פיתוח פורץ-דרך של הטכניון ומעבדת יבמ בשווייץ: שיטה להפרדת חלקיקים באמצעות שדה חשמלי

26 אפריל, 2020

החוקרים בנו מתקן דמוי-שבב סמיקונדקטור המאפשר להפריד חלקיקים ביולוגיים בגדלים שונים באמצעות שליטה בשדות חשמליים. עשוי לשמש לאבחון מהיר של חולים באמצעות איתור נגיפים

בתמונה למעלה: חוקרי הטכניון החתומים על המאמר: פרופ' מורן ברקוביץ' (מימין) והדוקטורנטית ונסה בצ'בה

מחקר משותף של חוקרים מהטכניון וממעבדות IBM בציריך הוביל לפיתוח שיטה חדשה להפרדה של חלקיקים ומולקולות ביולוגיות מתוך דגימות קטנות מאוד. השיטה החדשה התפרסמה במאמר בכתב העת Angewandte Chemie והוגדרה על-ידי אחד משופטי המאמר (reviewers) כ"פריצת דרך שכמותה מתרחשות רק אחת לעשור או שניים". מדובר בהתקן המצוי בתוך שבב (סמיקונדקטור) אשר מפריד בתוך מספר דקות בין סוגים שונים של חלקיקים: החלקיקים קטנים נשארים בקרבת פתח הכניסה להתקן – והחלקיקים הגדולים מתרחקים מהפתח במהירות.

השיטה קיבלה את הכינוי BFF – Bidirectional Flow Filter (מסנן מבוסס זרימה דו-כיוונית). קבוצת המחקר בטכניון הובלה על-ידי פרופ' מורן ברקוביץ' מהפקולטות להנדסת מכונות ולהנדסה ביו-רפואית, וראש המעבדה לטכנולוגיות מיקרו-זרימה. החוקרי פיתחו שבב מיקרופלואידי (microfluidic chip) שבו מופרדת הדגימה הנוזלית למרכיביה על ידי הזרמתה בתעלות וירטואליות באמצעות שליטה בזרימת הנוזל באמצעות שדות חשמליים ומטען על-פני השטח.

החוקרים השתמשו בטכנולוגיה הזו כדי לייצר זרימה דו-כיוונית (הקליקו להדגמת וידאו): הזרמה של הנוזל לשני כיוונים מנוגדים בעת ובעונה אחת. בגישה המסורתית שולטים בזרימת הנוזל באמצעות משאבות, שסתומים ותעלות, והיא אינה מאפשרת להשיג דפוסי זרימה כאלה. בהתקן החדש, כאשר חלקיקים מוזרקים את תוך שדה הזרימה הם מתנהגים באופן מיוחד: חלקיקים קטנים נשארים במקום ואילו החלקיקים הגדולים יותר מוסעים במהירות.

לדברי הדוקטורנטית ונסה בצ'בה מהטכניון, "חלקיקים בנוזל ובגז נעים באופן אקראי (תנועה בראונית). התנועה הזאת גורמת לכך שהחלקיקים נוטים להתפזר במרחב כך שבסופו של דבר יהיו מפוזרים בו באופן אחיד". התכונה הזאת נקראת דיפוסיה. תהליכי דיפוזיה מאופיינים במיתאם בין גודל החלקיק לרמת הדִּיפוּזִיביוּת (diffusivity) שלו – חלקיקים קטנים הם דיפוזיביים יותר מחלקיקים גדולים. בהתקן שפותח מתקיימת זרימה דו-כיוונית שבמסגרתה החלקיקים הגדולים המאופיינים בדיפוזיביות נמוכה, נסחפים עם הזרם, והחלקיקים הקטנים מתרוצצים במהירות בין קווי הזרם ההפוכים ולכן מהירותם הממוצעת היא אפס.

התוצאה: החלקיקים הקטנים נשארים סמוכים לפתח הכניסה לתא הזרימה, וההתקן מבצע הפרדת חלקיקים על-פי גודלם. "העיקרון כאן די פשוט", הסביר ד"ר פדריקו פרטורה, פוסט-דוקטורנט במעבדות IBM בציריך. "למרבה ההפתעה זה דבר שלא נעשה עד כה, כנראה בשל מגבלות טכנולוגיות. פיתחנו התקן מוצק שניתן לייצר באופן מסחרי לטובת כלי דיאגנוסטיקה חדשים, וכבסיס לכלי מחקר חדשים של דגימות זעירות".

למרבה המזל, הווירוס הוא "חלקיק גדול"

מורן ברקוביץ': "רוב ההתקנים לאבחון ביולוגי מבוססים על יצירת תגובה בין מולקולות חישה (פרובים) לבין מולקולות או חלקיקי המטרה שאותם מחפשים, ואחרי זה הסרת מולקולות החישה שלא נקשרו למטרה. התהליך הזה, במיוחד בשלב האחרון, מסובך מאוד ליישום, בעיקר כשמדובר בדגימות קטנות. השיטה שלנו עושה זאת במהירות וביעילות, כל עוד מולקולות החישה והמטרה שונות מספיק זו מזו". לשיטה פוטנציאל גם בתחום גילוי הנגיפים.

ד"ר גובינד גאיקלה מ-IBM: "למרבה המזל הנגיפים גדולים יחסית ובעלי קוטר של כ-100 ננומטר, הרבה יותר גדול מנוגדנים או ממולקולות חישה אחרות המשמשות אותנו. הרעיון שלנו הוא להכניס את דגימת רוק לתא הזרימה שלנו, שם הנגיפים ייפגשו מולקולות חישה זוהרות שייצמדו אליהם, ורק הנגיפים המסומנים יזרמו החוצה בזמן שמולקולות החישה העודפות יישארו מאחור".

המחקר מומן על-ידי מענק MetamorphChip מטעם הנציבות האירופית למחקר (ERC) ותוכנית BRIDGE שמממנות רשות החדשנות השוויצרית (Innosuisse) והקרן השוויצרית למדע (SNF).

פורסם בקטגוריות: חדשות