İNCECİK KANALLAR VE SIVILAR: MİKROAKIŞKANLAR

Bitkisel dokular denince hepimizin aklında ışıklar çakar: pek doku, sürgen doku, koruyucu doku, iletim doku vs… Saydıklarımız arasından bu yazımız için önemli olan ise iletim dokusu. İletim dokusu, odun ve soymuk boruları başta olmak üzere, kanallar aracılığıyla su, besin ve mineralleri bitkinin bütün bölümlerine iletir. Evet, hatırlar gibisiniz. Gene de, bitkilerin ve dğer canlıların bütün bu işlemleri ne kadar başarılı bir şekilde yaptıkları çoğunlukla gözümüzden kaçar. Aslında bitkisel iletim, yarıçapı santimetreden nanometreye değişen on binlerce esnek kanalda, kılcallık ve deformasyona uyumlu şekilde taşıma yapma becerisine sahiptir. Bu sistem akışkanlara mikro ve nano, yani metrenin milyonda ve milyarda biri düzeyinde hükmedebilir.

Bilimin günümüzde ulaştığı noktalardan biri, her ne kadar doğa kadar başarılı olmasa da, akışkanların mikro- ve nanometre mertebesindeki dinamiklerini çözerek metrenin milyonda/milyarda biri boyutlarında mühendislik yapabiliyor olmak. Misal, yarıçapı 10 mikrometre (μm) olan kanallar üretip (Şekil 1) içlerine onlarca hücreyi tek tek yerleştirebiliyor, sonra her bir hücrenin etrafındaki ortamı aynı anda değiştirip etkileri gözlemleyebiliyoruz. Veya proteinlerin bir araya gelip daha büyük yapılar oluştururken çevrelerine uyguladığı kuvvetleri ölçüp hesaplayabiliyoruz. Kısacası, mikroakışkan teknolojisi uygulayabiliyoruz. Yazımızın ilerleyen kısımlarında sizlere mikroakışkan teknolojisinin heyecan verici dünyasından bahsetmek istiyoruz.

Mikro ve nano hacimlere sahip sıvıları mikrometrelik kanallarda dolaştırmaya ve yapılan her türlü mühendislik mikroakışkan teknolojisi olarak tanımlanıyor [2, 5]. Hayatımızın birer parçası olan tesisatlar, musluklar, borular ve bahçe hortumlarında suyun litrelercesini bir arada akarken görmeye alışkın olan bizler için, bu sistemlerin metrenin milyonda birine inmesi çok büyük bir şaşkınlık yaratmayabilir. Ancak boyutlar küçüldükçe akışkanların değişen özellikleri, bu yazıda belirteceğimiz pek çok farklı fiziksel yapının işlemesine izin veriyor. Öte yandan mikroakışkan teknolojisi, bazı fiziksel olguların ve öngörülerin incelenmesi, hassas kimyasal ve biyolojik analiz, hasta başında ve hastaya özel teşhis, özelleşmiş reaktörler ve çip üstü laboratuar gibi birçok muhteşem uygulamanın yapılabilmesini sağlayan bir harikadır.

 

Nerelerden Geldik?

Maddenin temel yapılarina ilişkin bilgilerimiz, Antik Yunan’daki felsefi yaklaşımları ve çıkarımları bir kenara bırakırsak, 16. yüzyılda başladı. Maddenin temeliyle ilgili çalışmalara paralel olarak akışkanlar üzerindeki bilgimiz de arttı. Arşimet’ten sonra Isaac Newton, Daniel Bernoulli, Blaise Pascal gibi bilim adamlarının yaptıkları çalışmalar sayesinde insanlık akışkanların, ya da bildiğimiz şekliyle sıvıların ve gazların, kuvvet altında ne şekilde davrandığını keşfetti. Yirminci yüzyılda kimya ile kuantum mekaniğindeki gelişmeler sayesinde maddenin yapısına dair bilgilerimizi genişlettik ve mikro düzey, yani bir canlı hücresinin boyutları seviyesinde işlerin nasıl yürüdüğünü anlamaya başladık. Lakin mikro dünyayı bilmek ile mikron mertebesinde çalışmak ve mühendislik yapmak farklı şeylerdir [5]. Bundan dolayı, her ne kadar gözümüzün önünde bu işi başarıyla yürüten bitkiler olsa da, insanlık metrenin milyarda biri düzeyinde mühendislik yapabilmek için çok güçlü bilgisayarları cebimize sokan yarıiletken teknolojisini beklemek zorunda kaldı.

Yarıiletken teknolojisi, 1850’lerden sonra silisyum, germanyum ve galyumun, iletken metallerinkiyle yalıtkan ametallerinki arasındaki elektriksel iletkenliğinin kullanılmasıyla hayatımıza girmeye başladı. Özellikle kauntum mekaniğinin, yani atom seviyesindeki dünyanın işleyişini ortaya koyan yasaların ortaya çıkarılması bu malzemelerin daha iyi anlaşılmasını sağladı. Yarıiletken teknolojisi ile birlikte gelişen mikroelektronik, sadece elektronik yapıların değil, ısıl ve mekanik sistemlerin de küçültmesine ve hızlandırılmasına ön ayak oldu. Bütün bu gelişmelerin sonucu, MEMS olarak kısaltılan mikroelektromekanik sistemlerdir. MEMS’in örnekleri arasında yazıcıların mürekkep püskürtmesini sağlayan yapılar ile algılayıcılar var. Akışkanların da MEMS teknolojisine dahil edilmesiyle mikroakışkan teknolojisi kendini tarih sahnesinde buldu.

 

İyi de, ne işimize yarıyor?

Mikroakışkan teknolojsinin uygulama alanı, temel fizikten moleküler biyolojiye, kimyadan tıbba kadar uzanıyor. Üretiminin oldukça ucuz olması, kütlenin ve ısının çabuk ve kolay iletimiyle dağıtımı ile dizayn konusundaki esnekliği gelecek için de büyük umutlar beslenmesine sebep oluyor.

Mikro ve nano seviyeyi kontrollü bir şekilde çalışabilmemiz, analiz yöntemlerini hassaslaştırmamızı ve geliştirmemizi kolaylaştırıyor. Özellikle kimyacıların örneklerin içeriğini belirlemekte kullandığı kromatografi gibi metotların keskinleştirilmesi, çok daha az örnek ile daha hassas işlem yapılabilmesine olanak veriyor [5]. Gözümüzde daha rahat canlanması için gaz kromatografisini (GC) ele alalım: Bu metot bozulmadan buharlaşabilen örneklerin kimyasal yapısının belirlenmesinde ve bileşenlerine ayrıştırılmasında kullanılır. İncelenecek örnek, içi seçici-tutucu bir maddeyle dolu olan tüpe verilir. Gazın içerisindeki bileşenler bu madde ile farklı oranlarda etkileştiğinden, tüp içerisindeki hızları da birbirinden farklı olur. Farklı hızlarla hareket eden gazlar, işlemin pek çok kez tekrarlanması ile verimli bir şekilde ayrıştırılabilir. Mikroakışkan teknolojisiyle ise 10-15 μm yarıçapında kanallar üretip ve onları alanı birkaç santimetrekareyi geçmeyecek bir yüzeye monte ediyoruz Böylece metrelerce uzunlukta bir tüpü birkaç santimetrekareye sıkıştırmış oluyoruz. Bu sayede, bütün GC sistemi minyatürleştirilmiş oluyor ve çok daha hızlı ve verimli işliyor [6].

Mikroakışkanların en heyecanlandırıcı uygulamalarından biri, çip üzerinde laboratuar (LOC) teknolojisi (Şekil 3). LOC’nin temeli, bir laboratuarda yapılan bütün işlerin birkaç mm uzunluğundaki çiplerde gerçekleştirilmesi. Böylece çok küçük hacimlerdeki örneklerin kimyasal ve fiziksel yapılarının, birbirlerine paralel olarak, hızlı ve doğru bir şekilde belirlenebilmesi sağlanıyor. Çok farklı ve kompleks dizaynlara sahip olabilen LOC sayesinde, bir damla kan ile kan hücresi sayımı, olası hastalıkların teşhisi, tek kanserli hücrelerin tayini gibi farklı işlemleri tek bir yapıda toplamamız mümkün olacak.

Bir diğer önemli uygulama ise, kişi odaklı ve hasta başında teşhis. Gelişmiş LOC cihazları ile, hastaların hastaneye gitmeden gerekli tahlilleri yapabilmeleri, mikroakışkan teknolojisinin sağlık bilimlerine önemli bir katkısı [4]. Mikrocihazların boyutları, 1 ilâ 100 μm boyutlarındaki hücreleri tek tek incelememizi sağlıyor. Hücreleri içlerinde bulundukları dokudan ayırıp ayrı ortamlara aktarabiliyor ve aynı anda pek çok hücrenin ayrı ayrı hangi değişkenlere ve maddelere tepki verdiklerini, cihaz içerisindeki sıvının niteliğini değiştirerek takip edebiliyoruz. Öte yandan, biyoteröre karşı savaşta, zar zor elde edilen çok küçük örneklerin içerdiği eser miktarda maddenin analizi de bu yolla gerçekleştirilebiliyor (Şekil 4) [7]. Sağlık alanındaki uygulamaların pazar büyüklüğü, uygulamanın gelecekteki ekonomik değerine ışık tutuyor: 2010 yılı itibariyle iki milyar dolarlık bir pazar yaratılmış durumda.

Paralel kanallarda gerçekleştirilen farklı kimyasal reaksiyonlar ile, reaksiyonların gerçekleştiği ortamlar da küçülmüş oluyor. Mikro seviyede ısı ve kütle transferlerinin kolaylaşması da cabası [6]. Hedef, aynı anda kimyasal tepkimeleri gerçekleştiren, ürünleri ve atıkları ayrıştırabilen, ürünlerin kimyasal yapısını belirleyebilen, küçük, dayanıklı ve taşınabilir sistemler üretmek. Mesela, 1998 yılında, Ann Arbour’daki Michigan Üniversitesi’nde geliştirilen bir cihaz ile araştırmacılar, nanolitre hacmindeki DNA örneklerini karıştırma, çoğaltma ve parçalama ile tepkime sonunda oluşan ürünleri belirleme işlemlerini aynı anda yapma şansını buldular [1]. Şu anki seviyemiz ile bir fabrika seviyesinde üretim henüz söz konusu deği, ancak gelişmeler yakın gelecekte bunu da gerçekleştirebileceğimizi gösteriyor [7].

 

Peki, tam olarak ne yapıyoruz?

Mikroakışkanlar, insanlığın akışkanlara dair bilgisini mikro düzeye indirmesi ve metrenin milyonda biri mertebesinde manipülasyonlar, değişimler yapabilmesinin ifadesidir. Artık o dünyayı sadece anlamıyor, değiştirebiliyoruz da.

Makrodan mikro seviyeye indiğimiz zaman, akışkanların davranışları farklılık göstermeye başlıyor. Kütleçekimi gibi uzaysal/hacimsel, yani etkisini üç boyutta gösteren kuvvetlerin önemi azalıyor. Buna karşılık kılcallık; sıvının kanal duvarlarıyla güçlü etkileşimi ve yüzey gerilimi; sıvı yüzeyinin kuvvete karşı gösterdiği direnç, yani yüzeysel kuvvetler daha çok önem kazanmaya başlıyor.

Temelde gözümüzde canlanan günlük tesisattan pek farkı olmamasına rağmen, kütleçekiminin önemini kılcallık ve yüzey gerilimi gibi kuvvetlere bırakması, cihazlarda günlük hayattan farklı dizaynlara yönelmemize neden oluyor. Mikroakışkanlarla çalışmak için, akabilecekleri kanallar, akışı sağlayacak mikropompalar, işleyişi düzenleyecek mikrokapılar ve mikrovanalar yapmamız gerekiyor. Bu yapıları gerçekleştirebilmek içinse, silikon, polimer veya cam malzemeler kullanıyor ve hayalgücümüz ve fiziksel yasalar arasında kalan bölgede cihazlarımızı yaratıyoruz.

 

Sonuç

Bu yazımızda heyecan verici uygulamaları ve parlak bir geleceği olan mikroakışkan teknolojisinden bahsettik. Mikrometre boyutlarındaki kanallarda akışkanların kontrol edilmesiyle gerçekleştirilen bu uygulama ile tıbbi teşhis ve kimyasal analiz için gerekli olan madde miktarı azaltılmış, tıp ve temel bilim uygulamalarında çığır açabilecek sonuçlar elde edilmiştir. Gelecek, mikrodan nanoakışkanlara doğru evrilecek olsa da, bu konuya yazımızda değinmedik. Mikroakışkan teknolojinin şu anki durumu ve gelecekteki beklentiler göz önüne alındığında, alınması gereken çok yol olduğu aşikar; ancak karşılığında bu teknolojinin insanlığa hizmetleri o denli büyük olacak.

 

Kaynaklar

[1) M. A. Burns vd., 1998. An Integrated Nanoliter DNA Analysis Device. Science 282:484–487.

[2) F.A. Gomez. Biological applications of microfluidics. Wiley-Interscience, 2008.

[3) J.W. Hong, vd., 2004. A nanoliter-scale nucleic acid processor with parallel architecture. Nature Biotechnology 22:435–439.

[4] A. Rasooly. Lab on a Chip Technology: Biomolecular separation and analysis, volume 2. Caister Academic Press, 2009.

[5] P. Tabeling. Introduction to microfluidics. Oxford University Press, 2005.

[6] S.C. Terry. A gas chromatography system fabricated on a silicon wafer using integrated circuit technology. 1975.

[7] P. Watts ve C. Wiles, 2007. Recent advances in synthetic micro reaction technology. Chemical Communications (5):443–467.

Şekil 4. T. P. J. Knowles vd., 2011. Observation of spatial propagation of amyloid assembly from single nuclei. Proceedings of the National Academy of Sciences of the United States of America 108:14746-14751.