Kastuvinis vanduo

Pietų San Franciske įsikūrusio startuolio „Fluidigm“ pagamintas naujas mikrofluidinis lustas atspindi dešimtmetį nuoseklių išradimų. Šiame nedideliame kempinės polimero kvadrate – to paties tipo, kuris naudojamas kontaktiniams lęšiams ir langų sandarinimui – yra sudėtingas mikroskopinių kanalų, siurblių ir vožtuvų tinklas. Maži skysčio tūriai, pavyzdžiui, iš kraujo mėginio, gali tekėti per kanalų labirintą, kad būtų atskirti vožtuvais ir siurbliais į beveik 10 000 mažų kamerų. Kiekvienoje kameroje galima išanalizuoti nanolitrus (milijardines litro dalis) skysčio.

Laboratorija ant lusto : „Fluidigm“ mikroskysčių lustas (pilkas kvadratas centre) naudoja mažus kanalus ir vožtuvus skysčiams valdyti. Tai leidžia greitai ir jautriai atlikti biologinius tyrimus

Gebėjimas mikroskopiniu mastu perkelti skysčius aplink lustą yra vienas įspūdingiausių biochemijos pasiekimų per pastaruosius 10 metų. Mikrofluidiniai lustai, kuriuos dabar gamina keletas pradedančiųjų įmonių ir panašus skaičius universitetų liejyklų, leidžia biologams ir chemikams tiksliai ir labai automatizuotai manipuliuoti nedideliu kiekiu skysčio. Galimas pritaikymas yra daug, įskaitant rankinius įrenginius, skirtus įvairioms ligoms aptikti, ir mašinas, kurios gali greitai išanalizuoti daugybės atskirų ląstelių (kiekvienoje yra apie vieną pikolitrą skysčio) turinį, kad būtų galima nustatyti, pavyzdžiui, retas ir mirtinas vėžines mutacijas. Tačiau mikrofluidika taip pat yra esminis proveržis, kaip mokslininkai gali sąveikauti su biologiniu pasauliu. Gyvybė yra vanduo, tekantis vamzdžiais, sako George'as Whitesidesas, Harvardo universiteto chemikas, išradęs daugumą mikrofluidikoje naudojamų technologijų. Jei domimės gyvenimu, turime domėtis mažais skysčiais.

Ši istorija buvo mūsų 2010 m. sausio mėn. numerio dalis

• Žr. likusią numerio dalį
• Prenumeruoti

Aiškindami technologijos svarbą ir jos mikroskopinio aparato sudėtingumą, mikrofluidikoje dalyvaujantys asmenys dažnai lygina mikroprocesorius ir integrinius grandynus. Iš tiesų, mikroskysčių lustas ir elektroninis mikroprocesorius turi panašią architektūrą – vožtuvai pakeičia tranzistorius, o kanalai – laidus. Tačiau manipuliuoti skysčiais kanalais yra daug sunkiau nei nukreipti elektronus aplink integruotą grandinę. Na, skysčiai yra netvarkingi. Juos gali būti sunku judėti, jie dažnai susideda iš sudėtingų ingredientų, gali prilipti ir nutekėti.

Per pastarąjį dešimtmetį mokslininkai įveikė daugybę tokių iššūkių. Tačiau jei mikrofluidika kada nors taps tikrai panaši į mikroelektroniką, jai reikės įveikti daug bauginantį iššūkį: pereiti nuo daug žadančio laboratorinio įrankio prie plačiai naudojamų komercinių technologijų. Ar galima tai paversti produktais, kuriuos norės naudoti mokslininkai, medicinos technikai ir gydytojai? Biologai vis labiau domisi mikrofluidinių sistemų naudojimu, sako Whitesidesas. Tačiau jis priduria, ar eini į laboratoriją ir visur randi šiuos įrenginius? Atsakymas yra ne. Įdomiausia tai, kad jis tikrai nepasirodė. Kyla klausimas, kodėl gi ne?

Apžvelgti dalykai

• Biomark 96.96 Dynamic Array

  Fluidigma

  
  
  

• Technologijos prigimtis: kas tai yra ir kaip ji vystosi

  W. Brian Arthur
  Laisva spauda, ​​2009 m

Lygiai taip pat panašų klausimą būtų galima užduoti ir apie dar mažiausiai dvi svarbias technologijas, atsiradusias per pastarąjį dešimtmetį: genomu pagrįstą mediciną ir nanotechnologijas. Kiekvienas iš jų šį šimtmetį prasidėjo reikšmingais proveržiais ir daugybe fanfarų. Pirmą kartą apie žmogaus genomo sekos nustatymą buvo paskelbta 2001 m. pradžioje; Nacionalinė nanotechnologijų iniciatyva, padėjusi pradėti didžiąją dalį šiandieninių nanotechnologijų tyrimų, pirmą kartą federaliniu finansavimu gavo 2000 m. Nors visos trys technologijos sukūrė nemažai naujų produktų, nė viena iš jų neturėjo tokio transformacinio poveikio, kokio tikėjosi daugelis ekspertų. Kodėl užtrunka taip ilgai, kol tokia akivaizdžiai svarbi ir vertinga technologija kaip šios daro poveikį? Kaip iš radikaliai naujų technologijų kuriate populiarius produktus? O kaip pritraukti potencialius vartotojus?

Kantrybės, kantrybės
Nepaisant ekonominės, socialinės ir mokslinės technologijos svarbos, jos kūrimo procesas yra menkai suprantamas. Visų pirma, mokslininkai iš esmės nepastebėjo klausimo, kaip technologijos vystosi laikui bėgant. Tai yra W. Brian Arthur knygos „Technologijos prigimtis“ atspirties taškas, bandymas sukurti išsamią teoriją apie tai, kas yra technologija ir kaip jos vystosi. Artūras pradėjo dirbti Stanfordo universiteto bibliotekos krūvose. Kai pradėjau skaityti, nustebau, kad kai kurie pagrindiniai klausimai nebuvo labai giliai apgalvoti, prisiminė jis neseniai viename interviu. Nors apie technologijų ir inžinerijos sociologiją daug parašyta ir apie įvairių technologijų istorijas, jo teigimu, literatūroje buvo didelių spragų. Kaip iš tikrųjų vystosi technologijos? Kaip apibrėžiate technologiją?

nuoroda

Kembridže (MA) įsikūrusios IPVision sukurtame patentų žemėlapyje parodyta daug pagrindinių Stepheno Quake'o ir Fluidigm pastarojo dešimtmečio išradimų, kurie leidžia sukurti įmonės mikrofluidinius lustus. Laiko juosta rodo keletą pagrindinių pradinių pažangų ir tai, kaip šiandieninė mikrofluidika naudoja tiek mikrogamybos, tiek biochemijos pažangą. Toks sudėtingas išradimų tinklas nėra neįprasta kuriant naujus technologijų objektus.
Kreditas: IPVision

Arthuras tikisi technologijų labui padaryti tai, ką Thomas Kuhnas išgarsėjo mokslo labui 1962 m. „Mokslinių revoliucijų struktūra“, kuriame aprašoma, kaip atsiranda mokslo laimėjimai ir kaip jie priimami. Pagrindinė Artūro argumentų dalis yra ta, kad technologija turi savo ypatybes ir prigimtį ir kad ji per ilgai buvo traktuojama kaip pavaldi mokslui arba tiesiog kaip taikomasis mokslas. Mokslas ir technologijos yra visiškai persipynę, bet skirtingi, sako jis: mokslas yra reiškinių supratimas, o technologijos iš tikrųjų yra reiškinių panaudojimas ir panaudojimas. Jie statomi vienas iš kito.

Artūras, buvęs Stanfordo ekonomikos ir populiacijos studijų profesorius, kuris dabar yra Santa Fė instituto išorės profesorius ir kviestinis tyrėjas Palo Alto tyrimų centre, bene geriausiai žinomas dėl savo darbo sudėtingumo teorijos srityje ir dėl didėjančių pokyčių analizės. grąža, kuri padėjo paaiškinti, kaip viena įmonė pradeda dominuoti naujos technologijos rinkoje. Ar jis įgyvendina savo tikslą suformuluoti griežtą technologijos teoriją, ginčytina. Tačiau knygoje pateikiamas išsamus technologijų ypatybių aprašymas, papildytas įdomiomis istorinėmis smulkmenomis. Ir tai suteikia kontekstą, kuriame galima pradėti suprasti dažnai sudėtingus ir ilgus procesus, kurių metu technologijos naudojamos komerciškai.

Ypač vertingos yra Arthuro įžvalgos apie tai, kaip skirtingos technologijų sritys vystosi skirtingai, palyginti su atskiromis technologijomis. Domenai, kaip juos apibrėžia Arthuras, yra technologijų grupės, kurios dera tarpusavyje, nes panaudoja bendrą reiškinį. Elektronika yra sritis; jo įrenginiai – kondensatoriai, induktoriai, tranzistoriai – visi veikia su elektronais ir todėl natūraliai dera tarpusavyje. Taip pat fotonikoje lazeriai, šviesolaidiniai kabeliai ir optiniai jungikliai manipuliuoja šviesa. Nors atskira technologija, tarkime, reaktyvinis variklis, yra sukurta tam tikram tikslui, domenas yra naudingų komponentų rinkinys – technologijų rinkinys, kurį galima pritaikyti daugelyje pramonės šakų. Artūras rašo, kad išrasta technologija. Domenas po gabalo atsiranda iš atskirų jo dalių.

Jis teigia, kad skirtumas yra labai svarbus, nes vartotojai gali greitai pritaikyti atskirą technologiją, kad pakeistų esamus įrenginius, o potencialūs vartotojai susiduria su naujais domenais, kurie turi bandyti juos suprasti, išsiaiškinti, kaip juos naudoti, nustatyti, ar jie yra naudingi, ir sukurti jiems programas. Tuo tarpu tie, kurie kuria naujus domenus, turi patobulinti įrankių rinkinyje esančius įrankius ir išrasti trūkstamus elementus, reikalingus naujoms programoms. Visa tai paprastai trunka dešimtmečius, sako Arthuras. Tai labai labai lėtas procesas.

Arthuras trumpai paliečia tai, kad šią naujos technologijos raidą dažnai lydi dar labiau pažįstama pažanga: entuziazmas dėl naujos technologijos, investuotojų ir vartotojų nusivylimas, nes technologija neatlaiko hiperbolės, ir lėtas. atsinaujins, kai technologija bręsta ir pradeda tenkinti rinkos poreikius.

Sprendimas ieškant problemų
Dešimtojo dešimtmečio pabaigoje mikrofluidika (arba, kaip kartais vadinama, lusto laboratorija) tapo dar vienu perdėtu pažanga epochoje, kuri dėl jų buvo pagarsėjusi. Advokatai kalbėjo apie lustų potencialą. Tačiau įrenginiai negalėjo atlikti sudėtingų skysčių manipuliacijų, reikalingų daugeliui programų. Jie buvo reklamuojami kaip visko pakaitalas. Akivaizdu, kad tai nepasiteisino, sako Michael Hunkapiller, rizikos kapitalistas iš „Alloy Ventures“ Palo Alto, Kalifornijoje, dabar investuojantis į keletą mikrofluidikos įmonių, įskaitant „Fluidigm“. Pasak jo, 1990-aisiais šios technologijos galimybės buvo daug mažiau universalios nei ažiotažas.

Problema, kaip galėtų pasakyti Arthuras, buvo ta, kad įrankių dėžėje trūko pagrindinių dalių. Reikšmingi komponentai buvo vožtuvai, kurie leistų įjungti ir išjungti skysčių srautą tam tikrose lusto vietose. Be vožtuvų jūs turite tik žarną; su vožtuvais galite statyti siurblius ir pradėti galvoti apie santechnikos įrengimo būdus. Problema buvo išspręsta Stepheno Quake'o, tuometinio Caltech taikomosios fizikos profesoriaus, o dabar Stanfordo bioinžinerijos katedros, laboratorijoje. Quake'as ir jo Caltech bendradarbiai rado paprastą būdą pagaminti vožtuvus mikrofluidiniuose kanaluose ant polimero plokštės. Per dvejus metus nuo darbo apie vožtuvus paskelbimo grupė išmoko sukurti mikroskysčių lustą su tūkstančiais vožtuvų ir šimtais reakcijos kamerų. Tai buvo pirmasis toks lustas, kurį verta lyginti su integriniu grandynu. Ši technologija buvo licencijuota „Fluidigm“, kurią „Quake“ įkūrė 1999 m.

Tuo tarpu kitos akademinės laboratorijos išrado kitus vis sudėtingesnius būdus, kaip manipuliuoti skysčiais mikrofluidiniuose prietaisuose. Rezultatas – naujos kartos įmonės, aprūpintos daug pažangesnėmis technologijomis. Vis dėlto daugelis potencialių vartotojų išlieka skeptiški. Mikrofluidika vėl atsiduria pažįstamame technologijų kūrimo etape. Kaip paaiškina Harvardo fizikos profesorius ir kelių mikrofluidikos kompanijų įkūrėjas Davidas Weitzas: Tai puikus sprendimas, vis dar ieškant geriausių problemų.

Yra daug galimybių. Biomedicinos mokslininkai pradėjo naudoti mikrofluidiką, norėdami išsiaiškinti, kaip atskiros ląstelės išreiškia genus. Vieno eksperimento metu vėžio tyrinėtojai naudoja vieną iš Fluidigm lustų prostatos naviko ląstelėms analizuoti, ieškodami modelių, kurie padėtų jiems parinkti vaistus, kurie veiksmingiausiai kovotų su naviku. Be to, „Fluidigm“ neseniai pristatė lustą, skirtą auginti kamienines ląsteles tiksliai kontroliuojamoje mikroaplinkoje. Šiuo metu, kai kamieninės ląstelės auginamos laboratorijoje, gali būti sunku imituoti gyvo gyvūno chemines sąlygas. Tačiau mažytes kamieninių ląstelių grupes būtų galima padalyti į mikroskysčių lusto dalis ir išmaudyti biocheminių medžiagų deriniuose, kad mokslininkai galėtų optimizuoti savo augimo sąlygas.

O mikrofluidika galėtų sudaryti sąlygas pigiems ir nešiojamiems diagnostikos prietaisams naudoti gydytojų kabinetuose ar net atokiose klinikose. Teoriškai, tarkime, kraujo mėginys gali būti lašinamas ant mikroskysčių lusto, kuris atliktų reikiamą biologinį tyrimą – identifikuotų virusą, aptiktų vėžio baltymus arba biocheminius širdies priepuolio požymius. Tačiau medicinos diagnostikoje, kaip ir biomedicininiuose tyrimuose, mikrofluidika dar turi būti plačiai pritaikyta.

Vėlgi, Artūro analizė siūlo paaiškinimą. Vartotojai, kurie susiduria su naujais įrankiais, turi nuspręsti, ar jie yra naudingi. Daugelio diagnostikos programų atveju biologai turi geriau suprasti, kurias biochemines medžiagas reikia aptikti, kad galėtų atlikti tyrimus. Tuo tarpu tie, kurie kuria mikrofluidinius prietaisus, turi palengvinti jų naudojimą. Kaip mums primena Artūras, mokslas ir technologijos turi remtis vieni kitais, o technologai turi išrasti trūkstamas dalis, kurių nori vartotojai; tai lėta, kruopšti raida.

Dažnai sunku nuspėti, kokios bus tos trūkstamos dalys. Hunkapiller primena automatizuoto DNR sekvenavimo įrenginio – mašinos, kurią jis ir jo kolegos išrado Caltech ir kuri 1986 m. buvo parduota „Applied Biosystems“ – komercializavimo istoriją. (Mašina padėjo įgyvendinti žmogaus genomo projektą.) Kartais tai yra keistas dalykas, dėl kurio technologija pakyla, sako jis. Jis sako, kad automatizuotas sekos nustatymas išpopuliarėjo tik maždaug 1991 ar 1992 m., kai bendrovė pristatė mėginių paruošimo rinkinį. Nors tai nebuvo itin įspūdinga techninė pažanga – tikrai ne paties automatinio sekvencerio lygiu – rinkinys turėjo didžiulį poveikį, nes palengvino mašinų naudojimą ir leido gauti patikimesnius rezultatus. Staiga, prisimena jis, pardavimai pakilo: nebebuvo didelė problema už mašiną mokėti 100 000 USD.

Neseniai duodamas interviu Whitesidesas pademonstravo iš popieriaus pagamintą mikrofluidinį lustą, kuriame skysčiai kanalais patenka į mažas kameras, kuriose atliekamos bandomosios reakcijos. Tada jis iš dėžutės ištraukė naują išmanųjį telefoną, vis dar plastikinėje pakuotėje. O kas būtų, jei, svarstė jis, galėtumėte kaip nors panaudoti telefono kamerą mikroschemos duomenims užfiksuoti ir panaudoti jos skaičiavimo galią rezultatams apdoroti, o ne pasikliauti dideliais tam skirtais skaitytuvais? Paprastas nuskaitymas telefone gali suteikti vartotojui reikalingos informacijos. Tačiau kol tai įvyks, pripažino jis, reikės įvairių kitų pažangų. Iš tiesų, tarsi primindamas apie sunkų laukiantį darbą, Whitesidesas greitai įmetė išmanųjį telefoną atgal į dėžę.

Davidas Rotmanas yra redaktorius Technologijų apžvalga .

paslėpti