خلاصه فناوری:
میکروفلوئیدیک گریز از مرکز یا آزمایشگاهی بر روی دیسک (Lab On a Disk)، یک تکنولوژی جدید برای اتوماسیونسازی فرایندهای آزمایشگاهی و زیستی میباشد. در این روش، از میکروکانالها و محفظهها و واحدهای عملیاتی کوچک برای کنترل سیال و دستیابی به هدف زیستی خاص استفاده میگردد. این طرح، تشخیص سرطان پروستات با روش الایزا را بهصورت کاملاً اتومات در یک دستگاه آزمایشگاه بر روی دیسک ارائه میدهد. البته باید به این نکته توجه شود که این طرح یک رویکرد پلتفرمی دارد و بیومارکر سرطان پروستات به عنوان یک بیومارکر مدل و بسیار مهم برای اجرای طرح انتخاب شده است. با توجه به حجم بسیار کم نمونه مورد بررسی در این روش و نیز حذف مراحل دستی انجام تست، زمان پردازش نمونه بسیار کم بوده و در زمان کوتاهی میتوان آنالیت مورد نظر (که میتواند مربوط به سرطان پروستات باشد) را تشخیص داد. برای نیل به این هدف، لازم است ابتدا با انجام محاسبات و آزمایشات مختلف، واحدهای عملیاتی مورد نظر در دیسک طراحی و سپس دیسک مورد نظر ساخته شود. همچنین با توجه به حساسیت آزمایش تشخیص، لازم است مواد بهکار رفته در ساخت دیسک زیستسازگار باشند. متعاقباً، با توجه به واحدهای عملیاتی طراحی شده در دیسک، پروتکل چرخش دیسک نیز طراحی میشود تا حرکت سیالات در کارتریج کاملاً در کنترل باشد؛ بهگونهای که پس از قرار دادن دیسک روی دستگاه دیسک پلیر و تزریق نمونه مورد نظر به آن، پروتکل چرخش اجرا شود و همه مراحل فرآیند الایزا برای تشخیص به صورت خودکار انجام شود. لازم به ذکر است که روش ساخت این محصول مطابق با تکنولوژیهای روز دنیا و بر پایه روش پرس فورمینگ است و از حیث اقتصادی کاملا مقرونبهصرفه میباشد و همچنین از نظر زمانی هم قابلیت مقیاسپذیری را دارد. اگرچه در سالهای اخیر، محققین ایرانی در داخل کشور در زمینه آزمایشگاه بر روی دیسک شروع به انجام فعالیتهایی در این زمینه کردهاند، اما همه این فعالیتها تنها در حوزه آکادمیک محدود شده است و هنوز هیچ دستگاه پیشرفته میکروفلوئیدیک گریز از مرکزی مبنی بر تشخیص کامل و اتومات بیماری در داخل کشور گزارش نشده است.
ضرورت مسئله
در عصر حاضر، با توجه به خسارات ناشی از شیوع یک بیماری، کنترل و پیشگیری آن از اولویت ویژهای برخوردار است. در بسیاری از موارد، تشخیص به موقع یک بیماری، اهمیتی دوچندان بهمنظور کنترل آن در انسان دارد. در حال حاضر، روشهای مختلفی برای تشخیص بیماریها استفاده میشود که روشهای ایمنیسنجی مانند الایزا و نیز روشهای تشخیص مولکولی مانند پیسیآر از مهمترین روشها هستند. باید توجه داشت که انجام این تستها، به دلیل نیاز به اوپراتور متخصص و تجهیزات آزمایشگاهی نسبتاً گران، در بسیاری از مناطق به ویژه مناطق کمتر برخوردار و روستایی، در دسترس نیست. همچنین توجه به این نکته ضروری است که با انجام تستها توسط اوپراتور، حتی در صورتیکه فردی ماهر باشد، امکان خطا و یا ایجاد آلودگی در نمونهها و یا معرفها همواره وجود دارد. با وجود این ابهامات و چالشها، یک تقاضای فوری برای یک پلتفرم زیستایمن، زیستسازگار، کمهزینه، خودکار، قابل حمل و در دسترس و سریع برای تشخیص انواع بیماریها وجود دارد.
در دهههای گذشته، با ظهور و پیشرفت تکنولوژی میکروفلوئیدیک، تکنیکهای پیشرفتهای برای بهبود روشهای بیولوژیکی از طریق کوچکسازی روشهای موجود و همچنین توسعه رویکردهای تحلیلی ارائه شده است. امروزه، پلتفرمهای مختلف دستکاری سیال و محتویات درون آن به منظور پیادهسازی واحدهای عملیاتی مختلف مانند برداشت نمونه، بارگذاری نمونه، تامین معرف، اندازهگیری حجم سیال، تقسیمکردن سیال، کنترل حرکت سیال توسط سوپاپها و سوئیچها، مسیرها، اختلاط، انکوباسیون، شستوشو و غیره ایجاد شدهاند. در مقایسه با سایر پلتفرمهای میکروفلوئیدیک، رویکرد میکروفلوئیدیک گریز از مرکز، یک راه منحصربهفرد برای ادغام مدیریت و کنترل سیال برای آمادهسازی نمونه و متعاقب آن تشخیص، ارائه میدهد. ادغام فرآیندها روی یک بستر واحد، نیاز به دستورزی سیال در خارج از تراشه توسط اپراتور را (که در اکثر مواقع کاری پرهزینه و مستعد خطا است) از بین میبرد.
مسئله اصلی تحقیق
در این طرح، اتوماسیونسازی فرآیند الایزا برای تشخیص بیماری سرطان پروستات در یک دستگاه میکروفلوئیدیک گریز از مرکز انجام میگردد. این دستگاه بسیار سبک و قابل حمل بوده (دیسکی با وزن کمتر از 200 گرم) و تنها با تزریق حجم بسیار کم از نمونه مورد نظر (خون کامل یا سایر سیالات زیستی) به درون آن، مراحل انجام فرآیند تشخیص سرطان پروستات با روش الایزا به صورت کاملاً اتومات انجام میشود.
به طور کلی، اهداف اصلی زیر برای انجام این طرح در نظر گرفته میشوند:
- طراحی و ساخت دستگاه دیسکپلیر با کنترل سرعت و شتاب دوران به همراه ماژول کنترل دمایی برای اجرا و رصد پروتکلهای طراحی شده برای دیسک و پسپردازش دادهها که برای کارهای آتی تشخیصی نیز بسیار مفید میباشد.
- طراحی و ساخت یک دستگاه میکروفلوئیدیک گریز از مرکز (آزمایشگاه روی دیسک) حاوی واحدهای عملیاتی مختلف برای انجام خودکار فرآیند الایزا.
- ارزیابی کیفیت محصول نهایی با انجام تست الایزا و مقایسه عملکرد سیستم ارائه شده با کیتهای تجاری موجود در بازار.
در ادامه، روش انجام این طرح پژوهشی تشریح میشود:
- ساخت دیسک: ابتدا با انجام محاسبات لازم، ابعاد، شکل و محل قرارگیری واحدهای عملیاتی مختلف شامل محفظهها، میکروکانالها، سوپاپها، سیفونها و سایر اجزای مورد نیاز در دیسک محاسبه میشود. سپس طرح دیسک در نرمافزار سالیدورکس طراحی میشود. در ادامه از صفحه PMMA برای ساخت دیسک استفاده میگردد. نقشه طراحی شده در نرمافزار سالیدورکس با استفاده از روش میکرومیلینگ بر روی PMMA به ضخامت 6 میلیمتر ایجاد میگردد و سپس زیر آن با استفاده از چسبهای حساس به فشار آببندی میشود. برای انجام تست الایزا ابتدا آنتیبادی مربوط به بیماری مورد نظر در کف محفظه پوشش داده میشود. سپس پلاسمای مربوط به خون مورد آزمایش وارد محفظه میگردد و سپس مراحل مربوط به الایزای ساندویچی به صورت کاملاً اتوماتیک انجام میشود.
- ساخت دیسکپلیر: دیسکپلیر باید دارای قابلیت چرخاندن دیسک در دورهای مختلف از 0 تا 70 هرتز باشد و همچنین باید دارای تنظیمات کنترل شتاب تغییر دور در برخی از پروتکلها باشد. برای ساخت چنین دستگاهی به سروو موتور با توان بالا نیاز میباشد که باید توسط یک میکروکنترلر با قابلیت تنظیم در محل، کنترل شود. همچنین حضور یک ماژول گرمایشی در دیسکپلیر میتواند در استفاده از نیروهای پنوماتیک برای کنترل حرکت جریان در دیسک بسیار کمککننده باشد. این ماژول حرارتی شامل هیتر، فن و دماسنج PT100 برای کنترل آنلاین دما است.
- روش انجام آزمایش: مراحل کار مشابه تست الایزا ساندویچی شامل واکنش نمونه با آنتیبادیها و مراحل شستوشو است که به صورت کاملاً خودکار انجام میشود.
نام و نام خانوادگی |
رشته/ مقطع تحصیلی |
همکار/ مشاور طرح |
وضعیت شغلی |
عباس رامیار |
مهندسی مکانیک/دکتری |
مدیر اجرایی |
عضو هیئتعلمی دانشگاه صنعتی نوشیروانی |
امیرحسین قاسمی |
مهندسی مکانیک/دکتری |
همکار |
مدیر عامل شرکت فناوران ریز تراشه افق |
رضا درخشان |
مهندسی مکانیک/دکتری |
همکار |
دانشجوی دکتری دانشگاه صنعتی نوشیروانی |
الهه فردوسی شاهاندشتی |
بیوتکنولوژی/ دکتری |
مشاور امور زیستی |
عضو هیئتعلمی دانشگاه تهران |
حمیدرضا قلینژاد |
مهندسی برق قدرت/دکتری |
مشاور امور برق و آیتی |
شاغل بخش خصوصی |
همتا سالارپور |
زیستشناسی/ کارشناسیارشد |
مشاور امور زیستی |
شاغل بخش خصوصی |
سوابق عرضهکننده فناوری و مسئول اصلی تیم پژوهشی:
دکتر عباس رامیار، دکتری مهندسی مکانیک (تبدیل انرژی) و دانشیار دانشگاه صنعتی نوشیروانی بابل میباشد. وی دارای رتبه اول در بین دانشجویان ورودی در مقاطع ارشد و دکتری در زمان تحصیل بوده و نیز مفتخر به کسب عنوان پژوهشگر برتر دانشگاه صنعتی نوشیروانی بابل درسال 1396 شده است. ایشان همچنین موسس و رئیس آزمایشگاه میکروفلوئیدیک و سیستمهای میکروالکترومکانیکی دانشگاه صنعتی نوشیروانی بابل و رئیس هیات مدیره شرکت فناوران ریزتراشه افق میباشد. مقالات ایشان در اینجا قابل مشاهده است.
دکتر امیرحسین قاسمی، ایشان دکتری مهندسی مکانیک از دانشگاه صنعتی نوشیروانی بابل و مدیر عامل شرکت فناوران ریز تراشه افق میباشد که دارای بیش از 6 سال سابقه انجام کار پژوهشی در آزمایشگاه میکروفلوئیدیک و سیستمهای میکروالکترومکانیکی است. وی در طول سالها کار پژوهشی در ایران و همچنین مراکز معتبر علمی جهان، موفق به چاپ چندین مقاله علمی در مجلات معتبر جهانی، چاپ کتاب و ثبت اختراع شده است و همچنین از برگزیدگان بنیاد ملی نخبگان نیز میباشد. تعدادی از مقالات معتبر علمی ایشان در حوزه میکروفلوئیدیک در ژورنالهای معتبر خارجی در اینجا قابل مشاهده است.
رضا درخشان، عضو هیات مدیره شرکت فناوران ریزتراشه افق و دانشجوی دکتری مهندسی مکانیک (تبدیل انرژی) در دانشگاه صنعتی نوشیروانی با بیش از چهار سال سابقه کار پژوهشی در آزمایشگاه میکروفلوئیدیک و سیستمهای میکروالکترومکانیکی میباشد. وی رتبه اول در بین دانشجویان ورودی مقطع دکتری در دانشگاه نوشیروانی و نیز برگزیده طرح شهید وزوایی بنیاد ملی نخبگان میباشد. با توجه به علاقمندی ایشان به زمینه میکروفلوئیدیک، تاکنون مقالات مختلف مرتبط به این حوزه را در ژورنالهای معتبر خارجی به چاپ رسانید. مقالات ایشان در اینجا قابل مشاهده است.
- به طور کلی، میتوان گفت مزایای (ارزش) محصول حاضر شامل موارد زیر است:
- ارائه یک کیت تشخیص قابل حمل، سبک، کوچک و یکبار مصرف
- پلتفرمی بودن محصول به این معنی که در صورت نیاز با اعمال تغییرات جزئی در طراحی، میتوان از آن برای تشخیص سایر بیماریها استفاده کرد.
- قیمت بسیار ارزان (هزینه تمامشده هر تست با محصول حاضر کمتر از هزینه تست با روش مرسوم کنونی است)
- دقت بالای تشخیص و کاهش بروز خطای احتمالی (به دلیل حذف مراحل انجام دستی آزمایش)
- عدم نیاز به تجهیزات آزمایشگاهی گران و شرایط محیطی خاص برای انجام تست
- حذف کامل نیاز به اپراتور متخصص برای انجام تست
- مناسب برای استفاده در مناطقی که دسترسی به آزمایشگاههای تشخیصی مجهز وجود ندارد مانند مناطق کمتر برخوردار، روستایی و نواحی دور افتاده
- کاهش زمان تست و امکان انجام تستها به صورت موازی
- تطبیقپذیری محصول برای تشخیص بیماریهای مختلف
- امکان تشخیص چند نوع بیماری از یک نمونه زیستی با استفاده از یک کارتریج (امکان تشخیص چندگانه بیماری)
طرح پژوهشی حاضر، به دلیل ارائه مزایای منحصربهفرد از جمله تسهیل فرآیند تشخیص انواع بیماریها با روش الایزا، کاهش هزینه آزمایشات، حذف نیاز به اپراتور متخصص و از همه مهمتر، پتانسیل بالای این محصول در تولید انبوه، پلتفرمی جذاب برای تجاریسازی در مقیاس انبوه خواهد بود. با تولید انبوه این محصول، امکان انجام تست سریع انواع بیماریها از جمله بیماری سرطان پروستات در مناطقی با تجهیزات آزمایشگاهی محدود، کمتر برخوردار و روستایی تسهیل میشود. همچنین، قیمت مناسب، دقت و سرعت بالا، و طرز استفاده آسان این محصول، میتواند آن را به یک رقیب بسیار جدی برای کیتهای تجاری حاضر تبدیل کند. از طرفی، پتانسیل تولید انبوه این سیستم امکان صادرات آن را به کشورهای همسایه فراهم میکند.
- طراحی و ساخت یک دستگاه میکروفلوئیدیک گریز از مرکز برای تشخیص بیماری سرطان پروستات بهصورت کاملاً اتومات و بهصورت بر بالین
- طراحی و ساخت دستگاه دیسکپلیر با کنترل سرعت و شتاب دوران به همراه ماژول کنترل دمایی
- اعتبارسنجی نتایج تستها و مقایسه آنها با نتایج کیتهای تجاری موجود
- دستیابی به یک پلتفرم تشخیصی کاملاً خودکار از نوع تشخیص بر بالین برای تشخیص انواع بیماریها به روش الایزا
- هزینه اجرای طرح حدود 600 میلیون تومان برآورد میشود که حداکثر 70 درصد این مبلغ تا سقف 300 میلیون تومان، از محل حمایت صندوق نوآوری و شکوفایی تامین خواهد شد.
- مدتزمان اجرای طرح حدود 12 ماه برآورد میشود.
- مالکیت معنوی: مشارکتکننده در مالکیت معنوی ناشی از اجرای تحقیق سهیم خواهد بود و انتشار مقاله مشترک توسط مجری و مشارکتکننده در ژورنالهای داخلی و خارجی، ارائه مقاله در کنفرانسها و سمینارها با موافقت و اشاره به نام همه دستاندرکاران مجاز خواهد بود.
- مالکیت منافع مادی: سهم مشارکت شرکت/شتابدهنده متقاضی حداقل 10 و حداکثر 35 درصد خواهد بود (منافع مالی ناشی از توسعه این فناوری بر اساس توافق طرفین و مشترک خواهد بود و باتوجهبه سهم آورده نقدی و غیرنقدی توسعهدهنده، سهم مالکیت قابلمذاکره و توافق است).
شماره تماس:
09025555482
09025555471
اینستاگرام:
iran.challenges@