امروزه دستگاه های میکروفلوئیدیک پتانسیل خودکارسازی طیف گسترده ای از عملیات شیمیایی و بیولوژیکی را ارائه می دهند که برای کاربرد های تشخیصی و درمانی مورداستفاده قرار می گیرند. در کاربرد میکرو فلوئیدیک، میکرو پمپ ابزاری ضروری برای کنترل حجم کم سیال در ابعاد میکرو لیتر بوده، لذا توسعه میکرو پمپ اخیراً بسیار موردتوجه قرارگرفته است. پژوهش های زیادی در حوزه میکروفلوئیدیک درحال توسعه است که در زمینه های مختلف مانند زیست شناسی، شیمی و پزشکی-بالینی مورداستفاده قرار می گیرند. در کاربردهای میکروفلوئیدیک، یکی از عناصر مهم میکرو پمپ ها می باشند. میکرو پمپ ها نقش کلیدی را در این کاربردها ایفا می کنند. اخیراً طراحی و ساخت میکرو پمپ ها توسعه پیداکرده و انواعی از این پمپ ها ارائه شده که از چالش های مهم این پمپ ها هزینه، دقت در تزریق/مکش و یکنواختی حرکت است. در این پژوهش یک میکرو پمپ سرنگی طراحی و ساخته و با الگوریتم سینماتیکی حرکت با شتاب ثابت ارائه شده است. که از دستاوردهای این پمپ دقت بالا در تزریق و یکنواختی درحرکت که باعث ایجاد جریان یکنواخت در تزریق سیال می شود.

استخراج زیست مولکول ها و بررسی های ژنتیکی آن در زمینه پزشکی و پزشکی قانونی اهمیت بسیار زیادی دارد؛ اما با این حال محدودیت های آن از قبیل حساسیت، ماهیت کار، هزینه بالا، نیاز به تکنسین های بسیار ماهر و نیاز به خودکارسازی و قابلیت حمل سامانه، ازنظر تشخیص با فناوری های موجود، رفع نشده است. نیاز به ادغام روش های آماده سازی و تشخیص نمونه وجود دارد؛ برای رفع این محدودیت ها، بیشتر مطالعات بر بهبود فناوری های تشخیص تمرکز کرده اند که پیشرفت های چشمگیری حاصل شده است؛ یکی از این فناوری ها، میکروفلوییدیک است. ویژگی های قانع کننده ای، مانند خودکارسازی در تهیه نمونه و قابلیت کار در حجم کمی از نمونه، همچنین به حداقل رساندن مصرف، هزینه و زمان پردازش حلال ها از برتری های این فناوری در استخراج دی ان ای و پروتیین است. عملکرد میکروکانال ها در استخراج به سطح ویژه در دسترس انتقال جرم بستگی دارد که خود نیز به الگوی جریان تولیدشده در اتصالات ورودی میکروکانال ها وابسته است. رایج ترین الگوها، موازی، لخته ای و قطره ای است که به مولفه های عملیاتی مانند سرعت جریان، خواص فیزیکی، هندسه میکروکانال و مواد سازنده آن وابسته اند. یک الگوی جریان علاوه بر این که باید سطح ویژه زیادی را فراهم کند در عین حال باید به گونه ای باشد که فازها پس از استخراج به سرعت از یکدیگر جدا شوند. مهم ترین هدف این مقاله بررسی روش های مرسوم در سامانه های ناپیوسته ای است که قابلیت پیاده سازی در میکروفلوییدیک را داشته اند. نتیجه بررسی این شد که سه روش استخراج بر پایه سیلیکا، اتصال الکترواستاتیک و کروماتوگرافی تمایل ژل سازگاری بسیار بالایی با این سامانه ها دارند.

1لیپوزوم ها به عنوان یکی از انواع نانوحامل های زیستی، نقش مهمی در دارورسانی نوین، به ویژه در درمان سرطان ها ایفا می کنند. بااین حال، کنترل ضریب یکنواختی آن ها، به عنوان یکی از پارامترهای کلیدی در عملکرد لیپوزوم ها، همچنان چالشی بزرگ به شمار می رود. در این پژوهش، یک مدل تحلیلی برای پیش بینی ضریب یکنواختی لیپوزوم ها توسعه داده شده است. این مدل می تواند جایگزینی برای روش های آزمایشگاهی پرهزینه و زمان بر مانند روش پراکندگی نور دینامیکی باشد. مدل تحلیلی پیشنهادی بر پایه ی رابطه ی انرژی آزاد گیبس طراحی شده و شامل انرژی خمشی صفحات فسفولیپیدی، انرژی لبه های آزاد این صفحات و همچنین اثرات آنتروپی ناشی از آرایش و پخش مولکول های فسفولیپید در محلول است؛ بنابراین مدل پیشنهادی در این پژوهش، نسبت به مدل های پیشین که این اثرات آنتروپی را در نظر نگرفته اند، دقت بالاتری در محاسبه ی ضریب یکنواختی ارائه می دهد. برای اعتبارسنجی مدل، یک تراشه ی میکرومیکسری جهت تولید لیپوزوم ها طراحی و ساخته شد. لیپوزوم های تولیدشده با استفاده از دستگاه زتاسایزر و روش پراکندگی نور دینامیکی مورد تحلیل قرار گرفتند. مدل پیشنهادی مقادیر ضرایب یکنواختی 182/0 و 205/0 را برای غلظت های لیپیدی کل 10 و 20 مول بر مترمکعب پیش بینی کرد که به ترتیب با خطاهای نسبی 91/8% و 52/10% با داده های تجربی مطابقت دارند. باتوجه به پیچیدگی های مولکولی حاکم بر فرایند تشکیل لیپوزوم­ها و عدم امکان مدل­سازی تحلیلی تمامی این پدیده ها، نتایج به دست آمده قابل قبول ارزیابی می شوند. در مجموع، مدل ارائه شده می تواند به عنوان ابزاری کارآمد برای پیش بینی ضرایب یکنواختی لیپوزوم­ها در کاربردهای دارورسانی مورداستفاده قرار گیرد.

جذب نور کانونی شده در داخل الکترولیتِ آبی، موجب گرم شدنِ موضعیِ آن و ایجاد گرادیان میدانِ دما، پیرامونِ ناحیة جاذبِ نور، می شود. بر اساس پدیده ای به نام اثر سُره، یون های مثبت و منفی در حضورِ میدان دما به سمت ناحیة گرم تر و یا سردتر حرکت می کنند؛ اما این تمایل و حرکت برای دو نوع یون یکسان نیست، و یکی از دو نوع یون بیش از دیگری در ناحیة کانونی مجتمع می شود. این به معنای ایجاد بار الکتریکیِ خالص و معلق در سیال، در ناحیة جاذبِ گرما است. اِعمال میدان الکتریکی خارجی به این سیال، موجبِ اعمال نیرو به بارِ خالصِ جمع شده و در نتیجه حرکت سیال خواهد بود. ما این مسئله را برای سیال الکترولیت محصور در میانِ دو تیغة دی الکتریک شفاف، که در فاصلة کمی از یکدیگر قرار گرفته اند، به دو روش تحلیلی و اِلمانِ محدود بررسی می کنیم. در ابتدا میدان دماییِ ایجاد شده توسط باریکة گوسیِ نور در داخل و خارج الکترولیت را محاسبه می کنیم. سپس پتانسیل الکتریکی و چگالی بار را در ناحیة مربوطه به دست می آوریم و در گامِ آخر نیز میدان برداریِ سرعت سیال و کل جریانِ ایجاد شده محاسبه می شوند. نتایج تحلیلی و عددی به خوبی یکدیگر را تأیید می کنند.

در این پژوهش الگوهای جریان در شش سامانه جریان مایع-مایع شامل کلروفرم/بوتیل­استات/اتیل­استات/کروسن/بوتانول/اکتانول-آب در یک سامانه افزایش­ مقیاس ­یافته­ میکروفلوئیدیک مورد مطالعه قرار گرفت. سه الگوی جریان اصلی شامل اسلاگ، قطره­ای و موازی در میکروکانال­ های موازی مشاهده شد. الگوی جریان یکنواخت با درصد غیر یکنواختی کم تر از 10 درصد در میکروکانال­ های موازی نشان دهنده­ کیفیت بالای میکروکانال­ ها و افزایش­ مقیاس موفق در سامانه یاد شده دارد. با تحلیل الگوهای جریان گوناگون، الگوی جریان موازی با جداسازی کامل فازی به عنوان الگوی جریان ایده­آل برای انجام آزمایش ­های جداسازی انتخاب شد. با استفاده از سامانه آب-کلروفرم و اترتاجی  بالاترین درصد استخراج در میان حلال­ های آلی و اترهای تاجی گوناگون به دست آمد. اثر غلظت کلسیم، غلظت اترتاجی و pH با استفاده از سامانه یاد شده بر روی جداسازی کلسیم بررسی و شرایط بهینه جداسازی با استفاده از روش سطح پاسخ محاسبه شد. محاسبه­ بازده استخراج در شرایط بهینه با استفاده از زنجیره­ سه­ تایی میکروفلوئیدیک نشان می ­دهد درصد جداسازی در مدت زمان حدود 5/3 ثانیه به بیش از 60 درصد از غلظت تعادلی می­رسد. اضافه کردن مایع یونی  به حلال­ های آلی نشان می ­دهد که بهبودی شگرفی در میزان استخراج کلسیم در مورد ترکیب بوتیل استات و  ایجاد می شود. بنابراین جداسازی کلسیم به کمک ترکیب یاد شده با استفاده از زنجیره­ سه­ تایی میکروفلوئیدیک انجام شد. محاسبه­ زمان اقامت در زنجیره­ سه ­تایی میکروفلوئیدیک در این حالت نشان می ­دهد که در مدت زمان اقامت حدود 6/1 ثانیه می­ توان به بیش از 95 درصد از غلظت تعادلی رسید.

جداسازی اسپرم های سالم (متحرک و با بهترین ساختار DNA) به طور سنتی با روش های سانتریفیوژ شیب چگالی و یا شنا کردن به سمت بالا انجام می شود. در سال های اخیر، روش های مبتنی بر میکرو سیال توسعه پیداکرده و پیش بینی می شود که در آینده ای نه چندان دور جایگزین روش های سنتی شود. سیستم های میکرو سیال نیاز به حجم نمونه کمتری داشته، که ضمن خلوص بالاتر، دارای مزایایی از قبیل کاهش هزینه و کاهش زمان آزمایش است. در این تحقیق از ترکیب پدیده­ی تیگموتاکسی که در آن اسپر­م­ ها دیواره را دنبال می ­کنند با پدیده­ی دی­الکتروفورز مثبت که از میدان الکتریکی غیریکنواخت برای به دام انداختن ذرات استفاده می کند، یک عملگر میکروفلوئیدیک برای جدا کردن اسپرم­ های با تحرک بالا از اسپرم ­های با تحرک کمتر ارائه گردید. در این عملگر تعداد زیادی میکروکانال موازی تعبیه شده و اسپرم هایی که تحرک دارند، دیواره­های این کانال ها را گرفته و به سمت انتهای آن ها حرکت می کنند. در طول مسیر، با اعمال میدان الکتریکی متناوب در فرکانس 1 مگاهرتز و ولتاژ 3 ولت، نیروی دی­الکتروفورز مثبت اعمال شده و اسپرم ­های با تحرک کم را به دام انداخته اما اسپرم ­های با تحرک بالا توانایی فرار از میدان الکتریکی را داشته و خود را به قسمت خروجی کانال می­ رسانند. به منظور بررسی میدان الکتریکی و بررسی جریان سیال در سیستم طراحی شده، از نرم افزار کامسول استفاده گردید. بر مبنای طراحی و شبیه­ سازی انجام شده عملگر جداسازی اسپرم ­ها ساخته شد. نتایج آزمایش ­های بالینی نشان داد، تحرک اسپرم­های خروجی سیستم طراحی­ شده نسبت به ورودی آن از 54% به 81% و حیات اسپرم ­ها نیز از 56% به 75%، افزایش یافت.

فرآیند های تشکیل قطرات، یکی از مهمترین مراحل در بسیاری از دستگا های میکروفلوئیدیکی با کاربردهای زیستی و شیمیایی هستند. از عوامل موثر بر فرآیند تشکیل قطره می توان به هندسه دستگاه، خواص سیال مورد استفاده، پارامترهای عملیاتی و نیروهای خارجی اشاره کرد. از آنجایی که ساخت نمونه های فراوان جهت بهینه سازی هندسه ی میکروکانال ملزم به صرف هزینه های سنگین می باشد، در این مطالعه به کمک شبیه سازی با تکنیک دینامیک سیالات محاسباتی به بررسی  فرآیند تشکیل قطره پرداخته شده است. هدف از پژوهش حاضر شبیه سازی عددی میکروکانال متمرکزکننده جریان جهت مطالعه ابعاد میکروکانال و تولید قطرات کوچک تحت تاثیر میدان الکتریکی است. نوآوری پژوهش حاضر بررسی پارامترهای هندسی و عملیاتی می باشد که در مطالعات قبلی توجه ای به آن ها نشده است. شبیه سازی عددی این تراشه در فضای دو بعدی انجام پذیرفت. با توجه به فیزیک حاکم بر جریان، فازهای جریان تراکم ناپذیر فرض شده اند. دو پارامتر هندسی طول ناحیه متمرکزکننده جریان و طول اوریفیس مورد بررسی قرار گرفت.  نتایج بدست آمده از این پژوهش نشان داد برای طول100میکرومتر ناحیه متمرکزکننده جریان در ولتاژ های بالا قطر قطره تا 55 میکرومتر کاهش می یابد. اختلاف زمان تشکیل دو قطره متوالی نیز برای طول 200 میکرومتر این ناحیه در ولتاز 300 ولت تا 178/0 ثانیه افزایش می یابد. بررسی طول اوریفیس نشان داد که طول اوریفیس تاثیر چندانی بر قطر قطره نمی گذارد اما طول 90 میکرومتر اوریفیس باعث تشکیل قطره بعد از اوریفیس می­ گردد. همچنین نشان داده شد که وقتی فاصله ی الکترود ها از یکدیگر کم باشد به علت افزایش نیروی الکتریکی وارد شده به مرز مشترک دوسیال قطره  کوچکتری تشکیل می شود. در واقع می توان با انتخاب پیکربندی مناسب برای الکترود ها در ولتاژ های پایین تر قطره کوچکتری تشکیل داد.

تحقیقات بر روی DNA در تشخیص، کنترل و درمان بسیاری از بیماری ها ازجمله سرطان اهمیت ویژه ای دارد. امروزه استفاده از واکنش زنجیره ای پلیمراز دیجیتال قطره ای (ddPCR) برای آزمایشات مختلف بر روی DNA توجه محققان زیادی را جلب کرده است. برای انجام ddPCR به تعداد زیادی قطره با ابعاد میکرونی نیاز است. در مطالعه حاضر، یک سیستم ddPCR با استفاده از تراشه میکروفلوئیدیکی طراحی، ساخته و ارزیابی شد. این سیستم شامل یک تراشه میکروفلوئیدیکی برای تولید قطره و یک دستگاه تامین کننده چرخه های حرارتی مورد نیاز در PCR است. تولید قطره در ریزتراشه به صورت سه بعدی شبیه سازی شد. نتایج شبیه سازی اعتبارسنجی شد. خطای متوسط در شعاع قطرات تولیدشده حدود 5% است. دستگاه چرخه حرارتی ساخته شده، دمای تراشه را با دقت 1/5± درجه سانتی گراد کنترل می کند. فرآیند PCR درون تراشه با اعمال 25 چرخه حرارتی با موفقیت انجام شد. در اکثر قطرات خاصیت فلورسنت مشاهده شد که اثبات می کند دستگاه چرخه حرارتی شرایط تکثیر DNA را در آزمایشگاه به خوبی فراهم کرده است. تصاویر پردازش و سطوح مختلف نور فلورسنت در قطرات شناسایی شد. ضریب تغییرات قطرات انتخاب شده در برنامه پردازش، برابر با 2/5% است که در مقایسه با حالت قابل قبول برای این نوع سیستم ها (کمتر از 8%) دقت مطلوبی را ارایه می دهد. نتایج به دست آمده از این دستگاه کاملاً بومی، می تواند در زمینه های متعددی ازجمله تشخیص سرطان، بررسی بافت سرطانی و ارزیابی موفقیت عمل بافت برداری استفاده شود.