Small scale robots have significant promise for advancing medical diagnosis and treatment because of their unique ability to move and perform complex tasks at small scales. Due to high importance of the magnetic small-scale robots and their great potential for the biomedical applications, they attracted a lot of attention during recent years. In this presentation, we introduce the field of micro/nano robotics, particularly magnetic small robots, and review their biomedical applications in diagnosis, microsurgery, targeted drug delivery, bio sampling, and wound healing. Also some of recent projects of Sharif Micro/Nano Robotics (SMNR) Laboratory are presented.
رباتهای با مقیاس کوچک به دلیل توانایی منحصر به فرد خود در حرکت و انجام وظایف پیچیده در مقیاسهای کوچک، آینده مهمی برای پیشرفت تشخیص در پزشکی و درمان دارند. به دلیل اهمیت بالای رباتهای مقیاس کوچک مغناطیسی و پتانسیل بالای آنها برای کاربردهای پزشکی، در سالهای اخیر توجه زیادی را به خود جلب کردهاند. در این ارائه، ما زمینه میکرو / نانو روباتیک، به ویژه روباتهای کوچک مغناطیسی را معرفی کرده و کاربردهای بیومدیکال آنها را در تشخیص، میکروجراحی، دارورسانی هدفمند، نمونهبرداری زیستی و درمان زخم ها را مرور میکنیم. همچنین برخی از پروژههای اخیر آزمایشگاه میکرو/نانو روباتیک شریف(SMNR) ارائه شدهاست.
The advancements in nanotechnologies, computer programming, and consumer electronics have allowed the development of mobile health diagnostics with applications in disease detection and treatment monitoring at the point-of-care. Metal nanoprobes and self-propelling nanoparticles possess unique catalytic properties that can be utilized in the development of mobile health diagnostics by seamlessly integrating with the advancements in smartphone-based image processing and machine learning. Amongst the advantages of catalytically-powered nanomotors and nanoprobes are its simplicity in signal amplification, its stability over time, and easy integration with portable devices such as smartphones. We have developed multiple smartphone-based diagnostic systems by utilizing intrinsic catalytic properties of metal nanoparticles and on-phone deep learning-based image processing. Our unique approach of optical signal amplification through micro- or macro-sized gas bubble formation combined with accurate and rapid on-phone deep learning-based image processing allows the development of simple, low-cost virus detection using a smartphone camera with and without using any smartphone-based optical hardware attachment. We have been able to detect both intact viruses and nucleic acids in complex biological samples. In those scenarios where we targeted nucleic acids, we integrated loop-mediated isothermal amplification (LAMP) or clustered regularly interspaced short palindromic repeats (CRISPR) with our catalytically-powered nanomaterials for bright-field optical sensing. We also employed adversarial neural networks to enhance the adaptability of our platform technology for the detection of different viruses by leveraging a retrospective dataset of smartphone-taken microfluidic chip photos to create on-demand image classifiers for target pathogens. We have evaluated the performance of our developed catalytically-powered diagnostic systems with hundreds of patients samples with different viral infections such as HIV, HBV, HCV, ZIKV, and SARS-CoV-2.
پیشرفتهای صورتگرفته در نانوتکنولوژی ها، برنامهنویسی کامپیوتری، و الکترونیک مصرفی، امکان توسعه تشخیص سلامت با تلفن همراه را برای کاربردهایی در تشخیص بیماری و نظارت بر درمان در نقطه مراقبت فراهم کردهاست. نانوپروب های فلزی و نانوذرات خود پیش رونده دارای خواص کاتالیزوری منحصر به فردی هستند که میتوانند در توسعه تشخیصهای سلامت با تلفن همراه با یکپارچهسازی بدون مشابه با پیشرفتها در پردازش تصویر مبتنی بر گوشیهای هوشمند و یادگیری ماشین مورد استفاده قرار گیرند. از مزایای نانوروتور و نانوپروب های با توان کاتالیتیکی سادگی آن در تقویت سیگنال میتوان به پایداری آن در طول زمان و یکپارچگی آسان آن با دستگاههای قابلحمل مانند گوشیهای هوشمند اشاره کرد. ما چندین سیستم تشخیصی مبتنی بر گوشیهای هوشمند را با استفاده از خواص کاتالیزوری ذاتی نانوذرات فلزی و پردازش تصویر مبتنی بر یادگیری عمیق روی تلفن همراه توسعه دادهایم. رویکرد منحصر به فرد ما در تقویت سیگنال نوری از طریق تشکیل حباب گازی در ابعاد میکرو یا ماکرو در ترکیب با پردازش تصویر دقیق و سریع مبتنی بر یادگیری عمیق روی تلفن همراه، امکان توسعه تشخیص ویروس به صورت ساده و کمهزینه را با استفاده از یک دوربین تلفن هوشمند، با و بدون استفاده از هرگونه اتصال سختافزاری نوری مبتنی بر تلفن هوشمند فراهم میکند. ما قادر به تشخیص ویروسهای سالم و اسیدهای نوکلئیک در نمونههای بیولوژیکی پیچیده تشخیص بودهایم. در آن سناریوهایی که ما اسیدهای نوکلئیک را مورد هدف قرار دادیم، تکثیر هم دما به واسطه حلقه(LAMP) را یکپارچه کردیم یا به طور منظم تکرارهای پالندرومیک کوتاه به صورت بین فاصلهدار(CRPR) را با نانومواد با قدرت کاتالیستی خود برای سنجش نوری میدان-روشن دستهبندی کردیم. ما همچنین از شبکههای عصبی ادورسیال برای افزایش سازگاری فنآوری بستر خود برای تشخیص ویروسهای مختلف با استفاده از مجموعه داده گذشتهنگر از تصاویر تراشه میکروفلوئیدیک برگرفته از گوشیهای هوشمند برای ایجاد دستهبندی کنندههای تصویر مورد نیاز برای پاتوژن های هدف استفاده کردیم. ما عملکرد سیستمهای تشخیصی کاتالیتیک توسعهیافته خود را با صدها نمونه از بیماران مبتلا به عفونتهای ویروسی مختلف مانند HIV، HBV، HCV، ZIKV وSARS-CoV-2 ارزیابی کردهایم.
Wearable electronic sensors are an integral part of digital health. An efficient sensor needs to be optimized for cost and accuracy. Use of the emerging Machine Learning algorithms is a great step forward to design accurate sensors. Nevertheless, power consumption, mobile data offloading, and processing time are important chalenges that must be addresses in the design of any commercial device for Digital Health. In this talk, the sensors developed in Biosen Group, in Electrical Engineering Dept. of Sharif University of Technology are discussed including: Smart watch for health monitoring, ECG patch for Heart Arrhythmia Detection, Human Stress Sensor, Elderly Fall Detection, and Digital Stethoscope. The idea behind the design of these sensors is to use off-the-shelf integrated circuits with the state-of-the-art Machine Learning (ML) and Artificial Intelligence (AI) algorithms to detect disease or abnormal situations, in a reasonable time with an affordable cost. The comfort of the user and the non-invasive performance are two key issues considered in the design of these sensors.
سنسورهای الکترونیکی پوشیدنی، بخش جدایی ناپذیری از حوزه سلامت دیجیتال هستند. یک سنسور پوشیدنی کارآمد، باید از نظر هزینه و دقت عملکرد مناسبی داشته باشد. خوشبختانه استفاده از الگوریتم های یادگیری ماشین گام بزرگی در راه طراحی سنسورهای دقیق بوده است. با این وجود، توان مصرفی، انتقال داده های ذخیره شده و سرعت پردازش چالش های عمده ای هستند که در طراحی هر سنسور تجاری در حوزه سلامت دیجیتال باید مورد توجه قرار گیرد. در این صحبت، گزارشی از حسگرهای توسعه یافته در گروه بایوسن در دانشکده مهندسی برق دانشگاه صنعتی شریف ارائه می گردد. این حسگرها شامل ساعت هوشمند برای پایش سلامت، پچ اندازه گیری نوار قلب، سنسور تشخیص استرس انسانی، سنسور تشخیص سقوط سالمندان و گوشی پزشکی دیحیتال از جمله این حسگرها هستند. ایده اصلی در طراحی این سنسورها استفاده از تراشه های همه منظوره در کنار روشهای جدید و کارای یادگیری ماشین و هوش مصنوعی است برای تشخیص بیمارهای یا وضعیت های ناهنجار در زمانی کوتاه با هزینه ای معقول. راحتی کاربر در استفاده از حسگر و عملکرد غیرتهاجمی و بدون درد دو هدف کلیدی در طراحی این حسگرها به شمار می روند
توجه به فناوری های نو با شتاب هرچه تمام تر در دنیا پی گیری می شود. آینده تحت تسلط فناوری های پیشرفته خواهد بود. در آینده نه چندان دور تولید سنتی و غیر دانش بنیان مقرون به صرفه نخواهد بود و اقتصاد های متحول نشده نمی توانند مردم و کشور خود را تامین کنند. یکی از این عدم تامین اقتصادی و ارضای کاری و شغلی و معیشتی خروج نخبگان، فعالان اقتصای، فرار سرمایه و سرمایه داران، ناامیدی و فقر و فلاکت خواهد بود و کشور ها توان نگهداشت سرمایه های انسانی و معنوی خود را نداشته و نیز توان تامین یک زندگی معمولی را نخواهند داشت. دنیا بی رحم به پیش خواهد رفت و اگر نتوانیم توانمند شویم ضعیف و ضعیفتر خواهیم شد و کسی برای ما دلسوز نخواهد بود. بعد از پایان پروژه ژنوم انسان در سال ۲۰۰۰ دنیا شاهد جهش فوق العاده ای در زمینه های مختلف زیست فناوری از عرصه کشاورزی تا پزشکی تا داوریی و دیگر زمینه ها می باشد. سرعت پیشرفت زیست فناوری را فقط با سرعت هوش مصنوعی و فناوری اطلاعات می توان مقایسه کرد. هر چند علوم و فناوری های مختلف در حال ادغام و افزایش تاثیر گذاری بر زندگی، سلامت، اقتصاد، سیاست، اخلاق و ... ما هستند. زیست فناوری یعنی توان ما در استفاده از علوم زیستی و دانش زیستی و بکار گیری این علوم به همراه علوم دیگر برای تولید بیشتر، ارزانتر، مرغوبتر، برای ارائه سلامت بیشتر، برای تولید ثروت بیشتر، برای پیشگویی های مختلف. مثلا می توانیم از طریق ژنتیکی رنگ چشم فرد مظنون به قتل را تشخیص دهیم. این حداقل است می تواینم به خلقیات و خصوصیات وی پی ببریم، می توانیم چهره وی را ترسیم کنیم و ده ها اقدام دیگر. می تواینم بگوییم شرط بندی بر روی کدام اسب بهتر است چون می دانیم که این اسب از نظر ژنتیکی ژن قهرمانی دارد و غذای خود را کمتر ولی با کیفیت بیشتر و بهتر تولید کنیم و ده ها مورد دیگر. بعد از تصویب قانون قانون حمایت از شرکتها و موسسات دانش بنیان و تجاری سازی نوآوری ها و اختراعات در ۱۹ آبان ۱۳۸۹ شاهد تحول عظیمی در ایجاد و بهره مندی از شرکت های دانش بنیان می باشیم. تغییراتی که این قانون به یمن تحریم های حداکثری در کشور ایجاد کرده است بی نظیر است. تعداد شرکت های دانش بنیان به سرعتی باور نکردنی رو به افزایش است. مدیریت خوب معاونت علمی به همراه دیگر مقررات و مهمتر از همه جالش های اقتصادی باعث شده است تا حتی نگرش اساتید و دانشجویان نیز تغییر کند. دانشگاه ها و موسسات علمی امروز در حال مسابقه برای افزایش تاثیر دانشگاه و موسسه خود در عرصه دانش بینان هستند. کمتر دانشگاه هی وجود دارد که یا پارک علم و فناوری ایجاد نکرده باشد و یا در حال برنامه ریزی نباشد. ایجاد مراکز رشد، مراکز شتابدهند، شهرک های دانش بنیان، مناطق ویژه دانش بنیان و ده ها اتفاق دیگر نشان می دهد که کشور شتابان به سمت دانش بنیان پیش می رود. با توجه به نوپا بودن زیست فناوری در جهان و مخصوصا در کشور ما از یک طرف و امکان استفاده از مهندسی معکوس دستاورد های دیگران در خارج از کشور و استفاده از انها در کشور، وسعت زمینه های زیست فناوری مانند سلامت، دارو، غذا، محیط زیست، خلق ثروت، مسابقه و تفریح و ده ها زمینه دیگر که علومی مانند کشاوریزی، بهداشت، دارو، میکروب، آب، دام و طیور از یک طرف و وسعت محصولات قابل تولید در طرف دیگر، زیست فناوری را یک حوزه بی نظیر و یا کم نظیر در جهان تبدیل کرده است. اگر می خواهیم در دنیا برای خودمان کسی باشید باید با برنامه ریزی دقیق تر تحقیقات را هدفمند و تاثیر گذار کرده، از گذشته و هدر رفت منابع تحقیقاتی جلوگیری کرده و به اساتید و دانشجویان اجازه دهیم از منابع تحقیقاتی برای حل مشکلات کشور و خلق آینده درخشان برای کشور استفاده کنند. اگر در سیاست های غلط و ناکارآمد درس نگیریم شاهد خروج بیشتر ذخایر با ارزش انسانی از کشور خواهیم بود و سرنوشت بدی برای آیندگاه رقم زده ایم و آیندگاه ما را نخواهند بخشید. پس دانش بنیان فکر کنیم و دانش بنیان عمل کنیم و دانش بنیان تولید کنیم.
Microfluidic technologies have paved the way for miniaturization and automation of analytical protocols, enabling development of integrated point-of-care devices for early-stage diagnosis of diseases. Recently, Lab-on-a-Disc (LoD) technology (so called centrifugal microfluidics), has gained a considerable attention due to its unique features. In this system, a configuration, consisting of chambers and channels, is mounted on the surface of a disc, and the liquid is transferred through it by means of rotational forces generated by the centrifugation. This system has its intrinsic governing forces including Coriolis force, Euler force, and most importantly Centrifugal force, that is easily accessible using a motor and decreases the number of required physical connections or pumps used in a typical microfluidic platform. This advantage brings this technology closer to producing commercial products in the form of point of care testing (POCT) systems. In this talk, I will present my group recent effort in design and manufacturing centrifugal microfluidic disks by application in blood analysis such as WBC’s lysis and DNA extraction, different biomarkers detection (hemoglobin and hemoglobin A1c), and cfDNA extraction from plasma.
تکنولوژیهای میکروفلوئیدیک راه را برای کوچکسازی و اتوماسیون پروتکلهای تحلیلی هموار نمودهاند که امکان توسعه ابزارهای یکپارچه مراقبت بر بالین را برای تشخیص زودهنگام بیماریها فراهم آوردهاند. اخیرا، تکنولوژی lab-on-a-Disc (LoD)(که میکروفلوئیدیکهای سانتریفوژی نامیده میشوند)، به دلیل ویژگیهای منحصر به فردش، توجه زیادی را به خود جلب کردهاست. در این سیستم، یک پیکربندی، متشکل از اتاقکها و کانالها، بر روی سطح یک دیسک نصب میشود و مایع با استفاده از نیروهای چرخشی تولید شده، توسط سانتریفیوژ منتقل میشود. این سیستم دارای نیروهای ذاتی حاکم بر خود از جمله نیروی کوریولیس، نیروی اویلر و از همه مهمتر نیروی گریز از مرکز است که به راحتی با استفاده از یک موتور در دسترس است و تعداد اتصالات فیزیکی مورد نیاز یا پمپهای مورد استفاده در یک بستر میکروفلوئیدیک معمولی را کاهش میدهد. این مزیت، این فنآوری را به تولید محصولات تجاری در قالب سیستمهای آزمایش بر بالین (POCT) نزدیکتر می کند. در این سخنرانی، تلاش اخیر گروه خود را در طراحی و ساخت دیسکهای میکروفلوئیدیک سانتریفوژی با کاربردهای در تجزیه و تحلیل خون مانند لیز WBC و استخراج DNA، شناسایی مارکرهای زیستی مختلف (هموگلوبین و هموگلوبین A۱c)، و استخراج cfDNA از پلاسما ارائه خواهم نمود.
Rapid, simple, inexpensive and on-site measurement of species is one of the demands of today’s societies and human industrial life. Biosensors, as small and portable devices with simple operatory, can be a response to such a need. These devices are generally composed of three parts: a sensing element, a transducer, and a signal processor. They can be designed for many industrial, environmental, agricultural, biological, pharmaceutical and clinical applications. Biosensors are in fact sensors in which a biological process is responsible for the signal production. From the invention time to now, numerous biosensors have been designed for fast determination of biological important species which some of them were even commercialized. Nowadays, by progress in sciences and technologies, and by expanding the interdisciplinary collaborations, the number of biosensors which find a chance to be commercialized and enter the market are growing fast. Their applications in clinical medicine for determination of biomarkers for early diagnosis and screening or in managing a disease through point-of-care devices show their importance. However, the main challenges in designing biosensors are decreasing the limit of detection, increasing the sensitivity and accuracy of an analysis, increasing life-time and miniaturization ability which is very vital for placing them on lab-on-chip. Also, scientists are now trying to develop sensitive biosensors for non-invasive measurements of biomarkers in other biological samples of the body like breath, sweat, saliva or tears instead of blood. Finding a proper biomarker for the detection of disease in humans, animals, and even plants are the first challenge and then designing a suitable biosensor for that biomarker is the second challenge which can be solved to some extent by integration of various scientific disciplines.
اندازهگیری سریع، ساده، ارزان و در محل، یکی از نیازهای جوامع امروزی و زندگی صنعتی انسان است. بیوسنسورها، به عنوان دستگاههای کوچک و قابلحمل با عملکرد ساده، میتوانند پاسخی به چنین نیازی باشند. این دستگاهها به طور کلی از سه بخش تشکیل شدهاند: یک عنصر حسی، یک مبدل و یک پردازنده سیگنال. این وسایل میتوانند برای بسیاری از کاربردهای صنعتی، زیستمحیطی، کشاورزی، بیولوژیکی، دارویی و بالینی طراحی شوند. زیست حسگرها در واقع سنسورهایی هستند که در آنها یک فرآیند بیولوژیکی مسئول تولید سیگنال است. از زمان اختراع تا کنون، بیوسنسورهای متعددی برای تعیین سریع گونههای مهم بیولوژیکی طراحی شدهاند که برخی از آنها حتی تجاری سازی شدهاند. امروزه، با پیشرفت در علوم و فنآوریها و با گسترش همکاریهای بین رشتهای، تعداد حسگرهای زیستی که فرصتی برای تجاری شدن و ورود به بازار پیدا میکنند، به سرعت در حال افزایش است. کاربردهای آنها در پزشکی بالینی برای تعیین بیومارکرها برای تشخیص و غربالگری زود هنگام یا مدیریت یک بیماری از طریق دستگاههای بر بالین اهمیت آنها را نشان میدهد. با این حال، چالشهای اصلی در طراحی بیوسنسورها، کاهش حد تشخیص، افزایش حساسیت و دقت تجزیه و تحلیل، افزایش طول عمر و توانایی کوچکسازی است که برای قرار دادن آنها در آزمایشگاه روی تراشه بسیار حیاتی است. همچنین، دانشمندان در حال حاضر در تلاش برای توسعه بیوسنسورهای حساس برای اندازهگیریهای غیر تهاجمی بیومارکرها در دیگر نمونههای زیستی بدن مانند تنفس، عرق، بزاق و یا اشک به جای خون هستند. یافتن یک بیومارکر مناسب برای تشخیص بیماری در انسان، حیوانات و حتی گیاهان اولین چالش است و سپس طراحی یک بیوسنسور مناسب برای آن بیومارکر دومین چالش است که میتواند تا حدی با ادغام رشتههای علمی مختلف حل شود.
Despite noteworthy developments in tumor therapy, cancer is still one of the main reasons for death worldwide. While present cures supply hopeful marks, they trigger harsh cytotoxicity, with limited success in preventing and recurrence of the disease. To overcome the mentioned issues, implantable biomaterials have been developed as promising systems for the local delivery of therapeutic agents to cancerous tissues. Due to the unique characteristics of biocompatible polymers, they have been used in different approaches of localized drug delivery to ensure accurate control over the release of chemotherapy drugs, genes, proteins, and peptides. In this presentation, the recent progress in stimuli-responsive implantable drug delivery systems for preventing tumor recurrence and suppressing tumors are reported. In particular, I pay to redox-, enzyme-, and pH-responsive systems in programmable drug delivery and the near-infrared-, ultrasound-, electric-, and magnetic-regulated release in on-demand local drug delivery systems. The preparation process, physicochemical characteristics of implantable materials, and kinetic models of the drug release from these platforms are also discussed in detail.
با وجود پیشرفت های قابل توجه در درمان تومور، سرطان هنوز هم یکی از دلایل اصلی مرگ و میر در سراسر جهان است. در حالی که درمانهای موجود بیانگر علائم امیدوارکنندهای هستند، اما به واسطه ایجاد سمیت سلولی شدید، موفقیت کمی در پیشگیری و عود بیماری دارند. استفاده از مواد زیستی قابل کاشت برای انتقال موضعی عوامل درمانی به بافتهای سرطانی یک روش نوید بخش برای غلبه بر مشکلات مورد اشاره در روشهای درمانی فعلی است. با توجه به ویژگی های منحصر به فرد پلیمرهای زیست سازگار، از آنها در رویکردهای مختلفی اعم از تحویل موضعی دارو برای اطمینان از کنترل دقیق فرآیند آزادسازی داروهای شیمیایی، ژن ها، پروتئین ها و پپتیدها استفاده میشود. در این ارائه، آخرین پیشرفتهای حاصل شده در زمینه توسعه سیستمهای دارو رسانی کاشتنی و پاسخدهنده به محرک برای جلوگیری از عود و سرکوب تومورها مورد بحث و بررسی قرار خواهد گرفت. همچنین سامانههای حساس به redox-، enzyme-، و PH- در دارو رسانی قابل برنامهریزی و آزادسازی امواج نزدیک مادون قرمز، اولتراسوند، الکتریکی و مغناطیسی در سامانههای دارورسانی محلی بر اساس تقاضا بررسی خواهد شد. فرآیند آمادهسازی، ویژگیهای فیزیکی - شیمیایی مواد قابل کاشت، و مدلهای سینماتیکی رهاسازی دارو از این پلتفرمها به تفصیل مورد بحث قرار خواهد گرفت.
In this lecture, design methods for microfluidic chips are discussed. The aim is to share some fundamental rules that governs the separation efficiency, throughput and viability. Specific case studies including dielectrophoresis and spiral microfluidics are presented. In addition, designs and simulation results that uses cell inherent motion are also discussed. In the final part of the lecture, feasible particle detection and tracking techniques are discussed. The audience have the time to ask their questions and propose suggestions regarding the presented materials.
در این ارائه روشهای مورد استفاده برای طراحی چیپهای میکروفلوئیدیکی مورد بحث و بررسی قرار خواهد گرفت. هدف از این ارائه به اشتراک گذاری برخی از قواعد حاکم بر بهرهوری جداسازی، نرخ تولید و زیسا سازگارپذیری است. نمونههای مورد مطالعه شامل روشهای مبتنی بر دی الکتروفورسیز و سامانههای مارپیچ میباشد. علاوه بر این، طراحیها و نتایج شبیهسازی که در آن از حرکت ذاتی سلول استفاده شده است مورد بحث قرار خواهد گرفت. در بخش پایانی سخنرانی، روشهای قابل انجام تشخیص و ردیابی ذرات مورد بحث قرار میگیرد. مخاطبان میتوانند تا سوالات خود را مطرح کرده و نقطه نظرات خود را در خصوص مطالب ارائه شده بیان کنند.
As the building block of our bodies, cells play a crucial role in research laboratories to develop any kind of product in medicine. It is believed that isolation of cells from the body and cultivation of cells in vitro changes cells' function in gene and protein expressions. About 50 years ago, it was reported that the original spherical morphology of chondrocytes is altered to the spindle fibroblast-like morphologies after isolation from hyaline cartilage. In addition, the expression of collagen type II is changed to collagen type I. Therefore, many types of research are conducted to provide a similar condition to the natural environment in vitro. We introduced cell imprinting as a physical method to mimic the natural shape of cells in vitro. In this method, cells are considered as mold, and polymeric materials replicate their shape. The replicated construct is used as a substrate for the cultivation of cells. The cell imprinting method can provide a bio-imitated environment for regulation of cell function and maintain the original phenotype of cells in vitro. Moreover, it has been proved that cell imprinted substrates can induce chondrogenic, osteogenic, tenogenic, keratinogenic, myogenic, neurogenic and Schwann cell differentiation signals in cells both in vitro and in vivo. Recently, we analyzed the nano-scale topographies of different cells and found that each cell has its own fingerprint on the replicated substrate. It seems that in the near future, the conventional polystyrene-based tissue culture plates will be substituted with substrates with physical-chemical properties similar to the cell microenvironment to regulate cell fate.
سلولها بهعنوان واحد سازنده بدن انسان، نقش به سزایی در آزمایشگاههای تحقیقاتی برای تولید هر نوع محصول پزشکی دارند. این باور وجود دارد که کشت سلولها در خارج از محیط بدن انسان، عملکرد آنها را در بیان ژن و پروتئین تغییر میدهد. حدود 50 سال پیش، گزارش شده است که مورفولوژی کروی سلولهای غضروفی پس از جداسازی از غضروف هیالین به مورفولوژی فیبروبلاستهای دوک مانند تغییر میکند. علاوه بر این، بیان کلاژن نوع II به کلاژن نوع I تغییر می کند. بنابراین در بسیاری از مطالعات تلاش محققان بر این است که آزمایش در محیطی مشابه با محیط طبیعی انجام شود. ما چاپ سلولی را به عنوان یک روش فیزیکی برای تقلید شکل طبیعی سلولها در شرایط آزمایشگاهی معرفی کردهایم. در این روش سلولها به عنوان قالب در نظر گرفته شده و مواد پلیمری شکل آنها را تکرار می کنند. ساختار تکرار شده به عنوان بستری برای کشت سلول ها استفاده می شود. روش چاپ سلولی می تواند یک محیط زیستی تقلید شده برای تنظیم عملکرد سلول و حفظ فنوتایپ اصلی سلول ها در شرایط آزمایشگاهی را فراهم کند. علاوه بر این، ثابت شده است که بسترهای حک شده سلولی میتوانند سیگنالهای تمایز سلولهای غضروفی، استخوانزایی، تنوژنیک، کراتینوژنیک، میوژنیک، نوروژنیک و شوان را در سلولها در شرایط آزمایشگاهی و درون تنی القا کنند. اخیراً، توپوگرافی سلولهای مختلف در مقیاس نانو را تجزیه و تحلیل کردیم و متوجه شدیم که هر سلول نشانه خاص خود را بر روی بستر تکرار شده دارد. به نظر می رسد در آینده ای نزدیک، صفحات کشت بافتی مبتنی بر پلی استایرن مرسوم با بسترهایی با خواص فیزیکی-شیمیایی مشابه ریزمحیط سلولی برای تنظیم سرانجام سلول جایگزین خواهند شد.
Since the introduction of droplet-based microfluidics, the manipulation of droplets within microfluidic-droplet-generation devices has provided opportunities for various applications such as drug and growth factor encapsulation, nutrition delivery control, single-cell analysis, cell culturing, and material synthesis. Various methods concerning microdroplet generation have been introduced based on the organization of multiphase fluid flow with respect to designed geometry, in which three of the most popular designs are T-junction, flow-focusing, and co-flowing. In such microdevices, shear and pressure forces cause the continuous phase to squeeze the dispersed phase and split up the droplets due to their immiscibility. Well-designed droplet-based microfluidic devices facilitate the ability to produce highly monodispersed droplets with high controllability over the frequency. Capability in controlling the size, morphology, chemical composition, spatio-temporal regulation of the produced microcapsules are their unprecedented features for shifting away from traditional arduous clinical and biological assays to more compact and mobile microdevices. Herein, we report microfluidically generated microgels containing VEGF-conjugated fluorescent carbon dots (CDs) for imaging-monitored tracking of VEGF delivery to ischemic muscles as an example of droplet-based microfluidics.
امروزه پلتفرمهای مبتنی بر قطره کاربردهای مختلفی در حوزه میکروفلوئیدیک دارند که از آن جمله میتوان به کپسوله کردن دارو و فاکتورهای رشد، کنترل فرآیند تحویل مواد مغذی، آنالیز تک سلول، شمارش سلول و سنتز مواد اشاره کرد. روشهای مختلفی برای تولید ریز قطرات وجود دارد که عموما بر اساس هندسه سامانه مورد استفاده از یکدیگر تفکیک میشوند. از جمله مرسومترین روشهای مورد استفاده میتوان به روش T-junction، Flow-focusing و روش Co-flow اشاره کرد. در این سامانهها، نیروهای برشی و فشاری باعث میشوند تا فاز پراکنده در داخل فاز پیوسته که از نظر فیزیکی با یکدیگر نامحلول میباشند به شکل قطره رها شود. از ویژگیهای یک سامانه تولید قطره خوب میتوان به تولید قطرات با سایز یکنواخت و کنترل پذیری بالا اشاره کرد. قابلیت کنترل سایز، کنترل مورفولوژی ذرات، کنترل ترکیب شیمیایی، و تنظیم موقعیت زمانی و مکانی میکرو کپسولها از جمله مزیتهای سامانههای تولید قطره هستند که میتوانند روشهای کلینیکی و زیستی سنتی و قدیمی را به سمت میکرو دستگاههای کوچک و قابل حمل سوق دهند. در این ارائه روند تولید و انتقال میکروژلهای حاوی VEGF که برای ردیابی تصویری با کربن داتهای دارای خاصیت فلورسنت (CD) ترکیب شدهاند به عنوان مثالی از کاربردهای سامانههای مبتنی بر قطره مورد بحث و بررسی قرار خواهد گرفت.
The presentations will provide an overview about the use of microfluidics for drug development and drug testing, in particular for the production of various nanodrug carriers. Various methods for the production of nano carriers particularly for mRNA vaccines will be discussed and the role of microfluidics as a paradigm-shifting approach will be explained. Finally, Dr. Mousavi Shaegh will explain the technologies that have been developed in his research group for the production of lipid nano particles (LNP) for Covid-19 vaccine delivery.
در این ارائه ابتدا مروری بر استفاده از میکروفلوئیدیک در توسعه و آزمایش مواد دارویی، به ویژه، حاملهای نانو دارو انجام میشود. در ادامه روشهای مختلف مورد استفاده برای برای تولید حاملهای نانودارو، به ویژه واکسنهای mRNA و نقش میکروفلوئیدیک به عنوان یک تغییر رویکرد مورد بحث قرار خواهد گرفت. در نهایت آخرین دستاوردهای علمی جناب آقای دکتر موسوی و گروه پژوهشی تحت نظر ایشان در زمینه تولید نانوذرات لیپیدی برای انتقال واکسن کووید در بدن مورد بحث و بررسی قرار خواهد گرفت.
Circulating tumor cells (CTCs) carry crucial information on primary tumors critical for improving precise cancer treatment monitoring according to NCCN (national comprehensive cancer network) guidelines. Numerous microfluidic platforms have been developed in the last few years to isolate these rare cells in the patient bloodstream for monitoring treatment. However, the practical method would need for a clinical application that is low cost, simple and efficient. Herein, we demonstrate a novel microarray-based microfluidic device that consumes the lowest materials and volume and can work with real blood with the lowest manipulation. The key novelty of this approach lies in the optimum and new geometry of pillar arrays in the chip flow components for reducing its size and volume and increasing capture efficiency. Therefore, the device makes us suitable for clinical applications. Our device is developed with the optimized channel geometries and flow rate, the capture efficiency reached >90% with a purity of >82% when capturing spiked tumor cells in the buffer. The capture efficiency of >90% has been achieved for Rhomboid and Rectangular pillars using spiked cancer cells in whole blood from a healthy donor. The presented platform shows great promise for precise CTC enumeration, drug and biological evaluations of CTCs, and cancer metastasis, as well as for monitoring the cancer treatment.
سلول های توموری در گردش (CTC) حامل اطلاعات مهمی در خصوص تومور های اولیه هستند که بر اساس دستورالعمل شبکه ی ملی مطالعات سرطان امریکا (NCCN) برای بهبود پایش دقیق درمان سرطان، حیاتی هستند. در سال های اخیر پلتفرم های متعددی برای جداسازی این سلول های کمیاب از جریان خون برای پایش درمان سرطان توسعه یافته اند. با این حال یک روش عملی برای کاربرد بالینی باید ارزان، ساده و کارآمد باشد. در این مطالعه، ما یک دستگاه میکروسیالاتی بر پایه ی میکروآرایه را معرفی می کنیم که کمترین حجم مواد را مصرف می کند و می تواند با حداقل دخالت انسانی، با نمونه ی واقعی خون کار کند. نوآوری کلیدی این رویکرد در هندسه ی نوین و بهینه ی آرایه ی ستون ها در اجزای جریان تراشه است که اندازه و حجم آن را کاهش می دهد و کارآمدی به دام انداختن سلول ها را افزایش می دهد. بنابراین این دستگاه را برای کاربرد بالینی مناسب می سازد. دستگاه ما با هندسه ی کانال و سرعت جریان بهینه، توسعه یافته است. کارآمدی به دام انداختن سلول های توموری spiked به بیش از 90% با خلوص بیش از 82% می رسد. کارآمدی بالای 90% برای به دام انداختن سلول های سرطانی spiked در نمونه ی خون کامل فرد سالم با استفاده از ستون های مستطیل و لوزی شکل به دست آمده است. پلتفرم ارائه شده، شمارش دقیق سلول های توموری در گردش، ارزیابی دارویی و زیستی این سلول ها، متاستاز سرطان و پایش درمان سرطان را نوید می دهد.
Point-of-care testing (POCT) is a test method performed on the sampling site or patient bedside. Clinicians have relied upon lateral flow assays (LFAs) since the 1970s for diagnostic testing. The efficacy of dipstick assays goes back even earlier, to the 1940s. Immunochromatography (or lateral flow tests) combines separation of the sample molecules and reagents based on migration on a solid support by capillary flow and the identification and detection procedures are based on the antigen–antibody immune reaction. A typical lateral flow test format usually consists of a nitrocellulose or filter paper membrane that carries the liquid sample from the application pad via the conjugate release pad (e.g., labeled antibodies), along a strip. When an immunocomplex with the immobilized detection antibody is formed, if colloidal gold or latex particles are used as conjugates, a red-purple or blue line, respectively, is generated. Migration of the samples through the membrane is rapid (i.e., 5–15 min), which provides for rapid detection of the antigen in question. Further advantages of immunochromatography are the low sample volume, portable devices, and generally no need for extra-large and expensive equipment. More accurate results can be achieved rapidly by the application of portable analytical instruments and compatible reagents. It has been widely used in the field of in vitro diagnosis (IVD). Paper-based microfluidics technology has great potential in developing POCT due to its advantages in low cost, disposable, widely available, ease of safe handling, hydrophilic quality, and biocompatibility with most samples, simple operation, rapid detection, portable equipment and unrestricted application conditions which lend themselves to the mass production of POCT devices. Such paper-based devices incorporate materials such as cellulose or nitrocellulose. In recent years, the development of paper-based microfluidic technology and its integration with various new technologies and methods have promoted the substantial development of POCT technology and methods. Some other components are such as sample application pad, conjugate pad, substrate (nitrocellulose) membrane and adsorbent pad. In recent pandemic about 1 in 3 people with COVID-19 do not have symptoms but can still infect others. Rapid tests help to check if someone has COVID-19. If people test positive and self-isolate, it helps stop the virus spreading. Research shows rapid tests are a reliable test for COVID-19. They give a quick result and do not need to be sent to a lab.We in Tarbiat Modares University, Tehran have developed a rapid antigen and antibody test in which homemade reagents were used. These tests enjoy a 97 % sensitivity and 99 % specificity and presently are marketed by Rojan Azma mfg ,used in COVID-19 spread control in the national level as well as some neighboring countries .Nano gold particles are used in these assays for detection and visualization proposes .The average performance time is 15 minutes including nasopharyngeal sample collection and assay development .These assays are easily performed in field and are inexpensive as well as easy to handle by nonprofessional health workers or even the patient self-check.
تشخیص بربالین یک روش تشخیصی برای استفاده در محل نمونه گیری یا بر بالین بیمار است. کادر درمان از دهه 1970 روی آزمون جریان جانبی (LFA) برای تست تشخیصی تکیه کرده اند. کاربرد آزمون dipstick حتی به قبل تر، در دهه ی 1940 بر می گردد. ایمونوکروماتوگرافی (یا آزمون جریان جانبی) جداسازی مولکول های نمونه و مواد را بر اساس حرکت روی یک غشای جامد به وسیله ی جریان مویین ترکیب می کند و فرآیند شناسایی و تعیین هویت بر اساس برهمکنش ایمنی آنتی ژن-آنتی بادی انجام می گیرد. یک آزمون جریان جانبی رایج، معمولا از نیتروسلولز یا کاغذ فیلتر تشکیل شده است که نمونه مایع را از پد نمونه و پد کانژوگه (شامل آنتی بدی های نشان دار شده) و در طول نوار حمل می کند. هنگامی که یک کمپلکس ایمنی به وسیله ی آنتی بادی های شناساگر تثبیت شده تشکیل می شود، در صورت استفاده از ذرات کلوئیدی طلا یا ذرات لاتکس کانژوگه، به ترتیب خط قرمز-بنفش یا آبی ایجاد می شود. حرکت نمونه ها از میان غشا سریع (5 الی 15 دقیقه) است که شناسایی سریع آنتی ژن مورد نظر را ممکن می سازد. از دیگر مزایای ایمونوکروماتوگرافی حجم کم نمونه، قابل حمل بودن دستگاه و به طور کلی عدم نیاز به تجهیزات بسیار بزرگ یا پیشرفته است. نتایج دقیق تر می تواند به سرعت با به کارگیری دستگاه های تحلیل کننده و مواد سازگار به دست آید. این روش به طور گسترده در زمینه ی تشخیص درون-شیشه (IVD) استفاده شده است. فناوری بر پایه کاغذ به خاطر قیمت پایین، یکبار مصرف بودن، دسترسی وسیع، کاربرد راحت و ایمن، کیفیت آبدوستی و زیست سازگاری با بیشترین تعداد نمونه ها، کارکرد ساده، تشخیص سریع، تجهیزات قابل حمل و شرایط کاربرد بدون محدودیت پتانسیل بالایی در توسعه ی تست های تشخیصی بربالین دارد و می تواند برای تولید انبوه دستگاه های تشخیصی بر بالین مورد استفاده قرار گیرد. دستگاه های بر پایه کاغذ از موادی همچون سلولز یا نیتروسلولز استفاده می کنند. در سال های اخیر، توسعه ی فناوری میکروسیالات برپایه کاغذ و ترکیب آن با فناوری ها و روش های متنوع نوین، توسعه ی فناوری ها و روش های تشخیصی بر بالین را پیش برده است. برخی اجزای دیگر این دستگاه پد قرارگیری نمونه، پد کانژوگه، لایه غشا (نیتروسلولز) و پد جاذب هستند. در پاندمی اخیر حدود 1 نفر از 3 نفر با بیماری کووید-19 علائمی ندارند اما همچنان می توانند دیگران را آلوده کنند. تست های تشخیص سریع به شناسایی افراد مبتلا به کووید-19 کمک می کنند. اگر افراد با تست مثبت، خود را قرنطینه کنند، به توقف انتشار ویروس کمک می شود. مطالعات نشان می دهند تست های تشخیص سریع برای کووید-19 قابل اعتماد هستند. این تست ها یک نتیجه ی سریع به دست می دهند و نیاز به ارسال به آزمایشگاه ندارند. ما در دانشگاه تربیت مدرس تهران یک تست آنتی ژن و آنتی بادی سریع توسعه داده ایم که مواد داخلی در آن استفاده شده اند. این تست ها حساسیت 97% و اختصاصیت 99% دارند و در حال حاضر توسط شرکت روژان آزما تجاری سازی شده اند که برای کنترل شیوع کووید-19 در سطح ملی و همچنین در برخی کشور های همسایه استفاده شده اند. نانوذرات طلا در این تست ها برای شناسایی و نمایش نتایج استفاده شده است. میانگین زمان عملکرد با احتساب نمونه برداری نازوفارنژال و انجام تست، 15 دقیقه است. این تست ها به راحتی در محل استفاده می شوند، ارزان اند و همچنین می تواننند توسط کادر درمان غیر حرفه ای یا حتی خود بیمار به آسانی به کار گرفته شوند.
Examining the tumor's margins during surgery for breast cancer patients is crucial to ensure the definitive removal of suspicious and high-risk cells with minimal damage to healthy tissue. The remanence of cancer cells in the body causes resurgeries and inevitable postoperative treatments, with many side effects. Frozen pathology of tumor margins during surgery is a conventionally accepted method to guide the surgeon during the operation. However, the time-consuming and inaccurate process of margin examination, along with 20 to 70% false negative, are limitations in evaluating margins by frozen pathology during surgery. Cancer Diagnostic Probe (CDP) was developed for the first time based on the real-time electrochemical measurement of the metabolism of hypoxia glycolysis and Reverse Warburg effect in precancerous and cancer cells during the surgery. CDP system with several US patents (US 11,179,076 B2, US 10,786,188 B1, US 11,179,077 B2, US 11,181,499 B2) and published ISI articles in the journals of bioengineering and translational medicine (https://doi.org/10.1002/btm2 .10236), International Journal of Medical Robotics and Computer Assisted Surgery (https://doi.org/10.1002/rcs.2335), Biosensors and Bioelectronics (https://doi.org/10.1016/j.bios.2020.112209), and License number 23212882 from the Ministry of Health is introduced as a surgical assistance system in breast cancer. In case of availability of frozen pathology, CDP is used as a complementary device, and in the absence of frozen pathology, it is used as a surgical assistance system to check the cavity-side margins. The new system uses a needle sensor to reveal the area of suspected cancerous margin inside the body (cavity-side margin) within a few millimeters in 30 seconds. This system has a clinical diagnostic classification corresponding with the pathological results of the tested tissues and the CDP response peaks, based on the classification of the pathological system (Ductal intraepithelial neoplasia (DIN), Lobular intraepithelial neoplasia (LIN), and Fibro epithelial lesion (FEL) (according to the latest reported revisions)) . The main part of CDP is electrically active carbon nanotubes decorated needle sensors. Functionalized CNTs are crucial in selective sensing of ROS released from cancer cells during glycolysis. The unique ability to instantly and non-invasively examine internal margins with pathological values (from benign and high-risk masses to pre-invasive and invasive cancerous lesions) makes CDP a distinctive surgical instrument with portable and straightforward equipment to increase the accuracy of cancer cells diagnosis in patients, candidates for breast cancer surgery.
The private and public health providers are under extreme pressure to deliver effective patient care at the right point in the care pathway. During COVID-19 pandemic, the importance of POC testing devices has been enhanced. Point of care testing (POCT) has the power to disrupt traditional pathways and support improved patient outcomes as well as wellness. Moreover, early and rapid results out of accessible and affordable POCTs significantly cause the higher quality of life with a certain healthcare expenditure. In comparison to medical devices and pharmaceuticals, investing on IVD will pays back much more efficiently. But several challenges exist such as POCT Connectivity, POCT Regulations, Multiple Device Types & Capabilities and Operator Certifications. To pave the way, Stakeholder matrix from patient to regulatory should be considered.
ارائه دهندگان خدمات خصوصی و عمومی سلامت برای مراقبت کارآمد از بیماران در نقطه ی مناسب در مسیر مراقبت، تحت فشار زیادی هستند. در طی پاندمی کووید-19، اهمیت تست تشخیصی بر بالین افزایش یافته است. این تست ها قابلیت این را دارند تا مسیر های سنتی را کنار بزنند و از نتیجه ی بهبود یافته و همچنین سلامتی بیمار حمایت کنند. علاوه بر این، نتایج زودهنگام و سریع حاصل از تست های تشخیصی بر بالین در دسترس و ارزان، با یک هزینه خدمات درمانی مشخص به طور معناداری موجب کیفیت بهتر زندگی می شوند. در مقایسه با دستگاه های پزشکی و داروسازی، سرمایه گذاری روی تشخیص طبی (IVD) سود بیشتری باز می گرداند. اما چالش های بسیاری همچون اتصال دستگاه های تشخیصی بربالین، نهاد رگولاتور، وجود انواع دستگاه ها و قابلیت ها و مجوز دهی وجود دارد. برای هموار کردن راه، مجموعه ی ذینفعان از بیماران گرفته تا نهاد رگولاتور، می بایست مورد توجه قرار گیرند.
Microfluidic devices have received wide attention and shown great potential in the field of tissue engineering and regenerative medicine. Investigating cell response to various stimulations is much more accurate and comprehensive with the aid of microfluidic devices. In this study, initially, we introduce a microfluidic device by which the matrix density as a mechanical property and the concentration profile of a biochemical factor as a chemical property could be altered. This microfluidic device is capable of mimicking both 2D to 3D and 3D to 3D migration of different types of cells. Fluid shear stress is negligible on the cells and a stable concentration gradient can be obtained by diffusion. The device was designed by a numerical simulation so that the uniformity of the concentration gradients throughout the cell culture chamber was obtained. Neural stem cells (NSCs) were cultured within varying collagen matrix densities while exposed to NGF concentrations and they experienced 3D to 3D collective migration. Also, adult neural cells were cultured within this device and they showed different branching and axonal navigation phenotypes within varying nerve growth factor (NGF) concentration profiles. Next, by generating vascular endothelial growth factor (VEGF) concentration gradients, adult human dermal microvascular endothelial cells (HDMVECs) were also migrated in a 2D to 3D manner and formed a stable lumen within a specific collagen matrix density. It was observed that a minimum absolute concentration and concentration gradient was required to stimulate migration of all types of the cells. This device has the advantage of changing multiple parameters simultaneously and is expected to have wide applicability in cell studies. In another study, we formed colon cancer tumor spheroids of HT-29 cells using a microfluidic droplet generation method and in the next step, the viability test was performed using a live-dead cell assay. This device will be used in drug screening of tumor vasculature to recapitulate the three-dimensional microenvironment that cells reside in in vivo, where cells communicate with other cells and extracellular matrix.
Droplet generation technologies have seen an increased uptake in the food and health industry. The is mainly due to the synergy of devices that optimize chemical reactions, with those in which the biological responses to such compounds. For example, in pharmaceutical industry, the increasing prevalence of these droplet generator systems has been a result of the spiralling costs associated with drug development and screening. pharmaceutical compound takes more than 10 years and $2.5 billion to be brought to the market . The efforts have been focused on building instruments that can generate pico-to-nano droplet sizes with high throughput and high monodispersity. The common methods appreciated in such applications for generation of droplets on demands have been inkjet printing and microfluidics. Due to the limitation of such methods in producing droplets from different materials, continuous phases are often engineered to have physical properties satisfying the requirements of these systems. For example, for inkjet printing, the drop detachment is governed by the Rayleigh-Plateau instability which involves a involves a strong coupling between interfacial and viscous forces. To ensure successful droplet ejection, the ink composition and printing parameters must be precisely tuned within a narrow printing window to balance the interplay of these force. Therefore, despite its high resolution (10µm droplets), contactless deposition, and high drop generation rates (1 to100 kHz) , inkjet printing is well suited only for patterning low viscosity inks (roughly between 10 to 100 times higher than the viscosity of water. To print more viscous inks, the viscosity of the ink is carefully pre-treated to place this narrow window of physical properties, either by using thermal process or solvent dilution. Producing simple or double emulsions technologies have shifted toward the microfluidic devices as they provide a carrier medium with an exquisite monodispersity. The generation of emulsions of droplets with the diameter from 20µm to 500µm mandates a versatile scalable device that could generate droplets of prescribed rate and prescribed volume of a broad range of materials. Here in this talk we review the recent progress on the production of single and double emulsion with the focus on microfluidic techniques. We specifically address the current challenges for the scale up and also the opportunities for future works.
Nucleic acid biomarkers serve as the most reliable and specific targets for molecular detection. However, because of low copy number of these biomarkers and to increase sensitivity, amplification of them is applied. The challenge of using isothermal amplification systems as an alternate to the most extensive and laborious PCR-based amplification of nucleic acids has arisen recently. The main advantage of isothermal amplification is no requirement for expensive laboratory equipment for thermal cycling. Considerable efforts have been made to improve the current techniques of nucleic acid amplification and the development of new approaches based on the main drawbacks of each method. The most important and challenging goal was to achieve a low-cost, straightforward system that is rapid, specific, accurate, and sensitive.
نشانگر های زیستی نوکلئیک اسید به عنوان قابل اعتماد ترین و اختصاصی ترین اهداف برای تشخیص مولکولی به شمار می روند. با این حال، به خاطر تعداد کپی های پایین این نشانگر ها و جهت افزایش حساسیت، تکثیر آن ها مورد استفاده قرار می گیرد. چالش استفاده از سیستم های تکثیر هم دما به عنوان جایگزینی برای گران ترین و پر زحمت ترین روش های تکثیر نوکلئیک اسید بر پایه PCR اخیرا افزایش یافته است. مزیت اصلی تکثیر همدما، عدم نیاز به تجهیزات گران برای ایجاد چرخه های دمایی است. تلاش های قابل توجهی برای توسعه ی تکنیک های تکثیر حال حاضر و توسعه ی رویکرد های نوین بر پایه ی معایب هر روش، انجام شده است. مهم ترین و پرچالش ترین هدف، دستیابی به یک سیستم ارزان و ساده است که سریع، اختصاصی، دقیق و حساس باشد.
Visual detection, as a universal sensing approach, holds great promise in various fields such as
environmental monitoring, food safety, security issues, clinical and point-of-care diagnosis,
and healthcare assays in especially resource-constrained areas, where sophisticated
instrumentation may not be available. Many efforts have been made over the past few decades to
develop optical probes which can be classified into two main groups: colorimetric and
fluorometric approaches. In the former, changes in the absorption signal or wavelength is
assigned to the concentration of an analyte whereas in the latter, changes in the emission
characteristics is monitored for quantification. In either of these analytical signal modes,
implementation of nanostructures can greatly enhance sensing. Owing to the high extinction
coefficient of plasmonic nanoparticles together with their size, shape and environment dependent
absorption profiles, they provide much better colorimetric probes compared to their conventional
counterparts. Similarly, it has been shown that emitters in nanoscale such as quantum dots,
nanoclusters and metal organic framework materials with incredible and tunable emission
properties, have recently attracted great attention in the fields of sensing and bioimaging.
Moving from single optical probes towards cross-reactive sensor arrays enables the recognition
and discrimination of groups of target species. In array-based sensors, instead of relying on a
specific lock and key interaction for sensing, an array of semi-selective sensor elements is
used. These cross-reactive sensor elements provide differential responses and generate
measurable fingerprint patterns which are analyzed by pattern recognition methods in order to
classify the data and to detect unknown samples. Since the large amount of data provided in a
sensor array usually has a high dimension and cannot be analyzed by basic calibration methods, a
multivariate data reduction method is required to reduce the dimension of the data and to make
it better visually interpretable.
In this presentation, basic principles in the design of nanostructure-based optical sensor
arrays will be outlined. Focusing on our recent research in this field , we will present several
examples of luminescent and plasmonic nanoparticles that have been used to produce the desired
assembly of sensor elements for detection and discrimination of important analytes.
تشخیص بصری، به عنوان یک رویکرد سنجش جامع، در زمینههای مختلف مانند نظارت محیط زیستی، امنیت غذایی، مسائل امنیتی، تشخیص بالینی و بربالین، و سنجش مراقبتهای بهداشتی به ویژه در مناطق با منابع محدود، که ممکن است تجهیزات پیچیده در دسترس نباشند، پتانسیل های زیادی دارد. تلاشهای زیادی در طول چند دهه گذشته برای توسعه پروبهای نوری انجام شدهاست که میتوانند به دو گروه اصلی طبقهبندی شوند: روشهای رنگ سنجی و فلوئورومتری. در حالت اول، تغییرات در سیگنال جذب یا طولموج به غلظت یک آنالیت نسبت داده میشود در حالی که در حالت دوم، تغییرات در ویژگیهای انتشار برای کمی سازی مورد نظارت قرار میگیرد. در هر یک از این حالتهای سیگنال تحلیلی، پیادهسازی نانوساختارها میتواند تا حد زیادی حس کردن را افزایش دهد. به دلیل ضریب جذب بالای نانوذرات پلاسمونی همراه با اندازه، شکل و پروفایل های جذب وابسته به محیط، آنها پروب های رنگ سنجی بسیار بهتری را در مقایسه با همتایان معمولی خود فراهم میکنند. به طور مشابه، نشانداده شدهاست که ساطع کنندهها در مقیاس نانو مانند نقاط کوانتومی، نانوخوشه ها و مواد چارچوب آلی فلزی با خواص انتشار فوق العاده و غیرقابل تنظیم، اخیرا توجه زیادی را در زمینههای سنجش و تصویربرداری زیستی به خود جلب نمودهاند. حرکت از کاوشگرهای نوری منفرد به سمت آرایههای حسگر واکنشی متقابل، تشخیص و تمایز گروههای گونههای هدف را ممکن میسازد. در سنسورهای مبتنی بر آرایه، به جای تکیهبر یک قفل خاص و تعامل کلیدی برای سنجش، از یک آرایه از عناصر سنسور نیمه انتخابی استفاده میشود. این عناصر حسگر متقابل، پاسخهای افتراقی را فراهم میکنند و الگوهای قابلاندازهگیری اثر انگشت را تولید میکنند که با روشهای شناسایی الگو به منظور طبقهبندی دادهها و تشخیص نمونههای ناشناخته تحلیل میشوند. از آنجا که مقدار زیادی از دادههای ارائهشده در آرایه سنسور معمولا بعد بالایی دارند و نمی توان آنها را با روشهای کالیبراسیون پایه تجزیه و تحلیل کرد، یک روش کاهش دادههای چند متغیره برای کاهش ابعاد دادهها و بهتر کردن بصری آن مورد نیاز است. در این ارائه، اصول اساسی در طراحی آرایههای حسگر نوری مبتنی بر نانوساختار بیان خواهد شد. با تمرکز بر تحقیقات اخیر خود در این زمینه، چندین نمونه از نانوذرات لومینسانس و پلاسمونیک را ارائه خواهیم نمود که برای تولید مجموعه مطلوب از عناصر سنسور برای شناسایی و تشخیص آنالیت های مهمی مورد استفاده قرار گرفتهاند.
Infertility is on the rise worldwide, affecting almost 15% of couples (over 48 million couples). In nearly half of the cases, male-related issues such as low sperm count or poor motility are responsible for the infertility issue. Assisted reproductive technologies (ART) have been developed and refined over 40 years to treat infertility. ARTs include intrauterine insemination (IUI), in vitro fertilization (IVF), and intracytoplasmic sperm injection (ICSI), in which a selected subpopulation of high-quality sperm is either introduced closer to the egg or injected directly into the egg to achieve fertilization. However, one of the major concerns about ART, and ICSI, is that they bypass almost all the natural selection barriers that sperm encounter in vivo. The selection of high-quality sperm is crucial to infertility treatment. The success rate of the ART treatment cycle and embryo development rate are both directly correlated with the quality of the selected sperm. Swim-Up (SU) and Density Gradient Centrifugation (DGC) are the two most commonly used clinical methods for selecting high-quality sperm. These methods are time-consuming, labor-intensive, highly subjective, and they introduce sperm DNA damage due to centrifugation while also resulting in relatively low recovery rates. It is crucial to develop new methods for rapid, automated, and non-invasive selection of high-quality sperm by mimicking the natural selection process in vivo, ultimately improving the ART outcome. Bio-MEMS has emerged as a rapid and automated platform for cell separation and studying gamete function, capable of providing geometrically confined microenvironments that closely mimic the natural in vivo environment. In this presentation, we will study the application of Bio-MEMS in ART.
ناباروری در سراسر جهان رو به افزایش است و تقریباً 15 درصد از زوج ها (بیش از 48 میلیون زوج) را تحت تأثیر قرار می دهد. تقریباً در نیمی از موارد، مسائل مربوط به مردان مانند تعداد کم اسپرم یا تحرک ضعیف، عامل مشکل ناباروری است. روشهای کمک باروری (ART) بیش از 40 سال است که برای درمان ناباروری توسعه یافته و اصلاح شده است. این روشها شامل تلقیح داخل رحمی (IUI)، لقاح مصنوعی (IVF) و تزریق درون سیتوپلاسمی اسپرم (ICSI) است که در آن یک زیرجمعیت منتخب از اسپرم با کیفیت بالا در معرض تخمک قرار داده میشود یا مستقیماً به تخمک تزریق میشود تا لقاح حاصل شود. با این حال، یکی از نگرانی های عمده در مورد روشهای کمک باروری و تزریق درون سیتوپلاسمی اسپرم این است که این روشها تقریباً تمام موانع انتخاب طبیعی را که اسپرم در داخل بدن با آن مواجه می شود، دور می زنند. انتخاب اسپرم با کیفیت بالا برای درمان ناباروری بسیار مهم است. میزان موفقیت چرخه روشهای کمک باروری و نرخ رشد جنین به صورت مستقیم با کیفیت اسپرم انتخاب شده در ارتباط هستند. شناورسازی (SU) و سانتریفوژ بر اساس گرادیان غلظت (DGC) دو روش بالینی رایج برای انتخاب اسپرم با کیفیت بالا هستند. این روشها زمانبر هستند، نیاز به کار فشرده دارند، قابل تفسیر هستند، به دلیل سانتریفیوژ کردن به دنای اسپرم آسیب وارد میکنند و در عین حال نرخ بهبودی نسبتاً پایینی را نیز به همراه دارند. توسعه روشهای جدید برای انتخاب سریع، خودکار و غیرتهاجمی اسپرم با کیفیت بالا با تقلید از فرآیند انتخاب طبیعی در داخل بدن بسیار مهم است که در نهایت نتیجه روشهای کمک باروری را بهبود میبخشد. سیستمهای میکروالکترومکانیکی زیستی (Bio-MEMS) به عنوان یک بستر سریع و خودکار برای جداسازی سلول ها و مطالعه عملکرد گامت پدیدار شده است، که قادر به ارائه ریزمحیطهایی است که از محیط طبیعی داخل بدن تقلید می کند. در این ارائه به بررسی کاربرد سیستمهای میکروالکترومکانیکی زیستی در روشهای کمک باروری می پردازیم
In this presentation, a label-free method for detection of the biomolecules including virus RNA/DNA in nasopharyngeal swab samples is reported. The presented method does not need any purification step and multiplication of the target which simplifies and expedites the analysis process. The kit consists of a textile which is agitated with liquid crystals (LC) and placed in a crossed polarized microscopy. The swab samples are placed on the LCs. In the presence of a particular biomolecule, the direction of LCs changes locally based on the properties of the biomolecule and forms a particular pattern. This method was examined for SARS-CoV2 virus. It could differentiate negative and positive SARS-CoV2 samples with an accuracy of 96% and also differentiated SARS-CoV2 from influenza types A and B with an accuracy of 93%. The kit is portable, simple to manufacture, convenient to operate, cost-effective, rapid and sensitive. The simplicity of the specimen processing, the speed of image acquisition, and fast diagnostic operations enable the deployment of the proposed technique for performing extensive on-spot screening of COVID-19 in public places.
در این ارائه، یک روش بدون برچسبگذاری برای تشخیص مولکولهای زیستی از جمله RNA/DNA ویروس در نمونههای nasopharyngeal swab گزارش شده است. روش ارائهشده نیازی به مرحله تصفیه و تکثیر هدف ندارد و فرآیند تجزیه و تحلیل را ساده و تسریع میکند. این کیت شامل یک بافت است که با کریستالهای مایع (LC)همزده میشود و در یک میکروسکوپ پلاریزه متقاطع قرار داده میشود. نمونههای swab بر روی کریستالهای مایع قرار داده میشوند. در حضور مولکول زیستی خاص، جهت کریستالهای مایع به صورت محلی براساس ویژگیهای مولکول زیستی تغییر میکند و یک الگوی خاص را تشکیل میدهند. این روش برای ویروس SARS-CoV2 مورد آزمایش قرار گرفت. این دستگاه میتواند نمونههای SARS-CoV2 منفی و مثبت را با دقت 96 درصد متمایز کند و همچنین SARS-CoV2 را از آنفولانزای نوع A و B با دقت 93 درصد متمایز میکند. این کیت قابل حمل، مناسب برای ساخت، راحت برای استفاده، مقرون به صرفه، سریع و حساس است. سادگی پردازش نمونه، سرعت به دست آوردن تصویر و عملیات تشخیصی سریع، امکان بهکارگیری تکنیک پیشنهادی را برای انجام غربالگری فوری ویروس کرونا در مکانهای عمومی فراهم میکند.
Recent advances in microfabrication technologies have enabled us to construct collagen gel microbeads, which can be cultured with hepatocytes. However, little is known about the hepatocyte–collagen gel microbead interactions. Here, we aimed to clarify the effects of the balance between cell–cell and cell–collagen gel microbead interactions on hepatocyte morphogenesis and functions. The magnitude of cell–microbead interactions was controlled by changing the size of the microbeads, which were smaller than, comparable to, and larger than hepatocytes. These small, medium, and large microbeads were cultured separately with primary hepatocytes. Phase-contrast and time-lapse imaging revealed that the medium microbeads significantly induced the construction of 3D structures composed of the microbeads and hepatocytes in a self-organizing manner, whereas hepatocytes formed 2D monolayers with the small or large microbeads. These results suggest that only the medium microbeads induced the 3D tissue formation of hepatocytes. Furthermore, liver-specific functions, such as albumin secretion and ammonia clearance, were significantly upregulated in the 3D structures. These findings are critical to understand how to control the construction of 3D hepatocyte tissues with hydrogel microbeads in the context of biofabrication.
پیشرفتهای اخیر در فنآوریهای ساخت میکرو ما را قادر ساختهاست که میکرودانههای ژل کلاژن را بسازیم، که میتواند با سلولهای کبدی کشت داده شود. با این حال، اطلاعات کمی در مورد اثرات متقابل ژل کلاژن - سلولهای کبدی وجود دارد. در اینجا، ما قصد داریم تا اثرات تعادل بین برهمکنش سلول - سلول و ژل کلاژن - سلول بر روی شکل زایی و عملکرد سلولهای کبدی را روشن سازیم. اندازه فعل و انفعالات سلول - میکرومهره با تغییر اندازه میکرومهره ها کنترل شد که کوچکتر، قابلمقایسه و بزرگتر از هپاتوسیت ها بودند. این ریزدانههای کوچک، متوسط و بزرگ به طور جداگانه با هپاتوسیت های اولیه کشت داده شدند. تصویر برداری فاز کنتراست در مرور زمان نشان داد که ریزدانههای متوسط به طور قابلتوجهی باعث ایجاد ساختارهای سهبعدی متشکل از ریزدانهها و هپاتوسیت ها به شیوهای خود سازماندهی شدند، در حالی که هپاتوسیت ها مونولایه های ۲ بعدی با ریزدانههای کوچک یا بزرگ تشکیل دادند. این نتایج نشان میدهد که تنها ریزدانههای محیط کشت، تشکیل بافت سهبعدی هپاتوسیت ها را القا میکنند. علاوه بر این، عملکردهای خاص کبد، مانند ترشح آلبومین و پاکسازی آمونیاک، به طور قابلتوجهی در ساختارهای سهبعدی بیان شدند. این یافتهها برای درک چگونگی کنترل ساختار بافت کبدی سهبعدی با ریزدانههای هیدروژل در زمینه ساخت-زیستی بسیار مهم است.
بیماریهای قلبی و عروقی با سهم 44% عامل اول مرگ و میرها در دنیا و ایران است. نرخ شیوع این بیماری ها هم متاسفانه در کشور ما بسیار بالاست. یکی از راه های کند کردن روند پر شتاب بیماری های قلبی و عروقی، خودمراقبتی و تشخیص زودهنگام است. سامانه پایش هوشمند عملکرد قلب و عروق این امکان را فراهم می کند. این سامانه فشارخون بیمار و همچنین نوار قلب بیمار را ثبت و از طریق بلوتوث به گوشی هوشمند انتقال می دهد. اطلاعات از طریق گوشی هوشمند روی یک سرور ذخیره شده و با استفاده از الگوریتم های هوش مصنوعی امکان تشخیص زودهنگام آریتمی ها و بیماری های قلبی فراهم می شود. با ارسال نتایج فشار خون و نوار قلب بیمار برای پزشک متخصص عملا ایده تله مدیسن و ویزیت آنلاین پیاده سازی و دسترسی به پزشک متخصص حاذق برای همه افراد جامعه در اقصی نقاط کشور فراهم می گردد. استفاده از این سامانه امید بخش کاهش مرگ و میرهای ناشی از بیماری های قلبی عروقی و افزایش آرامش روانی و کیفیت زندگی هموطنان است.
Watching LNPs smoothly coming out of the micromixer may surprise the engineering/science team
and appear to them: oh God, we are done! we made the mRNA-Vaccine! But this is not the whole
story, at least not for us!:
1- The whole process should be done “back to back” till the vaccine comes out of the device in
the final vessels and packed! The only step that can be done after is labelling (even the latter
is not much recommended). This mandate ensures, a p-value of less than 0.05, in all statistical
analysis of the parameters; PDI < 0.8: normal requirements: 0.2, for a uniform size in 25 nm
تماشای LNPs که به آرامی از میکرومیکسر بیرون میآید ممکن است تیم مهندسی / علم را شگفتزده کند و
به آنها نشان دهد: اوه خدای من، کار ما تمام شدهاست! ما mRNA - واکسن را ساختیم! اما این داستان
ما نیست، حداقل نه برای ما! :
1- تمام این فرآیند باید "به عقب" تا زمانی که واکسن از دستگاه در ظروف نهایی بیرون بیاید و
بستهبندی شود، انجام شود! تنها گامی که می توان پس از آن انجام داد، برچسب زدن است (حتی دومی
توصیه نمیشود). این فرمان مقدار p کمتر از ۰.۰۵ را در تمام تحلیلهای آماری پارامترها تضمین
میکند. PDI ۰.۸: نیازهای نرمال: ۰.۲، برای یک اندازه یکنواخت در ۲۵ نانومتر، اندازه ۶۰ نانومتر؛
پتانسیل زتا مناسب و بازده بارگذاری (۹۵ - ۱۰۰ %، هیچ نیازی به کار کردن در دماهای گذار لیپیدی و
در نهایت TFF: بازیابی محصول بالا (سوداوری ۹۵ % محصول لیپوزومی).
۲- توان عملیاتی کمتر از ۱۰ لیتر بر ساعت از یک مجموعه واحد کار نمیکند: سردرد نخرید (توصیه
دوستانه)
3- به عبارت سادهتر: چالش اصلی خروجی و تصفیه محصول نهایی است! چالش اصلی طراحی یک میکرومیکسر
انتشار سر موج یکنواخت با شار خود برخورد است که لزوما آشفته یا آشفته نیست. کار باقی مانده، طراحی
شبکه هیدروفلوئیدیک است که قادر به شبکه جریان ثابت (مستقل از مقاومت)بوده و به اندازه کافی گاز و
سیستم کنترل نرخ نمونهبرداری بالا را در اختیار قرار دهد. در کل، چالش جالب و شگفت انگیزی وجود
دارد. در این سمینار دکتر آسیائی به طور خلاصه مبانی علمی و چالشهای اصلی در تولید جامع
میکروفلوئیدیک داروهای بر پایه آل ان پی را بررسی خواهد کرد.
Ali Mohammad Soltani: Head of Converging
Technologies Policy Center
Mohammad Reza Movahedi: Vice President for Research and Technology, Sharif University of
Technology