Xét nghiệm bệnh học dưa trên xét nghiệm sinh học là một vấn đề cốt lõi trong chuẩn đoán và điều trị bệnh hiện nay. Các máy móc hiện đại đã được phát triển và triển khai tại bệnh viện để phục vụ cho việc xét nghiệm bệnh học như xét nghiệm ADN, xét nghiệm sinh hóa, xét nghiệm protein, xét nghiệm vi khuẩn và vi rút, xét nghiệm chất chỉ dấu ung thư. Việc làm các xét nghiệm là không thể thiếu được trong việc chuẩn đoán và điều trị bệnh đặc biệt là trong chuẩn đoán sớm bệnh như các căn bệnh ung thư hiên nay. Dựa trên các phương pháp lý hóa, sinh hóa, mẫu phẩm như máu người được phân tách, và dùng các phương pháp nêu trên để phát hiện cũng như định lượng. Các công việc này thường được thực hiện bởi các nhân viên y tế tuân thủ nhiều bước nghiêm ngặt và sử dụng các máy đắt tiền trong các bệnh viện. Ngày nay, với sự phát triển mạnh mẽ của khoa học công nghệ, với xu hướng chăm sóc y tế ngày càng tốt hơn, nhân loại đang hướng tới phát triển những thiết bị nhỏ gọn có thể đáp ứng được việc xét nghiệm hay giám sát theo dõi bệnh tại nhà hoặc theo dõi theo thời gian thực, tăng độ nhạy và sử dụng một lượng nhỏ mẫu phẩm bệnh để xét nghiệm.

Vi cảm biến tích hợp trên kênh vi lỏng đã được phát triển mạnh mẽ trong những thập kỷ gần đây tạo ra một tiềm năng rất lớn phát triển các linh kiện ứng dụng trong xét nghiệm bệnh phẩm với các ưu điểm như nhỏ gọn, dễ tích hợp với các thiết bị điện tử cho việc thu thập xử lý giữ liệu và hiển thị kết quả. Xét nghiệm protein đóng một vai trò trong xét nghiệm bệnh phẩm giúp chuẩn đoán và tối ưu quá trình điều trị của nhiều loại bệnh như căn bệnh ung thư. Các kỹ thuật xét nghiệm nêu trên đã được thế giới áp dụng trong việc phát triển các ứng dụng với một số mục tiêu hướng tới như phát hiện nồng độ thấp giúp phát hiện sớm bệnh ung thư và giảm thời gian xét nghiêm xuống. Xét nghiệm ELISA đã được triển khai ở các trung tâm y tế và bệnh viện. Nhiều loại protein có thể phát hiện cùng một lúc bằng việc sử dụng kỹ thuật protein microarrays tuy nhiên ở nồng độ thấp kỹ thuật này không đạt được độ nhạy cần thiết. Việc chế tạo các cấu trúc vi kênh và việc phát triển Lab-On-a-Chip đã tạo ra một bước ngoặt mới khi việc tập trung protein (làm giàu) có thể được thực hiện trên các vi kênh cấu trúc micro mét. Hơn nữa, với cấu trúc này, thay vì phải lấy một lượng mẫu bệnh phẩm có thể tích lớn thì chỉ cần cỡ vài micro lít đã có thể thực hiện được việc xét nghiệm. Các vi cảm biến cũng có thể được tích hợp trong kênh vi lỏng để phát hiện nhờ vào việc thực hiện xét nghiệm miễn dịch cụ thể là cấy antibody vào trong kênh.

Nhằm nghiên cứu thiết kế, chế tạo hệ thống thao tác tế bào sống tích hợp cảm biến cho kênh vi lỏng dựa trên kỹ thuật điện di điện môi dựa trên công nghệ vi cơ điện tử và vi chế tạo phục vụ một số xét nghiệm y sinh học, nhóm nghiên cứu Trường Đại học Công nghệ - Đại học Quốc gia Hà Nội, do TS. Bùi Thanh Tùng đứng đầu đã đề xuất thực hiện đề tài: “Nghiên cứu phát triển hệ thống thao tác tế bào sống tích hợp cảm biến cho kênh vi lỏng dựa trên kỹ thuật điện di điện môi”.

Sau 24 tháng thực hiện, (từ 04/2017 đến 04/2019), đề tài thu được các kết quả sau:

1. Thiết kế cấu trúc chip vi lỏng cho thao tác tế bào sống tích hợp cảm biến cho kênh vi lỏng dựa trên kỹ thuật điện di điện môi

Các chip vi lỏng trong đề tài này bao gồm các hệ thống đầu vào, đầu ra, các kênh dẫn vi lỏng và hệ thống điều khiển tập chung cùng cảm biến phát hiện tế bào sống. Các kênh dẫn được chế tạo bằng các polymer trên đế thủy tinh hoặc silicon. Các tế bào bị bắt giữ có thể được xác định bằng cách đo đạc sự thay đổi trở kháng của điện cực cảm biến lúc trước và sau khi bắt giữ. Trở kháng giữa các điện cực cảm biến sẽ tăng khi tế bào đích bị bắt giữ trên điện cực do tế bào bị bắt giữ sẽ làm thay đổi môi đường dẫn điện giữa các điện cực. Các cấu trúc điện cực thực hiện điện môi điện di và điện cực cảm biến được thiết kế và mô phỏng dùng phần mềm các phần tử hữu hạn (finite element method - FEM) để tối ưu hoạt động và độ nhạy.

Trong nội dung này, các thông số hình học như kích thước các điện cực, khoảng cách giữa chúng, cũng như vị trí đặt các điện cực cảm biến sẽ được thiết kế và mô phỏng để tối ưu độ nhạy.

2. Chế tạo thử nghiệm và đo thử chip vi lỏng cho thao tác tế bào sống tích hợp cảm biến cho kênh vi lỏng dựa trên kỹ thuật điện di điện môi dựa trên công nghệ vi chế tạo và vật liệu polymer tương thích sinh học

 Các chip vi lỏng tích hợp cảm biến được chế tạo bằng công nghệ vi chế tạo dựa trên máy móc thiết bị của trung tâm Nano và Năng lượng, trường Đại học Khoa học tự nhiên, ĐHQGHN. Hệ vi lỏng tích hợp cảm biến trở kháng và các chế phẩm sinh học hoàn chỉnh được tạo thành bởi quy trình hàn gắn hai nửa: nửa trên là vật liệu PDMS để tạo thành các cấu trúc kênh dẫn, và nửa dưới là đế với điện các điện cực đã được cấy ghép chế phẩm sinh học. Cấu trúc kênh dẫn trên PDMS được tạo khuôn từ SU-8 với quy trình quang khắc và tạo mẫu. Các cấu trúc cảm biến trở kháng cũng như hệ thống các dây dẫn và điện cực được chế tạo thông qua các quy trình lithography và lift-off. Kênh dẫn được tạo thành bằng quy trình hàn gắn chíp độ chính xác cao gắp cấu trúc kênh PDMS với đế thủy tinh. Hệ thống điều khiển và thu thập tín hiệu được xây dựng.

Trong hệ thống này, vi xử lý trung tâm điều khiển bơm các mẫu xét nghiệm vào hệ thống kênh vi lỏng. Tại đây, các tế bào được phân tách tại bộ trộn rồi rồi định hướng tới bộ phận bắt giữ đối tượng đích. Đối tượng đích nếu tồn tại trong mẫu xét nghiệm sẽ được nhận biết và phản hồi về vi xử lý. Các mạch điện tử được thiết kế và chế tạo, phần mềm thu thập xử lý tính hiệu được thực hiện. C

3. Thử nghiệm hệ thống chip vi lỏng để phát hiện một số đối tượng sinh học (ví dụ như tế bào sống hoặc protein) phổ biến trong xét nghiệm y sinh học

Để tối ưu hoạt động thiết kế, chế tạo, khảo sát và đánh giá hoạt động của hệ thống, hoạt động tổng thể của cả hệ thống được kiểm nghiệm tại phòng thí nghiệm MEMS, Trường Đại học Công nghệ - ĐHQGHN và phòng thí nghiệm Sinh học, Vật lý, Trường Đại học Khoa học Tự nhiên.

Các kết quả nghiên cứu của đề tài được đăng trên Kỷ yếu hội nghị chuyên ngành quốc tế về cảm biến và các cơ cấu chấp hành lần thứ 19, tạp chí Biomicrofluidics, tạp chí IEEE Transactions on Dielectrics and Electrical Insulation và tạp chí quốc tế có uy tín Journal of Aerosol Science.

Có thể tìm đọc toàn văn Báo cáo kết quả nghiên cứu của Đề tài (Mã số 16544/2019) tại Cục Thông tin Khoa học và Công nghệ Quốc gia.

P.T.T (NASATI)