکت‌های بزرگ دارویی و زیست‌پزشکی توسعه یافته‌اند، عرضه شده‌اند و در حال ورود به بازار هستند.
مولف: مهتاب قاسمی تودشکچوئی
[email protected]
(ادامه دارد …)
متن کامل این مقاله را در شماره 250 ماهنامه بسپار که در نیمه مردادماه 1402 منتشر شده است، می خوانید.
در صورت تمایل به دریافت نسخه نمونه رایگان و یا دریافت اشتراک با شماره های ۰۲۱۷۷۵۲۳۵۵۳ و ۰۲۱۷۷۵۳۳۱۵۸ داخلی ۳ سرکار خانم ارشاد تماس بگیرید. نسخه الکترونیک این شماره از طریق طاقچه و فیدیبو قابل دسترسی است.
