Mikroakışkan Sistemler

Fizik, malzeme bilimi, kimya, biyoloji ve mikroelektronik alanlarının bir birleşimi olarak ortaya çıkmış olan mikroakışkanlar, multidisipliner bir bilim ve mühendislik dalıdır. Makro ölçekte cevabı bulunamayan soruları yanıtlandırmayı amaçlayan bu sistemler sayesinde hedeflenen organ, doku ve hücrelerin yapısı ve özellikleri mikro ölçeğe indirgenerek taklit edilmektedir. Sıcaklık, hız, basınç ve diğer parametreler hedefe yönelik şekilde spesifik olarak optimize edilmektedir. Genellikle laminer akış etkisi altında hassas gözlemler gerçekleştirilmektedir.

İlk kez 1950 yılında transistörler ve mikroteknolojinin keşfi ile başlayan mikroakışkanlar serüveni, özellikle 1980’li yıllarda Mikro Elektronik Mekanik Sistemler (MEMs), mikro vana ve pompaların geliştirmesi ile daha fazla önem kazandı. 1990’lı yıllarda MEMs’ in mikrokanallarında bulunan sıvının hareketi ve kontrolünü sağlamak amacıyla akışkan izleme, taşıma, ölçme, karıştırma cihazları ve mekanizmaları geliştirildi. 2000’li yıllara gelindiğinde, mikrokanalların kalıplanması sağlanarak çok sayıda mikro pompa, mikser, mikro vana gibi bileşenler üretildi. Günümüzde ise mikroakışkan sistemler; organüstü çipler (organ-on-a-chip), lab-on-a-chip, damlacık tabanlı mikroakışkan çipler, kâğıt tabanlı mikroakışkan çipler ve çok katmanlı mikroakışkan çipler gibi yeni teknolojiler ile her geçen gün gelişmeye devam etmektedir.

Tıp ve biyomedikal alanları başta olmak üzere, pek çok sahada mikroakışkan sistemler ve bu sistemlerden hareketle üretilen mikroçiplerden yararlanılmaktadır. Özellikle; ilaç metabolizması geliştirilmesi ve dağıtımı, toksisite testleri, hastalık veya çeşitli vücut modellemeleri, biyogörüntüleme, protein kristalizasyonu ve doku mühendisliği mikroakışkanların en çok rol aldığı alanlardır. Ayrıca kanser ve diğer bulaşıcı hastalıkların teşhisinde, biyosensör uygulamalarında, enzimlere, nanozimlere, antikorlara veya nükleik asitlere (DNA veya RNA) dayalı analizlerde kullanımları kritik öneme sahiptir.

Mikroakışkanların başlıca bir diğer kullanım alanları ise hayvan deneyleri yerine tercih edilmeleridir. Hayvan deneyleri her ne kadar en doğru sonucu veriyor gibi görünse de insan vücudunda gerçekten işe yarayabilecek pek çok ilaç veya tedavi, üzerinde denenen hayvanda etkili olmadığı gerekçesiyle Faz1- preklinik çalışmalarda kalmakta ve başarısız bulunmaktadır. Bu nedenle her yıl insan metabolizması üzerinde etkili olması muhtemel pek çok ilaç veya tedavi, hayvan deneylerinde etkisiz olduğu gerekçesiyle geçerliliğini yitirmektedir. Fakat 2022 yılında FDA (Amerikan Gıda ve İlaç Dairesi) tarafından çıkarılan “FDA Modernization Act” yasası ile hayvan deneyleri zorunluluğu hafifletilirken, hücre temelli testler ve bilgisayar modellemelerinin önü açılmıştır. Bu sayede, hayvan deneylerine alternatif olarak in vitro ve insana uygun hücresel modellemelerde yapılacak denemeler kabul edilebilir bir hal almıştır. Yaşanan bu gelişmeyle beraber mikroçiplerin önemi geçtiğimiz 3 yılda ciddi şekilde artış gösterirken ve bu alan yönelik talep de her geçen gün artmaktadır.

_{Mikroakışkan sistemi}

Mikroakışkan sistemler, iç çapları onlarca ila yüzlerce mikrometre arasında değişen kanallardan oluşmaktadır. Çalışma mekanizmaları, bu kanallar içerisindeki çok küçük hacimdeki tek fazlı veya çok fazlı akışkanların kontrollü bir şekilde yönlendirilmesine dayanmaktadır. Mikro çipin içinde bulunan mikro ölçekteki kanallar ve bölmeler metal, polimer veya seramik gibi malzemeler kullanılarak üretilmektedir. Bu sistemleri oluştururken; kalıplama, aşındırma, üç boyutlu baskı (3D printing), fotolitografi ve nanofabrikasyon gibi bir dizi teknik kullanılmaktadır. Mikrokanallardaki akışkanın davranışı viskozite ile kontrol edilmekte ve yüzey alanı/hacim oranının yüksekliği sistemlere hızlı ısı ve kütle transferi sağlamaktadır. Farklı hedefler doğrultusunda geliştirilecek mikrosistemlerde; özelleştirilmiş mikro kanallar tasarlamak, spesifik fizikokimyasal süreçleri tanıtmak ve fonksiyonel ajanları dahil etmek başlıca önemli unsurlardır. Ayrıca esnek yapıya sahip olmaları ve aynı zamanda duyarlılık ve işlev gibi özellikleri arttırmaları nedeniyle nanomateryallerin bu sistemlerde kullanımı oldukça yaygındır.

Mikroçip denilince genelde akla ilk gelen ve son yıllarda en çok kullanılan malzeme PDMS (polydimethylsiloxane) isimli polimerdir. Kalıplama (molding) tekniği ile üretilmesi ve sisteme sağladığı esneklik, biyouyumluluk, şeffaflık gibi avantajlar nedeniyle çok tercih edilmektedir. PDMS’ten elde edilen mikro çipler hem kolay hem de düşük maliyetli bir şekilde üretilebilmektedir. Ayrıca, bu polimer kullanılarak üretilen sistemler, alt tabakaya kendiliğinden ve geri dönüşümlü olarak bağlanabildiği için üretilen çip tek kullanımlık olabildiği gibi bazı sistemlerde tekrar tekrar kullanım sağlanabilmektedir. Silikon ve PMMA (Polimetil Metakrilat) gibi alternatif malzemeler de mikroakışkan sistemlerin üretilmesinde sıkça tercih edilmektedir.

Laboratuvarda gerçekleştirilen deneylerin karıştırma, ayırma ve analiz gibi fonksiyonlarının çok az miktarda sıvı içeren çip üzerine modellendiği mikroakışkan sistemlerdir. Bu mikroçiplerde vücut sıvıları, hücre veya hücre parçacığı içeren çözeltilerden yararlanılabilir.

_{Lab-on-a-chip örneği}

İnsan organlarının fonksiyonlarını ve işlevleri taklit edilerek oluşturulan organüstü çipler sayesinde akciğer, karaciğer, beyin, böbrek, bağırsak gibi pek çok organ mikro olarak modellenebilmetedir. Bu çipler oluşturulurken hedef dokuya yönelik spesifik canlı hücrelerden yararlanılmaktadır. Organların çalışmasını stimüle etmenin dışında, ilaç veya test gibi kimyasalları denemek için kullanılmaktadırlar. Ayrıca son dönemde çok popüler olan Biyo-MEMs adı verilen biyomedikal uygulamalar için tasarlanan mikroakışkan sistemleri oluşturmaktadırlar.

_{Organ-on-a-chip (Organüstü çip) örneği}

_{Organüstü çip şeması}

Ayrıca bu iki model kadar kritik veriler sağlayamasa da daha az maliyetli ve uygulaması nispeten daha kolay olduğu için özellikle çevre testleri ve gıda güvenliği gibi bazı alanlarda kâğıt tabanlı mikroçipler kullanılmaktadır. Uygun biyobelirteçlerle beraber kullanım kolaylığı sağlayan bu sistemler tıbbi tanı kitleri oluşturulmasında, biyosensör sistemlerinde ve yasa dışı madde tespitinde fayda sağlamaktadır.

_{Kâğıt tabanlı mikroakışkan sistem}

_{}