Trung tâm công nghệ sinh học Thành Phố Hồ Chí Minh

"Kẹp ma trận giọt (Droplet-array sandwiching)" là một kỹ thuật thao tác chất lỏng, trong đó các cặp giọt nhỏ nằm trên các bề mặt đối diện được trộn lẫn bằng cách đưa hai bề mặt lại gần nhau. Tuy nhiên, phương pháp tiếp cận này bị giới hạn khi muốn thao tác hàng loạt trên tất cả các giọt. Gần đây, các nhà khoa học từ Đại học Ritsumeikan, Nhật Bản, đã tìm ra cách điều khiển chiều cao của các giọt riêng lẻ bằng điện, cho phép họ chọn cặp giọt nào nên hợp nhất. Phương pháp của họ có thể thay thế các công cụ thủ công như pipet và tăng tốc độ sàng lọc thuốc.

Thu nhỏ hóa (Miniaturization) đang nhanh chóng định hình lại lĩnh vực hóa sinh, với các công nghệ mới nổi như kênh dẫn vi lưu (microfluidics) và các thiết bị “phòng thí nghiệm trên chip (lab-on-a-chip)” đang làm điên đảo thế giới. Các phản ứng hóa học thường tiến hành trong các bình và ống bây giờ có thể được thực hiện trong các giọt nước nhỏ không lớn hơn vài phần triệu lít. Đặc biệt, trong kỹ thuật kẹp ma trận giọt, những giọt nhỏ như vậy được sắp xếp có trật tự trên hai bề mặt phẳng song song đối diện nhau. Bằng cách đưa bề mặt trên xuống đủ gần với bề mặt dưới, mỗi giọt ở trên tiếp xúc với giọt đối diện ở mặt dưới, trao đổi chất và chuyển các hạt hoặc thậm chí các tế bào. Theo nghĩa đen, những giọt nước này có thể hoạt động như các buồng phản ứng nhỏ hoặc dịch nuôi cấy tế bào, và chúng cũng có thể hoàn thành vai trò của các công cụ xử lý chất lỏng như pipet nhưng ở quy mô nhỏ hơn nhiều.

Vấn đề với kỹ thuật kẹp ma trận giọt là không có sự kiểm soát riêng rẻ từng giọt; khi bề mặt trên được hạ xuống, mỗi giọt trên bề mặt dưới nhất thiết phải tiếp xúc với một giọt trên bề mặt trên. Nói cách khác, công nghệ này bị giới hạn khi cần thao tác hàng loạt, điều này hạn chế tính linh hoạt và làm cho nó đắt hơn. Có thể có một cách đơn giản để chọn các giọt nào sẽ tiếp xúc khi hai bề mặt xích lại gần nhau không?

Nhờ Giáo sư Satoshi Konishi và các đồng nghiệp của ông tại Đại học Ritsumeikan, Nhật Bản, câu trả lời là có! Trong một nghiên cứu gần đây được công bố trên tạp chí Scientific Reports, nhóm các nhà khoa học này đã trình bày một kỹ thuật mới cho phép chúng ta có thể chọn riêng từng giọt để tiếp xúc trong kỹ thuật kẹp ma trận giọt. Ý tưởng đằng sau cách tiếp cận của họ khá đơn giản: nếu chúng ta có thể kiểm soát chiều cao của từng giọt riêng lẻ trên bề mặt đáy để làm cho một số giọt cao hơn những giọt khác, chúng ta có thể đưa cả hai bề mặt lại gần nhau sao cho chỉ những giọt đó tiếp xúc với các cặp giọt tương ứng và bỏ qua những giọt còn lại. Tuy nhiên, để đạt được điều này thực sự thì phức tạp hơn một chút.

Các nhà nghiên cứu trước đó đã cố gắng sử dụng điện để kiểm soát "khả năng thấm ướt" của vật liệu điện môi ở vùng bên dưới mỗi giọt. Cách tiếp cận này, được gọi là " electrowetting-on-dielectric (EWOD)," cho phép thay đổi một chút sự cân bằng của các lực giữ một giọt nước lại khi nằm trên một bề mặt. Bằng cách đặt một điện áp dưới giọt nước, có thể làm cho nó hơi lan ra, tăng diện tích và giảm chiều cao của giọt nước. Tuy nhiên, nhóm nghiên cứu nhận thấy rằng quá trình này không thể đảo ngược dễ dàng, vì các giọt nước sẽ không tự phục hồi chiều cao ban đầu của chúng một khi ngắt điện áp.

Để giải quyết vấn đề này, họ đã phát triển một điện cực EWOD có kiểu ưa nước-kỵ nước. Khi bật điện cực, quá trình được mô tả trước đó làm cho giọt ở mặt trên lan ra và trở nên ngắn hơn. Ngược lại, khi điện cực bị tắt, phần kỵ nước bên ngoài của điện cực đẩy giọt nước trong khi phần ưa nước bên trong thu hút nó. Điều này khôi phục lại hình dạng và chiều cao ban đầu của giọt!

Các nhà nghiên cứu đã giới thiệu phương pháp của họ bằng cách đặt nhiều điện cực EWOD trên bề mặt dưới của một bộ kẹp ma trận giọt nước. Chỉ cần đặt điện áp vào các điện cực đã chọn, họ có thể dễ dàng chọn cặp giọt nào tiếp xúc khi mặt trên được hạ xuống. Trong phần trình diễn của mình, họ đã chuyển thuốc nhuộm màu đỏ từ những giọt ở mặt trên sang chỉ một số giọt ở mặt dưới. Giáo sư Konishi giải thích: “Phương pháp của chúng tôi có thể được sử dụng để thiết lập các điểm tiếp xúc riêng lẻ giữa các giọt bằng điện, cho phép dễ dàng kiểm soát nồng độ hóa chất trong các giọt hoặc thậm chí chuyển các tế bào sống từ giọt này sang giọt kia.

Nghiên cứu này mở đường cho sự kết hợp có hiệu quả giữa các kỹ thuật xử lý giọt và tự động hóa. Giáo sư Konishi nhấn mạnh: "Chúng tôi hình dung rằng công nghệ phòng thí nghiệm trên chip sử dụng các giọt nhỏ sẽ thay thế các thao tác thủ công thông thường sử dụng các công cụ như pipet, từ đó nâng cao hiệu quả của việc sàng lọc thuốc. Điều này thúc đẩy quá trình phát hiện thuốc." Ông cho biết thêm rằng việc nuôi cấy tế bào trong các giọt treo, đã được sử dụng trong lĩnh vực sinh học tế bào, cũng sẽ làm cho việc đánh giá thuốc và hóa chất sử dụng mô hình tế bào trở nên rẻ hơn và nhanh hơn. Đây là một công cụ có giá trị cho lĩnh vực sinh hóa và sinh học tế bào.

Hãy để chúng tôi hy vọng thành quả của công nghệ này sẽ sớm đạt được!

Nguồn: https://www.sciencedaily.com/releases/2021/07/210707140725.htm