Chemical and Biomolecular Engineering

Paul Kenis Research

Microchemical Systems: Microreactors, Microfuel Cells, and Microfluidic Tools

Kenis Research Group

Kenis-tutkimusryhmässä hyödynnämme mikroskoopin kykyä hallita erinomaisesti liikenneilmiöitä tutkiaksemme perusilmiöitä (mukaan lukien proteiinikemia, solubiologia) ja kehittääksemme uusia teknologioita erilaisiin sovelluksiin, kuten energian muuntamiseen, kemialliseen synteesiin ja biologisiin perustutkimuksiin. Tehdäksemme tutkimusta näillä poikkitieteellisillä alueilla olemme kehittäneet ydinosaamista sähkökemiallisten järjestelmien karakterisoinnissa, mikromuovauksessa, mikrofluidisissa teknologioissa sekä kuljetusilmiöiden analyyttisessä ja laskennallisessa mallinnuksessa sekä analyyttisissä ja materiaalisissa karakterisointitekniikoissa, kuten erilaisissa spektroskopioissa ja mikroskopioissa.

tällä hetkellä ryhmä toteuttaa tutkimushankkeita seuraavilla aloilla:

1. Sähkökemialliset järjestelmät hiilidioksidin muuntamiseen ja polttokennoihin
2. Mikrofluidialustat proteiinien ja lääkkeiden kiteyttämiseksi
3. Mikrofluidialustat solujen sisäisten ja sisäisten prosessien tutkimiseen
4. Kemiallisen synteesin mikroreaktorit
5. Mikrofluidiikan valmistustekniikat
6. Kehitteillä olevat mikrofluidiset ” bio ” – hankkeet

1. Sähkökemialliset järjestelmät hiilidioksidin muuntamiseen ja polttokennoihin

1a. hiilidioksidin sähkökemiallinen väheneminen:

ilmakehän hiilidioksiditasot ovat nousseet tasaisesti, mikä on johtanut kielteiseen vaikutukseen maapallon ilmastoon. Tätä nousua on hillittävä samanaikaisesti useilla strategioilla, kuten hiilidioksidin talteenotolla ja sitomisella, puhtaampiin polttoaineisiin siirtymisellä, uusiutuvien energialähteiden käytön laajentamisella ja rakennusten energiatehokkuuden lisäämisellä. Hiilidioksidin sähkökemiallinen vähentäminen lisäarvokemikaaleiksi tai niiden välituotteiksi on toinen lähestymistapa tähän haasteeseen vastaamiseksi. Tätä prosessia voidaan ohjata ajoittaisista uusiutuvista lähteistä peräisin olevalla ylimääräisellä energialla, jolloin voidaan varastoida ylimääräinen ajoittainen uusiutuva energia ja samalla kierrättää hiilidioksidia energian kuljettajana. Lisäksi hiilidioksidin hyödyntäminen kemiallisen tuotannon lähtöaineena vähentää yhteiskunnan riippuvuutta fossiilisista polttoaineista.

CO2: n sähkökemiallisen vähentämisen osalta ryhmämme pyrkii parantamaan tuotteen selektiivisyyttä, energeettistä tehokkuutta ja konversionopeutta kehittämällä uusia katalyyttejä, soveltamalla sopivia elektrolyyttejä sekä optimoimalla elektrodirakennetta ja reaktorin suunnittelua. Esimerkiksi vähensimme solun ylipotentiaalia alle 0: een.2 V käyttämällä vesiliuosta, joka sisältää 1-etyyli-3-metyyli-imidatsoliumtetrafluoriboraattia (EMIM BF4), joka oletettavasti stabiloi reaktioväliväliaineen (Rosen et al. Tiede, 2011). Kehitimme myös hopeapohjaisia organometallikatalyyttejä, joilla on korkea katalyyttinen aktiivisuus alhaisella Ag-kuormituksella(Thorson et al. J. Am. Kemiaa. Soc., 2012). Tukimateriaalina TiO2: ta käytetään AG: n hiukkaskoon minimoimiseen ja katalyytin aktiivisuuden lisäämiseen, mikä johtaa huomattavasti pienempään AG: n kuormitukseen tinkimättä suorituskyvystä CO2: n vähentämiseksi CO: ksi (Ma et al., ChemSusChem, 2014). Myös katalysaattorikerroksen rakenteen suunnittelu tarjoaa lähestymistavan katalyytin hyödyntämisen ja yleisen suorituskyvyn maksimoimiseksi. Automatisoitu airbrushed catalyst deposition-menetelmä johti korkeaan suorituskykyyn CO2: n vähentämisessä katalyytin kuormituksen vähentyessä, kun taas ei-toivottu H2-evoluutio tukahdutettiin (Jhong et al., Adv. Energy Mater., 2013).

tällä hetkellä jatkamme tutkimusta kohti parempia katalyyttejä, elektrodeja ja toimintaedellytyksiä hiilidioksidin muuntamiseksi sähkökemiallisesti kiinnostaviksi kemikaaleiksi. Osa tästä työstä tehdään yhteistyössä muiden kanssa: Nakashima, Lyth Kyushussa, Japanissa; ja Rich Masel klo dioksidi materiaaleja.

1b. polttokennot:

(2)

proteiinien ja lääkkeiden kiteyttämiseen tarkoitetut Mikrofluidialustat voivat nopeasti tulla hyvin kalliiksi, koska seulontaan tarvitaan suuria määriä materiaalia optimaalisissa kiteytymisolosuhteissa. Huolimatta automatisoitujen robottikristalloinnin seulontalaitteiden saatavuudesta, jotka voivat hyödyntää nanoliter-kokoisia pisaroita, suuret pääomainvestoinnit tekevät tällaisista laitteista käytännöllisiä vain muutamille hyvin rahoitetuille laboratorioille tai kiteytyskeskuksille. Mikrofluidiset alustamme proteiinien ja lääkkeiden kiteyttämiseen (i) mahdollistavat suurikapasiteettisen seulonnan ja kiteytymisolosuhteiden optimoinnin käyttämällä muutamaa nanoliittiä kokeilua kohden; (ii) ovat helppokäyttöisiä ja kustannustehokkaita vaihtoehtoja kiteytysroboteille keskivertolaboratoriossa; ja (iii) ovat yhteensopivia analyyttisten tekniikoiden kanssa asianmukaisella materiaalivalinnalla (esim.röntgen -, UV-ja IR-säteilyn suuri läpäisy). Koska sirumme ovat läpinäkyviä, ne voidaan asentaa suoraan röntgensäteeseen tiedonkeruuta varten ohittaen vaihe, jossa kiteet kerätään käsin. Mikrofluidiset alustamme mahdollistavat kiteytymisen perustieteen (kidekylvö, nukleaatio ja kasvunopeus) sekä soveltavan tieteen (rakenneanalyysi, kiinteän muodon seulonta) tutkimukset sekä proteiinin että farmaseuttisen kiteytymisen osalta.

2a. Kalvoproteiinin kiteytys:

kalvoproteiinit (MPS) sijaitsevat solukalvossa ja toimivat signaalin, energian ja materiaalin transduktion välittäjinä soluun ja sieltä pois. Ei ole yllättävää, että kalvoproteiinien toimintahäiriö on yhdistetty lukuisiin sairauksiin (Quick and Javitch, PNAS, 2007). Kansanedustajat ovat siis yleisiä huumekohteita. Eri analyysit ovat osoittaneet, että MPs muodostaa lähes 30% Escherichia colin, Saccharomyces cerevisaen ja Homo sapiensin (Seddon et al., Bba-Biomembranes, 2004). huolimatta solussa vallitsevasta ylivoimaisuudesta MPs: n osuus Proteiinitietopankkiin talletetuista proteiinirakenteista on alle 1%. Kalvoproteiinien rakenteen määrittämistä ovat vaikeuttaneet vähäisestä runsaudesta ja niiden luontaisesta amfifiilisuudesta johtuvat vaikeudet saada riittävästi proteiineja ja siitä seuraavat vaikeudet kiteytymisessä. Olemme ryhmässämme kehittäneet Läpivalaisevia mikrofluidialustoja in surfo – ja In meso MP-kiteytykseen. Lisäksi tutkimukseemme kuuluu Läpivalaisevia alustoja, jotka mahdollistavat lipidisten kuution faasikaavioiden tutkimisen ja mikromatriisiseulonnan, kaksi tehokasta mutta tyypillisesti vaikeasti saavutettavaa kalvoproteiinien kiteytymistekniikkaa. Tutkimuksemme yleisenä tavoitteena on kiteyttää suuria, hyvin järjestettyjä (”diffraktiolaatuisia”) kiteitä Röntgenanalyysiin ja rakenteen selvittämiseen. Olemme kiteyttäneet useita kohteita ja ratkaisseet niiden rakenteita käyttämällä pelkästään siruvirrasta kerättyä dataa, joka keskittyy hengitysteiden kalvoproteiinien kiteyttämiseen yhteistyössä Profin kanssa. Robert Gennis, Biokemian laitos.

2b. Ehdokaslääkkeiden kiinteän olomuodon seulonta:

farmaseuttisten lääkkeiden löytämisen alkuvaiheessa tutkijat etsivät sellaisten vaikuttavien lääkeaineiden kiinteitä muotoja, joilla on asianmukaiset Fysikaaliset ja kemialliset ominaisuudet (liukoisuus, biologinen hyötyosuus, stabiilisuus), jotka voivat myöhemmin siirtyä lääkekehitysputken läpi. Valitettavasti menestystä kiteisen kiinteän API-muodon löytämisessä optimoiduilla ominaisuuksilla käyttäen tavanomaisia seulontamenetelmiä (kaivolevyt), rajoittaa pieni määrä API: ta, joka on saatavilla huumeiden löytämisen alkuvaiheessa. Tämän ongelman ratkaisemiseksi olemme kehittäneet mikrofluidisia alustoja kiinteän muodon seulontaan, jonka tavoitteena on I) vähentää kiinteän muodon seulontaan tarvittavien farmaseuttisten ainesosien määrää, ii) parantaa kiinteän muodon seulonta-Alustan ja analyyttisten välineiden yhteensopivuutta ja iii) määrittää, voidaanko kiinteän muodon seulontaan sovellettavalla mikrofluidisella lähestymistavalla selvittää uusia kiinteitä muotoja. Olemme validoitu mikrofluidic alustat perustuvat vapaa käyttöliittymä diffuusio (Thorson et al., LOC, 2011) ja hallittu haihtuminen (Goyal et al., LOC, 2013), jotka vähentävät kiinteän muodon seulontaolosuhteissa tarvittavan API: n määrää suuruusluokalla (5 mg: sta 5 µg: iin kussakin olosuhteissa), ja tulokset ovat vertailukelpoisia perinteisiin haihtumispohjaisiin kiinteän muodon seulontakokeisiin. Näytteiden määrän vähentäminen mahdollistaa sen, että tutkijat voivat suorittaa kiinteässä muodossa olevia näyttöjä aikaisemmin huumeiden löytöprosessissa, kun API: a on käytettävissä minimaaliset määrät, ja mahdollistaa laajemman näytön, joka mahdollistaa uusien kiinteiden muotojen löytämisen. Suunnittelimme mikrofluidiset alustat optisesti läpinäkyviksi mahdollistaen kiteisten kiinteiden aineiden helpon tunnistamisen ja minimaalisen signaalin näyttämisen Raman-spektroskopiassa ja Röntgendiffraktiossa mahdollistaen kiinteiden muotojen tunnistamisen sirulla (Goyal et al. Crys. Kasvu & Des., 2012). Tällä hetkellä tutkimme tuntemattomien kokristallien kiderakenteiden ratkaisemista käyttämällä mikrofluidista alustaamme diffraktiolaatuisten kiteiden kasvattamiseen. Teos on tehty yhteistyössä AbbVien kanssa.

(3) Mikrofluidialustat solututkimuksissa

Mikrofluidialustat tarjoavat useita ominaisuuksia, jotka helpottavat solujen ja solujen välisten prosessien tutkimista paremmin kuin perinteiset petrimalja-tai kaivolevypohjaiset tekniikat. Esimerkkejä ovat kyky tutkia yksittäisiä soluja erittäin valvotuissa ympäristöissä, ylivertainen kontrolli solun mikroympäristöön tilassa ja ajassa, ja kätevä integrointi erityyppisiin mikroskopiaan. Ryhmässämme kehitämme mikrofluidisia alustoja seuraaviin sovelluksiin:

3a. Antibioottiherkkyyden testaus:

kliinisten infektioiden tehokas hoito riippuu ratkaisevasti kyvystä seuloa nopeasti potilasnäytteet, jotta voidaan tunnistaa tartunnan saaneiden patogeenien herkkyys antibiooteille. Nykyiset menetelmät antibioottiherkkyyden testaamiseksi (ASAT) kärsivät useista ongelmista, kuten pitkistä läpimenoajoista (päivistä), näytteen ja reagenssin ylimääräisestä kulutuksesta, huonosta havaitsemisherkkyydestä ja rajallisista kombinatorisista kyvyistä. Nämä tekijät estävät asianmukaisten antibioottien antamisen ajoissa, vaikeuttavat infektioiden hoitoa ja pahentavat antibioottiresistenssin kehittymistä.

näiden ongelmien ratkaisemiseksi kehitämme ASAT: lle mikrofluidisia alustoja, jotka tarjoavat useita etuja perinteisiin menetelmiin verrattuna, kuten suuremman havaitsemisherkkyyden, nopeat tulokset (<6 tuntia), reagenssien kulutuksen vähenemisen ja määrällisemmät tulokset. Esimerkiksi yhteistyössä Prof. Schroeder olemme käyttäneet mikrofluidisia alustojamme erilaisten patogeenisten bakteerien, kuten E. coli, P. aeruginosa ja K. pneumoniae, herkkyyden tutkimiseen eri antibiootteja vastaan (Mohan et al. Bioseenit. & Bioelect., 2013). Olemme myös käyttäneet alustaa tutkiaksemme eri bakteerilajien välistä vuorovaikutusta (polymikrobiviljelmät) ja näiden vuorovaikutusten vaikutusta antibioottiherkkyyteen. Tällä hetkellä sovellamme mikrofluidista alustaa ja käytämme tuloksena saatuja kokeellisia tietoja farmakokineettis – farmakodynaamiseen (PK/PD) mallinnukseen, jotta saamme parempaa tietoa parhaasta tavasta hoitaa tiettyä infektiota.

3b. solujen tutkiminen kontrolloiduissa happiolosuhteissa:

koska kasvaimet kasvavat ulospäin pois paikallisesta verisuonten arkkitehtuuri muodostumista vaihtelevan hypoksinen (sub-fysiologinen kudoksen hapetus) alueilla esiintyy koko kiinteän massan. Nämä hypoksiset alueet ovat liittyneet terapeuttiseen resistenssiin, metaboliseen uudelleenohjelmointiin ja epiteeli-mesenkymaalinen siirtymiseen. Monet kysymykset koskevat hypoksian vaikutuksia näihin tuloksiin, mutta vain harvat menetelmät mahdollistavat sekä tarkan kontrollin happipitoisuuden ja reaaliaikaisen kuvantamisen solujen käyttäytymisestä. Mikrofluidialustat soveltuvat erityisen hyvin happipitoisuuden säätelyyn ja mahdollistavat reaaliaikaisen kuvantamisen, koska ne hallitsevat ajallisia ja tilallisia kemiallisia olosuhteita. Paikallisen mikroympäristön hallinnan lisäksi mikrofluidialustojen lyhyempi pituusasteikko perinteisiin menetelmiin verrattuna tarjoaa lyhyemmät tasapainotusajat. Mikrofluidialustojen etuja hyödyntäen olemme kehittäneet arrayed-laitteen, joka pystyy säätelemään happipitoisuutta 0,5%: sta 21%: iin. Yhteistyössä professori Rex Gaskinsin (Department of Animal Sciences) kanssa käytämme näitä alustoja tutkiaksemme reaaliaikaisesti organellaarisen redox-potentiaalin muutoksia syöpäsoluissa hypoksian aikana.

(4) kemiallinen synteesi mikroreaktoreissa

Mikroreaktorit tarjoavat useita etuja kemiallisen synteesin tutkimisessa ja toteutuksessa verrattuna perinteisiin ”wet-lab” – menetelmiin. Esimerkiksi pienemmillä, tarkasti suunnitelluilla alustoilla lämmön ja massan siirto tehostuu, reagenssien kulutus vähenee ja ne soveltuvat paremmin automaatioon. Ryhmässämme kehitämme mikroreaktoreita seuraaviin sovelluksiin:

4a. radiofarmaseuttisten lääkkeiden synteesi:

radiofarmaseuttiset lääkkeet ovat lääkeaineiden luokka, jota käytetään useiden sairauksien ja häiriöiden, kuten tietyntyyppisten syöpä-ja sydänsairauksien, diagnosointiin ja hoitoon. Näiden lääkkeiden synteesiin käytettävien lähtöaineiden määrät ovat tyypillisesti pieniä (muutamia mikrolitroja) johtuen rajallisesta saatavuudesta, suurista kustannuksista ja turvallisesti käsiteltävän radioaktiivisuuden ylärajoista. Perinteisten ”wet-lab” -menetelmien kyvyttömyys manipuloida tehokkaasti alhaisia reagenssimääriä johtaa paitsi heikkolaatuisten lääkkeiden synteesiin kliinisiin sovelluksiin, myös uusien lääkkeiden kehittämiseen. Pyrimme vastaamaan näihin kysymyksiin kehittämällä mikrofluiditeknologioita tai parempia mikroreaktoreita näiden radiofarmaseuttisten aineiden synteesiin. Integroimalla erilaisia mikrofluidimoduuleja kuvittelemme, että näitä yhdisteitä voidaan tehdä paljon luotettavammin ja suuremmalla tuotolla.

olemme osoittaneet, että mikrofluiditeknologiat tarjoavat useita etuja jokaisessa vaiheessa perinteisiin menetelmiin verrattuna, mukaan lukien paremmat reaktiosadot, reagenssien vähäisempi kulutus ja automaatiohelpoisuus (Goyal et al., Sens. & Act. B, 2014; Hairong et al., LOC, 2014; Hairong et al., Bioconj. Kemiaa., 2014; Zeng et al., Nuc. Med. & Bio., 2013; Wheeler ym., LOC, 2010). Tällä hetkellä optimoimme mikroreaktoreita edelleen ja kehitämme integroitua järjestelmää kliiniseen ja tutkimuskäyttöön. Tämä projekti on yhteistyössä Prof. David Reichertin tutkimusryhmä Washingtonin yliopiston radiologisen kemian laitoksella St. Louisissa.

4B. Kvanttipistesynteesin Mikroreaktorit:

fluoresoivat puolijohdenanopartikkelit ovat lupaavia solid-state-valaistus-ja näyttötekniikassa johtuen huomattavasti suuremmasta fotoluminesenssista ja paremmasta spektrikäyttäytymisestä kuin perinteinen fosforitekniikka. Näillä nanohiukkasilla on myös potentiaalisia käyttötarkoituksia lääketieteellisessä kuvantamisessa ja kvanttilaskennassa. Korkeat tuotantokustannukset, jotka johtuvat osittain luotettavien menetelmien puutteesta korkealaatuisten monodisperse-nanohiukkasten tuottamiseksi, estävät tällä hetkellä suuresti niiden laajamittaista käyttöä. Perinteiset eräsynteesimenetelmät kärsivät erityisesti nanomateriaalin laadun eräkohtaisesta vaihtelusta. Eräsynteeseissä, hitaan lämmön ja massan siirron vuoksi ei ole kykyä tarkasti hallita nanohiukkasten kokoa, morfologiaa ja koostumusta. Jatkuvuusreaktorit tarjoavat potentiaalisen ratkaisun näihin ongelmiin. Kenis-ryhmän pyrkimykset ovat keskittyneet korkean suoritustehon jatkuvien reaktoreiden kehittämiseen, mikä mahdollistaa nopeat sekoitus-ja lämmitysajat korkeissa lämpötiloissa korkealaatuisten puolijohdenanohiukkasten syntetisoimiseksi koostumukseltaan ja morfologialtaan vaihtelevilla aineilla. Esimerkiksi onnistuimme syntetisoimaan nanorodeja käyttämällä yhtä jatkuvuusvirtausreaktoreistamme (KS.kuva). Tutkimme sekä Cd: tä sisältäviä että Cd-vapaita järjestelmiä ja saavutamme jopa 60%: n tuoton, joka on verrattavissa kaupallisiin tuotteisiin.

(5) mikrofluidien valmistustekniikat

tutkimusryhmässämme tutkitaan erilaisia valmistustekniikoita, joilla voidaan edistää mikrofluidilaitteiden kehittämistä. Tällä alalla keskitytään helpottamaan mikrofluidiikan integrointia loppukäyttösovelluksiin. Tällä hetkellä teemme tutkimusta kahteen suuntaan:

5a. Mikrofluidikomponentit laitteiden siirrettävyyden ja skaalautuvuuden parantamiseksi:

VLSI-mikrofluidien (very large scale integration) käyttöönotto on mahdollistanut monivaiheisten ja suuritehoisten sovellusten, joissa on massiivisesti rinnakkaisia toimintoja, suorittamisen yhdellä sirulla. Avain näihin edistysaskeliin oli pneumaattisten mikrovalaisimien kehittäminen, jotka on valmistettu pehmeälitografisilla tekniikoilla. Huolimatta tällaisten pneumaattisten mikroarvojen onnistuneesta integroinnista mikrofluidisiruihin erilaisissa sovelluksissa, nämä mikroarvot vaativat tilaa vieviä lisälaitteita, jotka rajoittavat näiden mikrofluidisirujen skaalautuvuutta ja siirrettävyyttä. Käsittelemme näitä kysymyksiä kahdella tavalla:

normaalisti suljetun (NC) venttiiliarkkitehtuurin käyttö venttiiliarkkitehtuuri: laitteita, joissa käytetään tavanomaisia normaalisti avoimia (ei) venttiilejä, on rajoitettu siirrettävyys sovelluksissa, jotka vaativat jatkuvaa suljettua tilaa toimiakseen, koska nämä venttiilit tarvitsevat tilaa vieviä lisälaitteita (pumput, typpikaasusylinterit, pneumaattiset oheislaitteet) käyttöä varten. NC venttiilit paitsi käsitellä edellä rajoitetun siirrettävyyden, mutta myös säilyttää valmistuksen helppous ja integrointi mikrofluidisiin laitteisiin. Jotta integrointi NC venttiilit, käytimme yhdistelmä analyyttinen ja laskennallinen mallinnus, ja systemaattisia kokeita muotoilla suunnittelusäännöt kehittää optimaalinen NC venttiilit tavoitteena minimoida käyttöpaineet ja helpottaa valmistus näiden venttiilien (Mohan et al., Sens. & Act. Joulukuuta 2011). Kuvassa näkyy nestekanavan leveyden funktiona tarvittava käyttöpaine eri mikrovalvomuodoille (suora, v-muotoinen ja diagonaalinen). Olemme käyttäneet näitä venttiilejä erilaisiin sovelluksiin, kuten proteiini-vasta-ainevuorovaikutusten toteamiseen, proteiinien kiteyttämiseen, kiinteän muodon seulontaan ja muiden sovellusten tutkimiseen (Schudel et al., LOC, 2011; Thorson et al., CrystEngComm, 2012; Guha et al., Sens, & Act. B, 2012; Mohan et al. Bioseenit. & Bioelect., 2013; Tice et al., JMEMS, 2013).

sähköstaattisten mikroarvojen käyttö pneumaattisten mikroarvojen korvaamiseksi tai täydentämiseksi: Sähköstaattiseen toimintaan perustuvat mikrovalvomme säilyttävät pienen jalanjäljen (1), sillä kalvonpaksuudet ™ ovat 5 µm. Suunnitteluparametri tila on arvioitu läsnäolo ilmaa (tummempi), öljyä (kuoriutunut), tai vettä (kevyempi) leijukanavassa. Toinen mielenkiintoinen sovellus, jota tutkimme, on sähköstaattisten mikroarvojen käyttö pneumaattisten mikroarvojen ohjaamiseen. Tämä yhdistelmä pneumaattinen ja sähköstaattinen mikrovalvot yksinkertaistaa suuresti liitännäisiä, ja auttaa saavuttamaan tavoitteen ”lab-in-a-chip ”eikä” chip-in-a-lab”.

5b. Uudet materiaalit ja valmistusprosessit:

Poly (dimetyylisiloksaani) tai PDMS on ollut ensisijainen materiaali mikrofluidisten laitteiden valmistuksessa pääasiassa siksi, että PDMS: n käyttö mahdollistaa yksinkertaisen, nopean ja edullisen laitteiden valmistuksen, jossa on eriasteisia monimutkaisuuksia. PDMS: llä on kuitenkin useita rajoituksia, joista yksi on yhteensopimattomuus monien orgaanisten liuottimien ja analyyttisten tekniikoiden kanssa. Tutkimme tutkimusryhmässämme erilaisia polymeerimateriaaleja PDMS: n vaihtoehdoksi mikrofluidisten laitteiden valmistukseen; tällaisia aineita ovat muun muassa tioleeni, syklinen olefiinikopolymeeri ja Tefloni. Käytimme näitä materiaaleja kehittääksemme mikrofluidilaitteita, jotka ovat yhteensopivia useiden orgaanisten liuottimien ja analyyttisten tekniikoiden, kuten röntgen-ja Raman-laitteiden kanssa. Osoitamme myös, että hybridilaitteet, joissa yhdistyvät eri materiaalien edut, ovat parempia vaihtoehtoja kuin yhdestä tai kahdesta materiaalista koostuvat laitteet.

(6) kehitteillä olevat mikrofluidiset ” bio ” – hankkeet

6a. Mikrofluidiset alustat aikaratkaisevaan FTIR-spektroskopiaan:

yleisenä tavoitteenamme on kehittää innovatiivinen mikrofluiditeknologia biomolekulaaristen reaktioiden tai vuorovaikutusten aikaratkaisevaan Fourier-muunnosspektroskopiaan (FT-IR). Proteiinin taitto, entsyymin katalyysi ja proteiini-ligandien vuorovaikutukset ovat kriittisiä terveiden solujen ja kudosten ylläpitämiseksi. Monien kroonisten tai geneettisten sairauksien juuret voidaan jäljittää tällaisten reaktioiden toimintahäiriöön proteiineissa – esimerkiksi Alzheimerin taudissa väärin sidotun beeta-amyloidipeptidin aiheuttamaan plakin muodostumiseen.

tutkimukset molekyyli – ja molekyylien välisten reaktiomekanismien paljastamiseksi ovat välttämättömiä uusien hoitomuotojen kehittämiseksi rationaalisesta lääkesuunnittelusta sekä niiden testaamisesta-esim.beeta-amyloidin taittumisreitit voivat paljastaa kohteita, joilla plakin muodostumista estäviä lääkeaineita voidaan testata ja optimoida. Fourier-muunnos infrapunaspektroskopia (FTIR) tarjoaa useita etuja verrattuna muihin spektroskopiatekniikoihin, mukaan lukien ei-vaatimus ulkoisista merkinnöistä, yksinkertainen näytteen valmistelu ja helppo hankkia erilaisia tietoja (korkean resoluution molekyylitiedot matalan resoluution proteiini-proteiini-vuorovaikutuksiin).

useat nykyisiin FTIR-virtauskennoihin liittyvät rajoitukset, kuten alhainen aikaresoluutio, kustannukset ja suurten näytemäärien vaatiminen, ovat kuitenkin estäneet FTIR-järjestelmän laajan käytön. Käsittelemme näitä kysymyksiä kehittämällä mikrofluidisia FITR-virtauskennoja edullisista, IR-läpinäkyvistä materiaaleista. Ubikitiinin alustavat tulokset ovat vahvistaneet lähestymistapamme ja optimoimme virtaussolua kliinisesti merkittävien proteiinien tutkimiseen. Tämä projekti on yhteistyössä professori Rohit Bhargavan kanssa biotekniikan laitoksella.

6b. Mikrofluiditeknologiat luodonsiirtoprosessin parantamiseksi:

Diabetes on tuhoisa sairaus, joka vaikuttaa 25,8 miljoonaa amerikkalaista (8% väestöstä). Ihmisen saaresiirto on lupaava hoito tyypin I diabetes mellitukseen (TIDM). Tämä menettely ei kuitenkaan ole kovin toistettavissa ja johdonmukainen. Luodensiirron tulosten parantamiseksi on käsiteltävä useita kliinisiä, biologisia ja teknisiä kysymyksiä. Tutkimusryhmässämme kehitämme mikrofluiditeknologioita, joilla voidaan käsitellä joitakin näistä kysymyksistä, mukaan lukien optimaalisten olosuhteiden ylläpitäminen luotojen eristämisen aikana luovuttajan haimasta, Luodon eristämis-ja erottamisprosessin automatisointi sekä Luodon elinkelpoisuuden ja toimivuuden säilyttäminen elinsiirtoprosessin aikana. Tämä projekti on yhteistyössä professori Jose Oberholzerin tutkimusryhmän kanssa Elinsiirtokirurgian osastolla Illinoisin yliopistossa Chicagossa.

6c. Mikrofluidialusta EPR-jäätymisvaimennustutkimuksiin:

useimmat mielenkiintoiset ilmiöt monissa biokemiallisissa reaktioissa tapahtuvat reaktioiden ensimmäisten millisekuntien aikana, esimerkiksi sytokromi bc1-kompleksin välittämä ATP-synteesi. Näiden varhaisvaiheen välituotteiden rakenteelliset ja toiminnalliset tutkimukset eivät ainoastaan valaise näiden reaktioiden mekanismia, vaan ne mahdollistavat myös lääkkeiden järkevän suunnittelun näiden reaktioiden toimintahäiriöihin liittyvien sairauksien ja häiriöiden hoitoon. Freeze-quench electron paramagneettinen resonance (EPR) on tehokas menetelmä näiden reaktioiden tutkimiseksi, jossa näiden reaktioiden välituotteet jäädytetään nopeasti uusien reaktioiden estämiseksi ja analysoidaan myöhemmin EPR: n avulla. Nykyisen EPR-kylmämuokkauslaitteen rajoitukset, lähinnä reagenssien hidas sekoittuminen, ovat kuitenkin estäneet tämän tekniikan soveltamisen ultranopeiden biokemiallisten reaktioiden tutkimiseen. Tutkimusryhmässämme kehitämme mikrofluidilaitetta reagenssien nopeaan sekoittamiseen (~20 µs) ja sen jälkeen sekoitettujen reagenssien heittämiseen erittäin ohuen suihkun muodossa jäätyneeseen kuparipyörään. Olemme validoineet tämän lähestymistavan biokemiallisen reaktion mallilla ja tutkimme kliinisesti merkittävien biokemiallisten reaktioiden soveltamista. Tämä projekti on yhteistyössä professori Tony Crofts biokemian laitokselta.

6d. lääke-kohde-yhteisvaikutusten määrittäminen:

kaikki biologia, ja sitä kautta koko farmakologia, riippuu proteiinien vuorovaikutuksesta muiden molekyylien kanssa. Elektronin paramagneettista resonanssia (EPR) yhdistettynä Spin-merkintöihin (SLEPR) voidaan käyttää tällaisten vuorovaikutusten havaitsemiseen reaaliajassa, in vitro tai In vivo, ja sitoutumattomiin proteiineihin sitoutuneiden suhteen seuraamiseen siten, että biologia häiriintyy mahdollisimman vähän. Tämä tekee siitä ihanteellisen välineen tutkia suoraan lääkeaineiden vaikutuksia niiden biologiseen kohteeseen ja siihen liittyviin biokemiallisiin järjestelmiin parantaen lääkeaihioiden tehokkuuden ja myrkyllisyyden varhaisen kehitysvaiheen ennusteiden tarkkuutta. Nykyiset märkälaboratoriomenetelmät EPR-spektrometrien vaatimien pienten näytteiden valmistamiseksi ovat kuitenkin yleensä tuhlaavia, epätarkkoja ja hitaita (kestää 24 tuntia tai enemmän). Ryhmässämme kehitämme laitteita proteiinien nopeaan ja täsmälliseen merkitsemiseen, hyödyntäen täysin mikrofluidisirujen kombinatorista luonnetta luodaksemme sarjan näytteitä useina pitoisuuksina tai useiden kumppaneiden kanssa, ja tarvittaessa yhdistäen sirun soluviljelmän. Projekti toteutetaan yhteistyössä New Liberty Proteomicsin kanssa.