Cảm biến sinh học điện hóa vi lưu giúp chẩn đoán sớm ung thư vú

TS. Nguyễn Vân Anh (trường Đại học Bách Khoa Hà Nội) - Chủ nhiệm đề tài “Chế tạo cảm biến sinh học điện hóa vi lưu sử dụng các hạt nano từ, ứng dụng trong nhận biết một số dấu ấn ung thư nhằm chẩn đoán sớm ung thư vú ở người” cùng các cộng sự đặt mục tiêu: Hướng tới công nghệ chế tạo và phát triển cảm biến sinh học điện hóa vi lưu tích hợp cho quá trình nhận biết các dấu hiệu của bệnh như ung thư.

Bên cạnh đó, ứng dụng công nghệ nano trong chế tạo các hạt có từ tính có gắn kết các thành phần sinh học nhằm tăng độ nhạy và độ chính xác của cảm biến, phục vụ cho việc phân tích sàng lọc và chuẩn đoán bệnh ở giai đoạn tiền nhiễm.

Sau một thời gian thực hiện, đề tài đã thu được một số kết quả:

Đã nghiên cứu và chế tạo được hệ vi lưu trên cơ sở vật liệu PDMS và PMMA, có thể tích hợp với cảm biến sinh học và cảm biến điện hóa.

Chíp vi lưu định hướng ứng dụng trong phân tích điện hóa và sinh học, được cấu thành từ hai phần thử chính: các hệ vi kênh (micro-channel) thường được thiết kế trên nền vật liệu như: Poly (dimethylsiloxane) - PDMS hay Poly (methyl methacrylate) - PMMA.

Các microchannel được thiết kế theo điều kiện thực tế của quá trình phân tích. Các kênh này thường gồm 3 khu vực chức năng chính: khu vực bơm mẫu vào (inlets) - gồm nhiều vị trí đầu vào cho dòng chất; khu vực khuấy trộn - gồm các đoạn kênh dẫn dòng chất lỏng chảy vào khu vực chia dòng hoặc tái hợp dòng hoặc dẫn dòng chất lỏng đi ziczac; khu vực phản ứng/bẫy hạt nano.

1. Thiết kế kênh

Các vi kênh được thiết kế bằng phần mềm Inkscape để có độ phân giải cao cho việc chế tạo mask (mặt nạ) được tốt nhất. Hình 1 mô tả mask được thiết kế để in. Mask được in bằng kỹ thuật in lưới với độ phân giải cao

2. Chế tạo kênh - Các vi kênh được chế tạo theo kỹ thuật đúc khuôn.

Vật liệu làm kênh phổ biến hiện nay là Polydimethylsiloxane (PDMS), vật liệu này cho phép việc chế tạo kênh đơn giản và có tính tùy biến cao. Quy trình chế tạo kênh được thực hiện trong nghiên cứu của đề tài này theo sơ đồ sau: (1) và (2) Khuôn đúc kênh từ vật liệu PDMS (SYLGARD® 184 SILICONE ELASTOMER KIT - Dow Corning, được trộn với tỷ lệ silicon elastome: curing agent là 10:1) được thực hiện bằng kỹ thuật quang khắc (lithography) sử dụng chất cảm quang SU-3 3050. (3) và (4) Tách kênh PDMS sau khi đã đóng rắn ra khỏi khuôn, cắt định hình và tạo đường vào và ra cho kênh. (5) Gắn kênh PDMS lên đế (silicon hoặc PMMA) và tích hợp cảm biến điện hóa cho ứng dụng phân tích của đề tài. Kênh PDMS được gắn lên đế nhờ kết cấu cơ khí và kỹ thuật gắn kênh không dùng plasma (sử dụng kỹ thuật “đóng dấu – stamping” sử dụng chất kết dính là lớp mỏng PDMS).

3. Chế tạo hệ điện cực điện hóa tích hợp Cảm biến điện hóa sử dụng hệ điện cực tích hợp được biến tính bề mặt được chế tạo qua hai giai đoạn:

a. Chế tạo hệ điện cực tích hợp: Điện cực tích hợp gồm 3 điện cực thành phần: Điện cực làm việc (Working electrode) được và điện cực đối (Counter electrode) được làm từ vật liệu Pt, Điện cực so sánh (Reference electrode) là Ag/AgCl. Hệ điện cực này được chế tạo bằng kỹ thuật vi chế tạo dùng trong chế tạo các hệ vi cơ điện tử (MEMS).

Ngoài hệ điện cực này, nhóm nghiên cứu còn sử dụng hệ điện cực mạch in (Screenprinted eledtrodes - SPEs) được chế tại phòng thí nghiệm với mục đích đơn giản hóa quy trình chế tạo điện cực và giảm chi phí trong các phép phân tích. Quy trình chế tạo các điện cực này được mô tả chi tiết trong bài báo [Nguyen H. L., Electroanalysis, 2017].

b. Chế tạo cảm biến điện hóa trên cơ sở biến tính bề mặt điện cực Bề mặt hệ điện cực tích hợp được biến tính với mục đích tạo ra các cảm biến có khả năng phân tích sinh học đặc hiệu với một số biomarker của bệnh ung thư vú trong dung dịch mẫu thông qua việc khảo sát tính chất điện và điện hóa. Phương pháp biến tính và các kết quả thử nghiệm được mô tả chi tiết trong các bài báo đã đăng.

4. Đóng gói chíp (packing).

Sau khi chế tạo các thành phần cấu tạo nên chíp vi dòng, công đoạn đóng gói chíp (packing) cho phép tạo ra chíp hoàn thiện và sẵn sàng cho các bước tiếp theo trong phân tích sinh học. Kỹ thuật đóng gói chíp trong nghiên cứu của đề tài này là một phần quan trọng giúp cho việc thao tác trước và sau khi sử dụng chíp được dễ dàng và thuận tiện.

Vi kênh PDMS được gắn lên đế có tích hợp các điện cực bằng kỹ thuật không gắn cố định mà có thể mở kênh sau đó gắn lại (reversible packaging) cho phép tiến hành rửa kênh và thay kênh mới một cách dễ dàng.

Nguồn: Cục Thông tin khoa học và công nghệ quốc gia.