טכנולוגיית המעבדה-על-שבב [1] נולדה בשנות השמונים, אך ההתקדמות המשמעותית בתחום החלה במהלך שנות התשעים. בשנים אלו הומצאו מערכי ה-דנא [2] ששימשו לאיתור חומצות גרעין mRNA (ניתן לקרוא עוד על דנא ו-רנא בפוסט של מכון דוידסון [3]) ואפשרו סריקה אחר רצפים גנטיים רבים בו זמנית. מכיוון שמעבדה על שבב יכולה לבצע ניתוח מהיר ומדויק של דגימות בנפחים מאד קטנים, טכנולוגיה זאת הפכה במהרה לשכיחה ומקובלת בתחומי האבחון הרפואי. למעבדה על שבב שימושים רבים באנליזה מחקרית. בין היתר, נעשה בה שימוש בתעשיות אקולוגיות הדורשות ניטור בזמן אמת של משתנים סביבתיים שונים, כמו זיהוי מהיר ומדויק של מתכות כבדות במקורות מים.

למזעור תהליכי מעבדה והעברתם למעבדה על שבב ישנם יתרונות רבים. למעבדות-על-שבב יש עלות יצור נמוכה ועלות הפעלה נמוכות מהמקבילה במעבדה רגילה, מה שמאפשר תפוצה רחבה של מכשירי אבחון זולים ומתכלים, בעיקר במדינות עולם שלישי בהן אין נגישות למכשור רפואי. בנוסף, מספיקה דגימה בנפח קטן כדי לערוך אנליזה מלאה – תנאי קריטי למשל בזיהוי פלילי, כאשר רוצים לזהות DNA מדגימה מאד קטנה שנלקחה מזירת הפשע.

לבסוף, בממדים מיקרוסקופיים, זמן התגובה של תהליכים חשובים כגון תהליכים ביו-כימיים וערבוב דגימות על ידי דיפוזיה הופך לקצר מאוד. תוצאה זו מאפשרת להאיץ בצורה משמעותית את תהליך האבחון בהתקן של מעבדה על שבב וכן לנטר, ואף לשלוט בזמן אמת, על כל תהליך ברזולוציה גבוהה מאד. האפשרות לערוך מאות בדיקות במקביל על גבי שבב אחד, מאיצה גם היא את תהליך האבחון בסדרי גודל.

מעבדה על שבב מבוססת על תגובות של נוזלים בקנה מידה מיקרוסקופי. נוזלים בקנה מידה זה מתנהגים באופן שונה מהמוכר לנו. כדי להמחיש זאת נדמיין טיפת מים כדורית ברדיוס כלשהו. על טיפה זאת פועלים שני סוגי כוחות: כוחות גוף, כמו למשל כבידה, התלויים במסה שלה (בהנחה שהטיפה אחידה, הם למעשה תלויים בנפח הטיפה), וכוחות שפה כגון מתח פנים התלויים בשטח פני הטיפה. כאשר עוברים לטיפה מאוד קטנה, נפח הטיפה קטן מהר יותר משטח הפנים שלה.
למשל, אם נכניס טיפת מים קטנה לצינורית דקיקה מזכוכית, נתקשה לגרום לטיפה לנזול החוצה מהצינורית. הסיבה לכך היא שבממדים אלו השפעת הכבידה אינה חזקה מספיק כדי להתגבר על כוחות המשיכה בין מולקולות המים לדפנות הצינורית ועל מתח הפנים של הנוזל (ניתן לקרוא עוד על מתח פנים פה [4]). כדי להניע נוזלים בתוך תעלות מיקרוסקופיות, יש להיעזר בכוחות חזקים מספיק. דוגמאות לכך הן למשל זרימה עקב הפעלת זרם חשמלי [5], או זרימה בשל שינויים במתח פנים עקב שינויים בטמפרטורה ( [6]).

חלק לא מבוטל מהמחקר בתחומי המיקרו-זרימה (שחוקר את כל שלל הזרימות בקנה מידה מיקרוסקופי וננומטרי) מגיע דווקא מסוכנויות החלל האמריקאית והאירופאית NASA ו-ESA. זאת מכיוון שהתנהגות נוזלים בחלל, בתנאים של חוסר כבידה, נשלטת לרוב על ידי אותם כוחות קפילריים וכוחות מתח פנים שהופכים לדומיננטיים בכדור הארץ רק בממדים מיקרוסקופיים.

למרות שטכנולוגיית "מעבדה על שבב" קיימת כבר מספר עשורים, תחום זה עדיין נחשב לחדש ומתפתח, עם המון שאלות פתוחות (גם ברמה הטכנולוגית וגם ברמה המדעית) והמון שימושים פוטנציאליים שמזכירים לפעמים מדע בדיוני. התפתחות מעניינת של טכנולוגיית "מעבדה על שבב" היא "איבר על שבב" [7], שהוא התקן קטן המדמה פעילות של איבר (או מספר איברים) בגוף. אם התחזיות נכונות – טכנולוגיה זו תוביל למהפכה בתהליכי פיתוח תרופות ובדיקת רעלנים ויאפשר לנו להפסיק להשתמש בבעלי חיים לבדיקות אלו.

לסיכום, דמיינו שהטלפון החכם שלכם יכול לערוך בדיקת DNA ואבחון רפואי בזמן אמת מדגימת דם קטנה, ומערכת משולבת של מעבדה על שבב יכולה להחליף פעולות של איברים מסוימים בגוף. קשה לנבא לאן טכנולוגיה זאת תתפתח בעשור הקרוב, אך ככל הנראה היא הולכת להפוך לחלק בלתי נפרד מחיי כולנו.

מקורות:

1. מעבדה על שבב
2. מערכי די.אנ.איי.
3. פוסט של מכון דווידסון על DNA וRNA
4. קישור לפוסט על בועות סבון ומתח
5. זרימה אלקטרו-אוסמוטית
6. האפקט התרמו-קפילרי
7. איבר על שבב