פריצת דרך בתחום המעבדה-על-שבב

חוקרים מהטכניון וממרכז המחקר של IBM בציריך פיתחו התקן המזרים נוזלים בערוצים וירטואליים ללא צורך בתעלות ובצינורות

המזעור ההדרגתי של טרנזיסטורים משפופרות-ואקום למיקרו-צ’יפים הוביל למזעורם של מחשבים ממכונות התופסות חדרים שלמים להתקנים הנכנסים לכיסינו. באופן דומה, התפתחות התחום של מעבדה-על-שבב (lab-on-a-chip) צפויה לחולל מהפכה באנליזה כימית וביולוגית, וזאת על ידי מיזעור של מעבדות גדולות לכדי שבב מיקרופלואידי (microfluidic chips) – שבב המכיל ערוצי זרימה זעירים.

אף שהקונספט של מעבדה-על-שבב הוצג לפני יותר מ-30 שנה, המערכות המיקרופלואידיות הקיימות כיום רחוקות מהגשמתו של חזון זה. זאת במידה רבה בשל העובדה ששבבים אלה בנויים ברובם מחומרים כגון פולימרים וזכוכית בהן נחצבות תעלות בעלות צורה מוגדרת מראש. מבנה קשיח זה מאפשר להשתמש בהם רק לתפקיד המוגדר שלטובתו יוצרו. כדי לשנות את יישומם יש לשנות את המבנה הפיזי שלהם. כל זה רחוק מאוד מהגמישות הפונקציונלית שאמורה לאפיין מערכות של מעבדה-על-שבב.

כאן נכנסת לתמונה קבוצת מחקר משותפת של מדענים ומהנדסים מהפקולטה להנדסת מכונות בטכניון וממרכז המחקר של IBM בציריך, בהובלת פרופ’ מורן ברקוביץ מהפקולטה להנדסת מכונות וד”ר גובינד גאיקלה ממרכז המחקר של IBM בציריך.

במאמר שהתפרסם בשבוע שעבר בכתב העת של האקדמיה האמריקנית למדעים PNAS מציגים החוקרים פרדיגמה חדשה לגמרי: שבב מיקרופלואידי שבו מתועל הנוזל בערוצים וירטואליים הנשלטים על ידי שדות חשמליים. דפוסי הזרימה של הנוזל נשלטים באופן אלקטרוני וכך מאפשרים לבצע מניפולציות על הזרימה בכל נקודת זמן.

“כשהשדה החשמלי פועל על מטענים הקרובים לפני השטח הוא מניע אותם וגורר את הנוזל איתו,” מסביר ד”ר פדריקו פרטורה, המחבר הראשי של המאמר. “באמצעות מערך של אלקטרודות בתחתית התא המיקרופלואידי ושליטה במטען החשמלי שלהם, אנחנו למעשה מקימים מערך של מסועים זעירים שביכולתנו לשלוט באופן דינמי בכיווניהם ובעוצמתם.”

הקבוצה הציגה יכולת לייצר מגוון רחב של זרימות ולשנות אותן בזמן אמת. “מה שממש מרגש הוא שמאחר שאנו משפיעים על הנוזל מבפנים, ביכולתנו ליצור גם זרימות  ייחודיות שאי אפשר להשיג בדרכים מקובלות כמו משאבות לחץ,” אמרה וסנה בצ’בה, החתומה גם היא על המאמר.  “לדוגמה, ביכולתנו לערבב את הנוזל באזורים מסוימים בלי לשנות את הזרם מסביבם, או להיפך – ליצור אזורים שבהם הנוזל עומד במקום ואילו מסביבם הכל זורם.”

החוקרים מאמינים כי הפיתוח הנוכחי סולל דרך ליצירה של מערכות מיקרוזרימה הנשלטות באופן דינמי, ועשוי להוביל לשינוי פרדיגמה בתחום המעבדה-על-שבב.המחקר מומן על ידי הנציבות האירופית (מענק מארי קירי) והמועצה האירופית למחקר (מענק ERC).

למאמר בכתב העת  PNASלחצו כאן

ד”ר פדריקו פרטורה

וסנה בצ’בה

ד”ר גובינד גאיקלה

בתמונה: מערך האלקטרודות יוצר זרימות דיפול. סופרפוזיציה של זרימות אלה מאפשרת יצירה של שדות זרימה מורכבים.