圧電セラミックにより可能になる体外診断用医薬品のための正確な液体処理

COVID-19との闘い

体外診断用医薬品(IVD)は病気や疾患の初期段階で診断と検出を行うためのさまざまな可能性を開きます。テストは、人間や動物の身体から採取した血液、唾液、尿、組織のサンプルを使用して行われます。現在、COVID-19で経験しているようなウィルスのパンデミックとの闘いにおいて、IVDテストはますます重要になっており、素早く、容易に、幅広くアクセス可能なテストメソッドにより、病気の治療、処置、予防に役立つ個別化された薬物療法に関して、治療的介入を促進する可能性が開かれます。

現在利用可能なIVDテストの方法

一部のIVDテストは実験室環境で使用できるように設計されていますが、可動式の治療現場装置はほとんどどこでも使用できます。全ゲノム解読、PCR(ポリメラーゼ連鎖反応)などの「オミックス」におけるさまざまな分析方法だけでなく、ELISA(酵素結合免疫吸着検査法)などの分子診断テストもこの目的で使用できます。IVDメソッドのコンテキストで、血球計算、細胞単離、細胞株工学、マイクロアレイの印刷、ラボオンチップシステムなどの技術も出てきています。

容易でない作業:IVDのための液体処理

IVD装置での液体処理の要件は非常に要求が厳しく、特性の異なる非常に少量の液体を高精度で投与したり、移動させたりする必要があります。使用する技術では、媒体の粘度や表面張力、投与の速度などを考慮して、衝撃のない投与、液体や粒子の素早い混合または分離、完全な液滴の生成が行えなければなりません。サンプルの汚染を防止するため、混合または選別作業はしばしば非接触方式で行われます。

ナノリットルまたはピコリットル液体処理装置に使用するアクチュエータは最大で数kHzの高い動作周波数で機能する必要があり、同時に小さな流量や小さな液滴を生成するのに必要な運動エネルギーを生成できなければなりません。圧電コンポーネントおよびアクチュエータはこれらの厳しい要求に適した製品であり、圧電効果は水晶圧電素子によって力を加えることにより電荷を生成したり、その逆を行ったりすることに基づくものであるため、圧電コンポーネントは電圧を許容して瞬間的な置換を行うことにより機能します。これらのコンポーネントは電池式装置に適した低消費電力で動作し、耐久性と信頼性に優れているため、治療現場だけでなく、大規模なラボオートメーション装置での使用にも適しています。

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マイクロポンプ用の圧電セラミックコンポーネント

ミリリットルからピコリットル単位までの少量の液体を制御する必要がある場合、分配作業のために圧電微小流体素子が使用されます。プレートやディスクなどの>> 圧電コンポーネントは、一定時間、少量の液体のための衝撃のないポンプ処理が必要な微小流体素子に適した製品です。曲げ変位を液体室の可動液体に移送するため、圧電コンポーネントを基質に接着することができます。小型のプレートは寸法が1 mm未満の軽量のマイクロポンプでアクチュエータとして機能し、可動式の治療現場装置に統合することができます。

エネルギー効率の高いピエゾバルブ

ポンプのほか、バルブもIVD微小流体素子でよく使用されます。ピエゾバルブはこれらの用途に非常に適しています。ピエゾアクチュエータはバルブを直接切り替えるもので、体積変位のためのフレキシブルチューブや閉鎖スプリングに対して機能させることができます。ピエゾバルブは非常に小さな電力でも電流電位を維持し、電力が必要となるのは、ピエゾ素子の形状を変化させる必要がある場合のみです。圧電バルブは設計に応じて、最大数ミリメートルの変位を示す>> PICMA®マルチレイヤーベンディングアクチュエータを使用して設計することができます。これらのアクチュエータは層厚が薄く、エネルギー消費量が少ないため、ピエゾベンダーを電池式の治療現場装置に理想的なものにしています。ピエゾアクチュエータでは、比例技術を利用して、ピエゾの駆動電圧によって制御可能な非常に低い流速が得られます。

ピエゾの力を利用した流体の混合

圧電コンポーネントを使用すると、小さなスペースで流体を素早く混合することができます。このために、微小流体チャネルの上に寸法が1 mm未満の>>小型のピエゾディスクまたはプレートを配置します。ピエゾが作動するときに音波が形成され、いくつかの媒体の混合が可能になります。音波の機械的な力によって乱流が生じ、通常は層流が生じるだけの細い毛細管でも混合が行えます。
硬質の圧電材料でできた圧電コンポーネントを使用して、高出力超音波により液体内でキャビテーションを発生させることができます。発生するキャビテーションの泡によっても乱流が生じ、微小流体素子での混合効果が生まれます。
素早い混合の別の技法は、曲げモードで機能する>>圧電ディスクによって誘導されます。膜ポンプと同様の上昇および下降運動により、これらの小さなアクチュエータの微小流体室内で渦が発生します。

選別作業用の超高速アクチュエータ

流体内のセルとナノ粒子の選別または分離はIVD装置の主な役割です。>> PICMA® Stacksなどの圧電マルチレイヤーアクチュエータは、超高加速度と低い駆動電圧によりこれを管理します。ナノメートルの精度とマイクロ秒の反応時間を持つ変位により、流体やガスのインターフェースは非常に高速で操作されるため、細胞を他の細胞から選別し、分離することができます。

音響流体選別方法として、圧電ディスクを使用することもできます。混合モードと同様、細胞や微生物などの小粒子を操作するために、超音波の機械的な力が使用されます。ここで、圧電コンポーネントから伝達される表面またはバルク弾性波を使用することができます。

1秒あたり1000の液滴

正確な液滴の生成による選別作業のために、>>圧電チューブを使用することができます。内部にピエゾチューブのようなガラスの毛細管を配置することにより、インクジェットの原理に基づいて、ピコリットル単位の液滴を分配することができます。適切な用量の液滴により、単一の細胞の分離が行われます。

PICMA® Stackピエゾアクチュエータはピエゾチューブの代替として使用できます。プリントヘッドに配置することにより、超高速かつ高精度でマイクロアッセイを生成することができます。



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パンフレット

Piezo Components for Liquid Handling

Microfluidics for in Vitro Diagnostics
日付 / バージョン
BRO73 / 2020-04-30
ドキュメントの言語 英語



この著者について

Annemarie Oesterle

Segment Marketing Manager Medical Technology, PI Ceramic GmbH

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