チップの外側で考える: マイクロ流体工学の設計と開発

Sep 06, 2023

スティーブ・グリーン著

2023 年 5 月 25 日

10:15

オックスフォード プロダクト デザインの設計責任者であるスティーブ グリーン氏は、ヘルスケア用のマイクロ流体デバイスの設計と開発における、あまり議論されていないいくつかの課題を探ります。

凶悪なシャッターストック

チップ

大まかに言えば、マイクロ流体工学には、通常はマイクロメートルスケールの非常に小さな幾何学的形状内に制約される流体の挙動、操作、および制御が含まれます。 医療業界では、マイクロ流体工学がいくつかの用途でますます重要なツールとなっています。

マイクロ流体工学の重要な利点の 1 つは、血液や唾液などの非常に少量の生体物質を処理できることです。 これは、少量のサンプルを採取する診断テストに特に役立ちます。

マイクロフルイディクスは、研究者や臨床医が少量の生体物質を高い精度で処理および分析できるようにすることで、診断、創薬、個別化医療の進歩を促進します。

診断分野では、臨床現場で疾患や症状を迅速に検出するために使用できるポイントオブケア システムの開発時にマイクロ流体工学が広く使用されています。 これらのデバイスは、持ち運び可能で、テストごとに安価で、使いやすく、結果がすぐに得られるように設計されているため、緊急事態に最適です。

これは、ヘルスケアへの取り組み方に革命をもたらす大きな可能性を秘めた、エキサイティングで急速に進化している分野であり、メディア、学界、ベンチャーキャピタリストから多くの注目を集めています。 市場に浸透し始めているデバイスはありますが、これらの利点の実現には、投入された資金と労力がまだ反映されていない可能性があります。

開発中に多くの労力と注目を集める明白な課題は、マイクロ流体デバイス (または「チップ」) 自体に関するものです。 流体力学、表面化学、微細加工技術の間の相互作用、および基礎となる物理学と化学の理解は、注意を要する技術的なハードルとなります。 また、信頼性、再現性、スケーラブルな結果を求める要件には、設計および開発プロセス全体を通じて作業のバランスを慎重に取り、最適化する必要があります。

ただし、マイクロ流体「チップ」はより大きなシステムのほんの一部にすぎず、これらのデバイスを他のコンポーネントや要件と統合するのは困難な場合があります。

ここでは、無視すべきではない「チップの外側」にあるマイクロ流体システムのいくつかの側面を示します。

システム統合: 多くの場合、マイクロ流体システムはポンプ、バルブ、センサーなどの外部システムと統合する必要があります。

インターフェース : 流体の流れは圧力勾配によって決まります。 クリーンで信頼性が高く、漏れがなく、使いやすい流体接続とインターフェースを設計することは、エンジニアリング上の重大な課題となる可能性があります。

制御 (センシングとフィードバック):マイクロ流体システムの閉ループ制御を実現するには、多くの場合、センサーとフィードバック機構を組み込む必要があります。 システムのサイズが小さいため、これは困難な場合があり、マイクロスケールで動作できる特殊なセンシング技術の開発が必要になる場合があります。

安定性と堅牢性 : マイクロ流体システムは、温度、湿度、振動などの環境条件の変化に敏感な場合があります。 安定した堅牢なシステムを開発するには、コンポーネントと材料を慎重に設計するだけでなく、高度な制御アルゴリズムも必要です。

サンプル紹介 : 生物学的サンプルをマイクロ流体デバイスに導入するには、サンプルの準備、取り扱い、保管などの課題が伴います。 サンプルの量と濃度。 汚染と交差反応性。 そしてアッセイの開発と検証。 マイクロ流体デバイスが信頼性の高い正確な結果を生み出すためには、これらの課題を注意深く管理する必要があります。

ユーザーインターフェイスとユーザーエクスペリエンス : 臨床または研究環境では、マイクロ流体デバイスはエンドユーザーにとって使いやすく、直感的である必要があります。 明確かつ簡潔で、適切なフィードバックを提供するユーザー インターフェイスを開発することは、設計上の重要な課題となる可能性があります。

承認と採用:システムがよりオープンで効率的になることを肯定的に捉える理由はありますが、当然のことながら、その動きは遅く、リスクが伴います。 市場を理解し、最初から承認経路を計画することで、関係者全員が作業を容易にします。

これらは関連する課題のほんの一部であり、この開発環境の複雑さは、イノベーションとそのようなデバイスの現場での実装との間のギャップを説明するのにある程度役立ちます。

しかし、マイクロ流体工学の潜在的な利点により、開発の取り組みは目的を持った効果的な時間とエネルギーの投資となり、それが未来であることは疑いの余地がありません。 問題は、そのようなデバイスをどのようにして最も効率的かつ効果的に市場に投入できるかということです。

戦略：デバイスが意図されたアプリケーションと要件を確実に満たすためには、明確で十分にコミュニケーションされた戦略を持つことが重要です。 これは、開発を成功させるために必要な主要な課題、リソース、マイルストーンを特定するのに役立ちます。 戦略には柔軟性と適応性が必要であることを忘れないでください。

コラボレーション：補完的なスキルと知識を持つさまざまな分野の専門家を結集することは、多様な視点の統合を可能にし、複雑な課題に対するより創造的で革新的な解決策につながる可能性があるため、不可欠です。

どのデバイス開発においても、これらの課題のうち初めて解決されるものはほとんどありません。 新興企業、多国籍企業、サービスプロバイダー、サプライヤー、業界がより効率的かつ効果的に協力する方法を見つけることができれば、マイクロ流体工学の分野での努力が報われる可能性が高くなります。

オックスフォード プロダクト デザインは、6 月 7 ～ 8 日にバーミンガムの NEC で開催されるスタンド C29 で開催される Med-Tech Innovation Expo に出展します。 www.med-techexpo.com で無料で登録してください。

スティーブ・グリーン著

2023 年 5 月 25 日

10:15