マイクロ流体システムは、極めて微量の液体を処理する装置です。
流体は、ガラス、高分子、紙、ゲルなどで作られた髪の毛より細い流路を移動し、微小なバルブで流れのオンとオフを切り替えることができます。
これに類似した構造は、植物の茎が養分を運ぶ仕組みや、人体全体など、自然界に以前から存在しています。
マイクロ流体工学の研究が進められており、その応用可能性は医療の世界に画期的な影響をもたらしうるものです。
例えば、腫瘍に直接薬剤を送り込む埋め込み型デバイスとしての利用が考えられます。
マイクロテクノロジーやナノテクノロジーと聞くと、スマートフォンのような小型電子機器、小型ロボット、マイクロチップなどを思い浮かべるかもしれません。しかし、パンデミックの抑制に不可欠であることが実証されたCOVID-19検査も、小型化された技術の一種です。多くのCOVID-19検査は、検体を検査機関に送る必要がなく、数時間以内に結果を出すことができます。そしてこれらの検査の多くは、マイクロ流体工学と呼ばれる手法を用いています。
私は生体工学の教授であり、研究では マイクロ流体工学を扱っています。妊娠検査薬から血糖測定用ストリップ、インクジェットプリンター、遺伝子検査に至るまで、あらゆるものがマイクロ流体工学に依存しています。多くの人々は気づいていませんが、この技術はあらゆる場所に存在し、現代社会を支える多くのものにとって不可欠なものです。
マイクロ流体工学とは何か？
マイクロ流体システムとは、極めて微量の液体を処理するあらゆる装置を指します。流体は髪の毛より細い流路を移動し、微小なバルブによって流れのオンとオフを切り替えることができます。これらの流路は、ガラス、高分子、紙、ゲルなどの素材で作られています。流体を動かす方法の一つは機械式ポンプを用いることであり、別の方法は、ある種の材料の表面電荷を利用することです。さらに、いわゆる毛細管現象を利用する方法もあり、一般には「ウィッキング」として知られています。ウィッキングとは、液体内に蓄えられたエネルギーによって、液体が狭い空間を進む仕組みのことです。特定の材料の表面電荷。さらに、いわゆる毛細管現象（一般にはウィッキングとして知られる）。ウィッキングとは、液体内に蓄えられたエネルギーによって、液体が狭い空間を進む仕組みのことです。
微小なスケールでは、流体は直感に反する振る舞いをします。庭のホースやシャワーヘッドから出る乱れた混沌とした流れを思い浮かべてみてください。それとは対照的に、マイクロチャネルの狭い空間では、流れは不思議なほど安定しています。流体は、層流と呼ばれる整然とした並行の流れとして流路を進みます。層流は、マイクロ流体システムの偉大な特性の一つです。層流中の流体と粒子は数学的に予測可能な経路をたどります。これは精密なエンジニアリングや医療機器の設計に不可欠なことです。
研究者にとって刺激的なこれらのプロセスは、自然界では何億年も前から存在してきました。植物は毛細管現象を利用して、根から最も高い枝先まで養分を運びます。この仕組みは、自律的に駆動するマイクロ流体回路の着想となりました。雨粒の物理的特性を模倣し、化学者たちは試料を何百万もの液滴に分割し、きわめて高速で分析する装置を設計してきました。各液滴は本質的に小さな化学実験室であり、化学者が生体分子の変化を研究したり、超高速の遺伝子解析を行ったりすることを可能にします。
そして最後に、人体のあらゆる部分がマイクロ流体的な構造を持っています。複雑に張り巡らされた毛細血管が、すべての細胞に栄養、酸素、シグナル分子を届けなければ、私たちは生まれることも、機能することもできません。
小型技術の利点
マイクロエレクトロニクスと同様に、マイクロ流体工学においてもサイズが重要です。
構成要素が小さくなるにつれ、デバイスは微小なスケールにおける液体の特異な性質を活用でき、より高速かつ効率的に動作し、製造コストも低く抑えることができます。マイクロ流体工学の革新は、電子工学の分野の進歩に静かに支えられてきました。
マイクロ流体デバイスのもう一つの大きな利点は、必要とする液体量がごくわずかで済むため、小型化が可能なことです。NASAは長年にわたり、火星探査車用のマイクロ流体分析装置の導入を検討してきました。人間の血液のような貴重な液体の分析においても、少量の試料で済むという利点があります。例えば、血糖測定器はマイクロ流体機器であり、糖尿病患者の血糖値を測定するために必要な血液は一滴のみです。
技術、生物学、医療におけるマイクロ流体工学
おそらく、日常生活でマイクロ流体工学を頻繁に利用しています。インクジェットプリンターは微小なインク滴を噴射します。3Dプリンターは、マイクロ流体ノズルを通して溶融した高分子を押し出します。万年筆やボールペンのインクも、マイクロ流体の原理に基づいて流れます。喘息患者用のネブライザーは、微細な薬剤の液滴を霧状に噴霧します。妊娠検査は、マイクロ流体用の紙ストリップ内での尿の流れに依存しています。
科学研究において、マイクロ流体工学は、薬剤、栄養素、その他あらゆる流体を生物の非常に特定の部位へ導き、生物学的プロセスをより正確に再現することを可能にします。
例えば、研究者たちはワームを流路内に捕捉し、匂いで刺激することで神経回路を研究してきました。別のチームは、植物の根の特定の部位へ栄養素を導き、成長化学物質に対する異なる反応を観察しました。また、他のグループは、血液中の希少な腫瘍細胞を物理的に捕捉するマイクロ流体トラップを考案しています。多数のマイクロ流体遺伝子チップにより、ヒトゲノムを迅速に解読することや、23andMeのような個人向けDNA検査の実用化が可能になっています。マイクロ流体工学がなければ、これらのどれも実現しなかったでしょう。
マイクロ流体工学の未来
マイクロ流体工学は、医療を新たな、スピード感があり手頃な時代へと導くうえで不可欠な役割を果たすでしょう。汗に含まれる物質を測定するウェアラブルデバイスは運動のモニタリングに用いられ、患者の腫瘍に局所的に抗がん剤を届ける埋め込み型デバイスは、生物医学的マイクロ流体工学における次の最前線の一部です。
研究者たちは、複雑で興味深いマイクロ流体システムであるオルガノイド・オンチップの開発を進めており、ヒトの生理機能の様々な側面を再現することを目指しています。私自身の研究室や世界各地の他の研究室では、がん治療薬をより効率的に試験するための腫瘍オンチップ基盤の開発が進められています。こうした患者モデルにより、科学者は動物やヒトでの試験に伴う費用、苦痛、倫理的問題を伴わずに新たな治療法を試験できるようになります。私たちの研究室では、まず、がん患者の腫瘍生検組織を、生きた状態を保ったまま数千の微細で均一な断片に分割します。その小ささを活かし、マイクロ流体工学を用いて微小な腫瘍片を複数のウェルに捕捉します。ウェルは薬剤ごとに1つです。これらの試料は、腫瘍本来の適切な細胞環境を保持するため、特定の患者に対して薬剤がどのように作用するかをより正確に予測することが可能になります。
医師を受診して生検を受け、マイクロ流体デバイスを用いることで、1週間もかからずに、医師がどの薬剤の組み合わせが腫瘍の除去に最も効果的かを特定できる未来を想像してみてください。それはまだ先の話ですが、確かなのは、未来はマイクロ流体工学によって形作られるということです。
