تاریخ شروع : 1402/12/01
مهلت ارسال : 1402/12/20
گرنت صندوق نوآوری و شکوفایی:
حمایت بلاعوض از طرح تا سقف 700 میلیون تومان
حمایت بلاعوض از طرح تا سقف 700 میلیون تومان
مهلت ارسال پروپوزال به اتمام رسیده است
طراحی و ساخت دستگاه تشخیصی برای پایش فاکتورهای خونی بر اساس فناوری میکروسبالات گریز از مرکز
خلاصه فناوری
دستگاه‌های تشخیص طبی قابل حمل با قابلیت سنجش دقیق و سریع بیماری‌ها و پارامترهای خونی یکی از حوزه‌های مهم بخش فناوری‌های حوزه سلامت است. در سالیان اخیر دستگاه‌های مبتنی بر میکروسیالات (Microfluidics) یکی از انتخاب‌های مناسب برای این حوزه بوده است. دستگاه‌های میکروسیالاتی امکان کوچک‌سازی (Miniaturization)، تجمیع کردن (Integration) و خودکارسازی (Automation) فرایندهای آزمایشگاهی را برای طیف وسیعی از موارد ابتدایی تا فرآیندهای پیچیده بیوشیمیایی فراهم می‌سازد. دستگاه‌های مبتنی بر فناوری میکروسیالات به دلیل ویژگی‌های مرتبط، این قابلیت را دارا هستند تا به‌عنوان دستگاه‌های رایج برای تشخیص‌های پزشکی تبدیل گردند. به‌طورکلی این دستگاه‌ها شامل دو بخش اصلی هستند: بخش اول چیپ‌های میکروسیالاتی که دربردارنده شبکه‌های میکروسیالاتی هستند و قابلیت انجام فرایندهای شیمیایی و بیولوژیکی را به‌صورت متوالی و خودکار دارا می‌باشند. بخش دیگر سیستم، یک دستگاه شناساگر است که شامل بخش‌های درایور و سنجش با استفاده از حسگرهای گوناگون است. میکروسیالات سانتریفیوژ یا آزمایشگاه بر روی دیسک (Lab-on-Disc) یکی از حوزه‌هایی است که از اعمال دوران بر روی دیسک‌های میکروسیالاتی به‌منظور انجام فرایندهای موردنیاز جهت آماده‌سازی نمونه و در نهایت انجام واکنش و سنجش بهره می‌برد. عملیات سیالی مانند ترکیب نمونه‌ها و شاخص‌ها و یا اندازه‌گیری حجم سیال می‌تواند با به‌کارگیری الگوهای دورانی برای اعمال نیروهای گریز از مرکز حاصل شود. ویژگی‌های این سیستم همچون مصرف کم نمونه سیالات بیولوژیک، امکان پیاده‌سازی پروتکل‌های پیچیده آزمایشگاهی و همچنین افزایش دقت و سرعت تست‌ها باعث گردیده است که دستگاه‌های تجاری مختلفی بر اساس این فناوری در سالیان اخیر به بازار راه پیدا کنند. دامنه کاربرد ابزارهای قابل حمل مبتنی بر فناوری آزمایشگاه بر روی دیسک، طیف وسیعی از دستگاه‌های تشخیص فردی، دستگاه‌های تست محیطی و دستگاه‌های آزمایشگاهی را شامل می‌شود.
ضرورت مسئله
دستگاه‌های تشخیص طبی قابل حمل با قابلیت سنجش دقیق و سریع بیماری‌ها و پارامترهای خونی یکی از حوزه‌های مهم بخش فناوری‌های حوزه سلامت است. در سالیان اخیر دستگاه‌های مبتنی بر میکروسیالات (Microfluidics) یکی از انتخاب‌های مناسب برای این حوزه بوده است. دستگاه‌های میکروسیالاتی امکان کوچک‌سازی (Miniaturization)، تجمیع کردن (Integration) و خودکارسازی (Automation) فرایندهای آزمایشگاهی را برای طیف وسیعی از موارد ابتدایی تا فرآیندهای پیچیده بیوشیمیایی فراهم می‌سازد. دستگاه‌های مبتنی بر فناوری میکروسیالات به دلیل ویژگی‌های مرتبط، این قابلیت را دارا هستند تا به‌عنوان دستگاه‌های رایج برای تشخیص‌های پزشکی تبدیل گردند. به‌طورکلی این دستگاه‌ها شامل دو بخش اصلی هستند: بخش اول چیپ‌های میکروسیالاتی که دربردارنده شبکه‌های میکروسیالاتی هستند و قابلیت انجام فرایندهای شیمیایی و بیولوژیکی را به‌صورت متوالی و خودکار دارا می‌باشند. بخش دیگر سیستم، یک دستگاه شناساگر است که شامل بخش‌های درایور و سنجش با استفاده از حسگرهای گوناگون است. میکروسیالات سانتریفیوژ یا آزمایشگاه بر روی دیسک (Lab-on-Disc) یکی از حوزه‌هایی است که از اعمال دوران بر روی دیسک‌های میکروسیالاتی به‌منظور انجام فرایندهای موردنیاز جهت آماده‌سازی نمونه و در نهایت انجام واکنش و سنجش بهره می‌برد. عملیات سیالی مانند ترکیب نمونه‌ها و شاخص‌ها و یا اندازه‌گیری حجم سیال می‌تواند با به‌کارگیری الگوهای دورانی برای اعمال نیروهای گریز از مرکز حاصل شود. ویژگی‌های این سیستم همچون مصرف کم نمونه سیالات بیولوژیک، امکان پیاده‌سازی پروتکل‌های پیچیده آزمایشگاهی و همچنین افزایش دقت و سرعت تست‌ها باعث گردیده است که دستگاه‌های تجاری مختلفی بر اساس این فناوری در سالیان اخیر به بازار راه پیدا کنند. دامنه کاربرد ابزارهای قابل حمل مبتنی بر فناوری آزمایشگاه بر روی دیسک، طیف وسیعی از دستگاه‌های تشخیص فردی، دستگاه‌های تست محیطی و دستگاه‌های آزمایشگاهی را شامل می‌شود.
ضرورت مسئله
یکروسیالات گریزازمرکز (Centrifugal Microfluidics) یا همان سیستم‌های آزمایشگاه روی دیسک(Lab-on-Disc) یکی از شاخه‌های میکروسیالات است که در آن با بهره‌گیری از نیروهای دورانی در سیستم‌های دوار، نیروی لازم برای حرکت سیال در شبکه‌های میکروسیالاتی که دارای بخش‌های عملکردی مختلف (مانند مخلوط‌کننده، دریچه و موارد دیگر) هستند، تأمین می‌گردد. این سیستم‌های دوار عمدتاً به شکل لوح‌های فشرده (Compact Disk) ساخته می‌شوند ( قطر 8 تا 12 سانتیمتر) و به همین جهت به آن‌ها Lab-on-a-Disc نیز گفته می‌شود. سیستم‌های مبتنی بر فناوری ریز سیالات دورانی این قابلیت را دارا هستند تا به‌عنوان دستگاه‌های رایج برای تشخیص‌های معمول پزشکی تبدیل گردند. عملیات پردازش سیال مانند ترکیب نمونه‌ها و معرف‌ها و یا اندازه‌گیری حجم سیال می‌تواند به‌راحتی با به‌کارگیری از الگوهای دورانی دیسک حاصل شود. به‌طورکلی این دستگاه‌ها شامل دیسک‌های میکروسیالاتی و درایور این دیسک‌ها هستند. درایور شامل قسمت‌های کنترل حرکت دیسک (موتور، بردکنترلی، و...) و قسمت‌های خوانش (قسمت‌های اپتیکی، نمایش‌گر، نرم‌افزاری و ...) می‌باشد.ساخت دیسک میکروسیالاتی که بتواند تنها با اعمال نیروی گریزازمرکز که ناشی از حرکت دیسک در دستگاه شناساگر و یا به‌اصطلاح درایور آن است، سیال را در چاهک‌ها و کانال‌ها به حرکت در آورد، یکی از فناوری‌های مهم این طرح می‌باشد. طراحی مسیرهای عبوری نمونه، تعبیه‌کردن چاهک‌های حاوی معرف‌های شناساگر و کانال‌های ارتباطی و نیز دریچه‌ها و مخلوط‌کننده‌ها، در مجموع می‌بایست به صورتی باشند که تمامی مراحل انجام یک تست تشخیصی برای مثال یک تست بیوشیمیایی، بدون دخالت کاربر و تنها پس از واردکردن نمونه و قراردادن دیسک در دستگاه شناساگر (جزء مهم دیگر این مجموعه تشخیصی) و حرکت دورانی دیسک، مرحله‌به‌مرحله اجرا شود و در نهایت دستگاه شناساگر مقدار کمی آنالیت اندازه‌گیری شده را گزارش کند.
فناوری ساخت شناساگر مربوط به حرکت و خوانش دیسک‌های میکروسیالاتی، خود شامل دو فناوری دیگر در حوزه اپتیک و نیز مکاترونیک می‌شود. ساخت شناساگری ارزان‌قیمت که بتواند بادقت نزدیک به نمونه‌های تجاری خوانش را توسط سیستم‌های اپتیکی انجام دهد و نیز سیستم مکاترونیکی که در عین قیمت ارزان بتواند تا حد قابل قبولی قابلیت‌های سیستم‌های تجاری موجود را دارا باشد، پیچیدگی‌های فنی سخت‌افزاری و نیز نرم‌افزاری خود را دارد.
علاوه بر موارد ذکر شده ارتباط سیستم شناساگر با گوشی همراه کاربر نیازمند طراحی یک رابط کاربری و یک برنامه موبایلی است که اولین ویژگی آن کاربرپسند بودن آن می‌باشد.
در مجموع هر سه فناوری اطلاعات، نانو و زیستی در ساخت این سیستم تشخیصی به کار گرفته می‌شوند.
مسئله اصلی تحقیق
دستگاه موردنظر در این طرح به‌منظور اندازه‌گیری غلظت پارامترهای خونی (مارکرهای بیوشیمیایی خونی) بر اساس نمونه خون وارد شده به دستگاه می‌باشد. ازآنجاکه روش آزمایشگاهی موردنظر، روش سنجش بیوشیمیایی است؛ ابتدا لازم است که بر اساس پروتکل‌ها بافرهای بیوشیمیایی با حجم‌های مشخص با نمونه خون وارد شده ترکیب گشته و طی فرآیندهای سیالاتی نمونه مخلوط‌شده با حجم مشخصی به محفظه سنجش وارد گردد. تعداد و نوع عملیات سیالاتی انجام شده بر روی نمونه خون بستگی به نوع پروتکل و همچنین پارامتر خونی موردنظر دارد. مرحله نهایی شامل اندازه‌گیری‌های اپتیکی بر روی نمونه‌های آماده شده در محفظه خوانش است.
تمامی مراحل آزمایش به‌وسیله اعمال دوره‌های مختلف بر روی دیسک میکروسیالاتی انجام می‌پذیرد. نیروهای سانتریفیوژ و سایر نیروهای وارد شده در اثر دوران دیسک و همچنین طراحی‌های منحصربه‌فرد برای کانال‌ها و محفظه‌های میکروسیالاتی، اساس کار این دستگاه می‌باشد. این مراحل توسط درایورهای دورانی شامل موتور و برد کنترلی صورت می‌پذیرد. مراحل اپتیکال باید به‌گونه‌ای صورت بپذیرد که دقت و سرعت موردنظر را داشته باشد. این بخش توسط یک سیستم فایبر اپتیک صورت می‌پذیرد. نتایج در برد اصلی دستگاه مورد بررسی قرار گرفته و بر اساس نمودارهای استاندارد، غلظت پارامتر خونی موردنظر اعلام می‌گردد. علاوه بر دقت بالای ماژول‌های مختلف استفاده شده در دستگاه، هزینه کلی پایین دستگاه از پارامترهای مهم خروجی طرح است. براین‌اساس طراحی کلی دستگاه به‌گونه‌ای انجام‌گرفته است تا علاوه بر انجام تست‌هایی بادقت‌های قابل‌مقایسه با دستگاه‌های متداول آزمایشگاهی، امکان رقابت‌پذیری دستگاه نهایی با نمونه‌های موجود در بازار نیز فراهم گردد. ازاین‌رو تعداد پارامترهای مورد سنجش در دستگاه به‌گونه‌ای محدود می‌گردد که نیاز به دستگاه‌های گران‌قیمت سنجش نباشد.
هر دستگاه شناساگر این قابلیت را دارا می‌باشد که دیسک‌هایی را که بر اساس پارامترهای مشخص طراحی گردیده‌اند، مورد تجزیه و تحلیل قرار دهد؛ بنابراین این امکان فراهم می‌گردد که دیسک‌هایی را در اختیار داشته باشیم که هرکدام مجموعه چهار یا پنج‌تایی از مارکرهای خونی (یا سایر مایعات بدن) مربوط به بیماری(های) خاصی را پوشش دهند.
فناوری ساخت شناساگر مربوط به حرکت و خوانش دیسک‌های میکروسیالاتی، خود شامل دو فناوری دیگر در حوزه اپتیک و نیز مکاترونیک می‌شود. ساخت شناساگری ارزان‌قیمت که بتواند بادقت نزدیک به نمونه‌های تجاری خوانش را توسط سیستم‌های اپتیکی انجام دهد و نیز سیستم مکاترونیکی که در عین قیمت ارزان بتواند تا حد قابل قبولی قابلیت‌های سیستم‌های تجاری موجود را دارا باشد، پیچیدگی‌های فنی سخت‌افزاری و نیز نرم‌افزاری خود را دارد.
علاوه بر موارد ذکر شده ارتباط سیستم شناساگر با گوشی همراه کاربر نیازمند طراحی یک رابط کاربری و یک برنامه موبایلی است که اولین ویژگی آن کاربرپسند بودن آن می‌باشد.
در مجموع هر سه فناوری اطلاعات، نانو و زیستی در ساخت این سیستم تشخیصی به کار گرفته می‌شوند.
مسئله اصلی تحقیق
دستگاه موردنظر در این طرح به‌منظور اندازه‌گیری غلظت پارامترهای خونی (مارکرهای بیوشیمیایی خونی) بر اساس نمونه خون وارد شده به دستگاه می‌باشد. ازآنجاکه روش آزمایشگاهی موردنظر، روش سنجش بیوشیمیایی است؛ ابتدا لازم است که بر اساس پروتکل‌ها بافرهای بیوشیمیایی با حجم‌های مشخص با نمونه خون وارد شده ترکیب گشته و طی فرآیندهای سیالاتی نمونه مخلوط‌شده با حجم مشخصی به محفظه سنجش وارد گردد. تعداد و نوع عملیات سیالاتی انجام شده بر روی نمونه خون بستگی به نوع پروتکل و همچنین پارامتر خونی موردنظر دارد. مرحله نهایی شامل اندازه‌گیری‌های اپتیکی بر روی نمونه‌های آماده شده در محفظه خوانش است.
تمامی مراحل آزمایش به‌وسیله اعمال دوره‌های مختلف بر روی دیسک میکروسیالاتی انجام می‌پذیرد. نیروهای سانتریفیوژ و سایر نیروهای وارد شده در اثر دوران دیسک و همچنین طراحی‌های منحصربه‌فرد برای کانال‌ها و محفظه‌های میکروسیالاتی، اساس کار این دستگاه می‌باشد. این مراحل توسط درایورهای دورانی شامل موتور و برد کنترلی صورت می‌پذیرد. مراحل اپتیکال باید به‌گونه‌ای صورت بپذیرد که دقت و سرعت موردنظر را داشته باشد. این بخش توسط یک سیستم فایبر اپتیک صورت می‌پذیرد. نتایج در برد اصلی دستگاه مورد بررسی قرار گرفته و بر اساس نمودارهای استاندارد، غلظت پارامتر خونی موردنظر اعلام می‌گردد. علاوه بر دقت بالای ماژول‌های مختلف استفاده شده در دستگاه، هزینه کلی پایین دستگاه از پارامترهای مهم خروجی طرح است. براین‌اساس طراحی کلی دستگاه به‌گونه‌ای انجام‌گرفته است تا علاوه بر انجام تست‌هایی بادقت‌های قابل‌مقایسه با دستگاه‌های متداول آزمایشگاهی، امکان رقابت‌پذیری دستگاه نهایی با نمونه‌های موجود در بازار نیز فراهم گردد. ازاین‌رو تعداد پارامترهای مورد سنجش در دستگاه به‌گونه‌ای محدود می‌گردد که نیاز به دستگاه‌های گران‌قیمت سنجش نباشد.
هر دستگاه شناساگر این قابلیت را دارا می‌باشد که دیسک‌هایی را که بر اساس پارامترهای مشخص طراحی گردیده‌اند، مورد تجزیه و تحلیل قرار دهد؛ بنابراین این امکان فراهم می‌گردد که دیسک‌هایی را در اختیار داشته باشیم که هرکدام مجموعه چهار یا پنج‌تایی از مارکرهای خونی (یا سایر مایعات بدن) مربوط به بیماری(های) خاصی را پوشش دهند.
درباره تیم پژوهشی
| نام و نام‌خانوادگی | رشته/ مقطع تحصیلی | همکار/ مشاور طرح | وضعیت شغلی |
| اسماعیل پیش بین | دکتری مهندسی مکانیک | مدیراجرایی | هیئت علمی |
| عمیدرهی | دکتری نانو فناوری پزشکی | همکار | فارغ التحصیل |
| مانا شاهدی | کارشناسی ارشد مدیریت فناروی | همکار | فارغ التحصیل |
| امین دهقان | کارشناسی ارشد مهندسی مکانیک | همکار | فارغ التحصیل |
| کامیار بشیرپور | کارشناسی ارشد مکاترونیک | مشاور | فارغ التحصیل |
سوابق عرضه‌کننده فناوری و مسئول اصلی تیم پژوهشی
دکتر اسماعیل پیش‌بین استادیار گروه مهندسی پزشکی سازمان پژوهش‌های علمی و صنعتی ایران می‌باشند. ایشان در رشته مهندسی مکانیک گرایش بیومکانیک از دانشگاه علم و صنعت ایران در مقطع دکتری فارغ‌التحصیل شده‌اند و یک دوره فرصت مطالعاتی در آزمایشگاه Science for life laboratory دانشگاه KTH سوئد گذرانده‌اند. ایشان در سال‌های 1399 تا 1400 به‌عنوان محقق پسادکتری در دانشگاه صنعتی شریف، آزمایشگاه نانو زیست‌فناوری مشغول به فعالیت بوده‌اند. همچنین ایشان سابقه همکاری در پروژه‌های طراحی و ساخت تجهیزات پزشکی با همکاری مرکز قلب تهران و پروژه‌های طراحی و ساخت تجهیزات میکروسیالاتی در سازمان پژوهش‌های علمی و صنعتی ایران را دارند و دارای 2 ثبت اختراع و چندین مقاله ژورنالی و کنفرانسی هستند که مقالات چاپ شده آقای دکتر پیش‌بین در اینجا قابل‌مشاهده است.
- قابل‌حمل‌بودن
- ارزان‌قیمت بودن
- عدم نیاز به کاربر متخصص برای انجام آزمایش
- کمی‌بودن، دقت بالا و قابل‌مقایسه با نمونه‌های استاندارد
- اندازه‌گیری فاکتورهای خونی
- ساخت دیسک و شناساگر مربوطه برای اندازه‌گیری مارکرهای بیوشیمیایی خون مربوط به یک نوع بیماری خاص مانند بیماری کبدی (ساخت دیسک پنل کبدی به همراه شناساگر).
- لازم به ذکر است فناوری این طرح رویکرد پلتفرمی دارد و برای سنجش سایر مارکرهای بیوشیمیایی در خون و سایر مایعات بدن برای بیماری‌های مختلف نیز می‌تواند به کار رود.
- هزینه اجرای طرح حدود 700 میلیون تومان برآورد می‌شود.
- 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 حداکثر 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).
ارتباط با ما
شماره تماس:
021-88486498
اینستاگرام:
iran.challenges@
شماره تماس:
021-88486498
اینستاگرام:
iran.challenges@