
A research group supervised by Assistant Professor Shunya Okamoto of the Department of Mechanical Engineering, Toyohashi University of Technology, and another s upervised by Associate Professor Yoshiaki Ukita of the Graduate Faculty of Interdisciplinary Research, Faculty of Engineering, University of Yamanashi, established a microfluidic control technology that can be applied to small blood testing devices and consequently developed a novel integrated immunoassay device . This microfluidic control technology is expected to address the issue of prohibitive cost, which has up to now held back the widespread application of microfluidic chips, and thereby facilitate a convenient blood testing device. The results of this study were published online in a specialized journal published by the Royal Society of Chemistry (RSC Advances) on April 26th. https://doi.org/10.1039/D4RA02656J
Compared with conventional analysis systems, those using microfluidic chips offer advantages such as minimized sample volume and shortened analysis time. The challenge with microfluidic chips however is the necessity to precisely control fluids in extremely minute spaces of approximately 50–300 μm. One possible solution is to use enzyme-linked immunosorbent assay (ELISA), an analysis technique used in blood analysis for measuring cancer biomarkers, which is highly sensitive, but carries the drawback of requiring complex fluid control.
Conventional studies have employed complex structures and operations, such as placing numerous valve structures and connecting pumps, to perform such fluid control, thus increasing the cost of devices and test chips; moreover, extensive user training is required to operate such devices. These issues have become major limitations to the social implementation of ELISA.
To address these issues, this study developed a centrifugal microfluidic chip with autonomous control functions. The chip comprises a microfluidic chip with only a simple channel structure that can be molded using mass-producible technologies such as injection molding. Further, we perform analysis by simply rotating the chip at a steady rotation speed for about an hour and a half (steady rotation). Thus far, this research team has demonstrated that this autonomous-controlled centrifugal microfluidic chip can perform ELISA, which requires complex fluid control. However, the main limitations are that numerous samples are required for analysis, and users require multiple chips and extensive dispensing operations to quantify the test substance.
To address these limitations, we developed a dispensing mechanism that can automatically distribute reagents without the need for manual labor and demonstrated the operation of a "multi-sample microvolume simultaneous analysis device" that implements the dispensing mechanism in an analysis unit. The analysis demonstration conducted using IgG antibodies as test substances showed that although the sample volume was sufficiently small —approximately 5 μL (mm3), which can be collected just by pricking a finger— it matches the detection sensitivity (63.4 pg/mL) of the previous manual analysis method, while shortening the analysis time by one-third to approximately 30 min.
Our research results use prototype devices constructable at the laboratory level. However, in the future, we will investigate practical applications by optimizing the design using mass-producible processing methods and materials. This fluid control technology makes it possible to realize control with microfluidic chips with a simple structure. In addition, the centrifugal control device is also simple to operate because fluid control is feasible at a steady rotation speed. Therefore, this technology can contribute toward addressing the cost issues which have, up to now, hampered the social implementation of microfluidic chips. Currently, blood analyzers are installed only in central laboratories of general hospitals. However, with advances in cost reduction and device miniaturization, along with improved operability, blood analyzers can be installed in clinics, drugstores, and households, thus rendering blood tests accessible and improving people's quality of life.
Shunya Okamoto, Moeto Nagai, Takayuki Shibata and Yoshiaki Ukita, "Automatic microdispenser-integrated multiplex enzyme-linked immunosorbent assay device with autonomously driven centrifugal microfluidic system", RSC Adv., 2024, 14, 13827-13836
10.1039/D4RA02656J
豊橋技術科学大学機械工学系の岡本俊哉助教らの研究グループと、山梨大学大学院総合研究部工学域の浮田芳昭准教授らの研究グループは、小型の血液検査装置に応用できる微量流体の制御技術を確立し、集積化された新たな免疫分析デバイスを開発しました。本微量流体制御技術は、マイクロ流体チップの社会実装の障壁の1つとなっているコストに関する課題解決などに貢献するもので、より手軽な血液検査装置の実現が期待されます。本成果は、4月26日付けで英国王立化学会が刊行する専門誌(RSC Advances)上にオンライン発表されました。https://doi.org/10.1039/D4RA02656J
マイクロ流体チップを利用した分析システムは、従来の分析システムと比べ、検体量の微量化や分析時間の短縮といったメリットがあります。一方で、50~300ミクロン(μm)程度の非常に微細な空間で流体を正確に制御する技術が必要となります。また、酵素免疫測定法(ELISA:エライザ)は、血液分析の中で、がんなどのバイオマーカーの計測などに用いられる分析手法で、高感度である一方、煩雑な流体制御が必要です。
従来の研究では、この流体制御を実行するために、多数のバルブ構造を配置したり、ポンプを接続したりなど、複雑な構造や煩雑な操作が必須となっています。このため、装置や検査チップの高額化や、使用者の訓練などが必要となり、これらは社会実装に向けた障壁の1つとなっています。
本研究では、これらの課題解決を目指し、射出成形といった量産可能な技術で成形可能な平易な流路構造のみでマイクロ流体チップを構成し、かつ、そのチップを一定の回転数で数十分間回転させるだけ(定常回転)で分析が実行される自律制御機能を持った遠心マイクロ流体チップの開発を行っています。本研究チームでは、これまでに、この自律制御型の遠心マイクロ流体チップによって、煩雑な流体制御が求められるELISAを実行可能であること実証していました。しかし、分析に必要な検体量が多いことや、被験物質の定量には、複数のチップと使用者の多大な分注操作が必要であることが依然課題として残っていました。
そこで本研究では、これらの課題を解決するために、人手に代わって、試薬を自動的に振り分けることができる分注機構を開発し、そして、それを分析ユニットに実装した『複数検体微量同時分析デバイス』の動作実証に成功しました。IgG抗体を被験物質と見立てて行った分析のデモンストレーションでは、5 μL(mm3)という指先の穿刺などでも採血可能な微量な検体量で、かつ、従前の手作業での分析と同等の検出感度(63.4 pg/mL)を有しながら、分析時間を3分の1の約30分に短縮できることを確認しました。
本成果は、実験室レベルで作製可能なプロトタイプデバイスでの研究成果ですが、今後は、量産可能な加工方法や材料での設計の最適化によって、実用化に向けた検討を行います。また、この流体制御技術の特徴は、平易な構造のマイクロ流体チップで制御を実現可能なことと、一定回転数で流体制御が実行可能なため、遠心制御装置も平易なもので済むことです。このため、マイクロ流体チップの社会実装の障壁の1つとなっているコストに関する課題解決などに貢献することができると言えます。現状、血液分析装置は総合病院の総合検査室などにしか設置されていませんが、装置の低廉化や小型化、操作性の向上が進むことによって、血液分析装置を街のクリニックやドラッグストア、ひいては各家庭などに設置することができ、より手軽な血液検査の実施と人々のQOL向上が期待されます。
Name | Shunya Okamoto |
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Affiliation | Department of Mechanical Engineering |
Title | Assistant Professor |
Fields of Research | Microfluidics / Micro-fabrication |