รู้จัก Lab-on-Chip การปฏิวัติที่ย่อห้องแล็บทั้งระบบลงมาในฝ่ามือ

การปฏิวัติที่ย่อห้องแล็บทั้งระบบลงมาในฝ่ามือ ไล่ตั้งแต่ฟิสิกส์ของของไหลในระดับไมโคร (microfluidics) สู่ Lab-on-Chip ในฐานะฮาร์ดแวร์สำคัญที่ช่วยให้การทำการทดลองที่เคยยาก เป็นไปได้มากขึ้น ทั้งบนโลกและอวกาศ  

Lab-on-Chip คือห้องแล็บขนาดจิ๋วที่รวมเอาฟังก์ชันของการทดลองทางเคมีหรือชีววิทยามาไว้บนแผ่นชิปขนาดเล็กเพียงไม่กี่เซนติเมตร ภายในชิปนั้นจะมีโครงสร้างเป็นท่อเล็กระดับไมโครเมตร หรือที่เรียกว่า Microfluidic channels ซึ่งทำหน้าที่เหมือนท่อทดลองจิ๋ว ให้ของเหลวไหล ผสม และเกิดปฏิกิริยากันได้เหมือนในห้องแล็บจริง แต่ใช้สารน้อยลงหลายพันเท่า

แนวคิดนี้พัฒนามาจากโลกของสารกึ่งตัวนำและกระบวนการสร้างระดับไมโคร (microfabrication) ที่เราคุ้นเคยกันดีในอุตสาหกรรมชิป เมื่อวิศวกรเริ่มตั้งคำถามว่า ถ้าเราสร้างวงจรไฟฟ้าขนาดนาโนได้ แล้วทำไมเราจะสร้าง “วงจรของของไหล” ไม่ได้ เทคโนโลยี Lab-on-Chip จึงเกิดขึ้นจากการเอาวิธีคิดแบบเดียวกับการผลิตชิป มาประยุกต์กับเคมีและชีววิทยาจนเกิดเป็นสาขาวิทยาของไหลระดับจุลภาค (microfluidics)

ความแตกต่างที่ชัดที่สุดระหว่าง Lab-on-Chip กับห้องแล็บแบบดั้งเดิมคือ “ขนาด” และ “ปริมาณ” ในแล็บทั่วไป การทดลองหนึ่งครั้งอาจใช้สารระดับมิลลิลิตร หรือมากกว่านั้น ต้องมีเครื่องมือขนาดใหญ่ และต้องอาศัยการควบคุมจากมนุษย์ค่อนข้างมาก ไม่ว่าจะเป็นการเทสาร การกวน หรือการจับเวลา แต่ใน Lab-on-Chip ทุกอย่างถูกย่อให้เล็กลงจนเหลือระดับไมโครลิตรหรือนาโนลิตร การไหลของของเหลวถูกควบคุมผ่านโครงสร้างบนชิป และหลายขั้นตอนสามารถทำแบบอัตโนมัติได้ตั้งแต่ต้นจนจบ

แต่จุดที่น่าสนใจจริง ๆ คือ เมื่อเราย่อระบบลงมาถึงระดับนี้ พฤติกรรมของของไหลจะไม่เหมือนเดิมอีกต่อไป ในแล็บปกติ เราอาจกวนสารให้เข้ากันได้ง่าย แต่ในระดับจุลภาค ของเหลวจะไหลอย่างเป็นระเบียบ ไม่ปั่นป่วน ทำให้ต้องใช้การแพร่เพื่อผสมสารเข้าด้วยกัน นั่นหมายความว่า แค่ “ขนาดเล็กลง” ก็เพียงพอที่จะทำให้วิธีออกแบบการทดลองต้องเปลี่ยนไปทั้งระบบ

นี่คือจุดที่ Lab-on-Chip เปลี่ยนจากการเป็นเครื่องมือ มาเป็นระบบวิศวกรรมอย่างเต็มตัว เพราะการออกแบบหรือช่องทางวิ่งของของไหลเพียงไม่กี่ไมครอน เราสามารถกำหนดได้ว่าของไหลจะใช้เวลากี่มิลลิวินาทีในการผสมกัน หรือปฏิกิริยาจะเกิดขึ้น ณ จุดใดของชิป จากเดิมที่นักวิทยาศาสตร์ “ทำการทดลอง” ในเครื่องแก้ว ตอนนี้พวกเขากำลัง “ออกแบบเส้นทางของการทดลอง” เหมือนการวางวงจรไฟฟ้า

เมื่อทุกอย่างถูกควบคุมในระดับนี้ การทดลองเริ่มมีลักษณะของตรรกศาสตร์มากขึ้นเรื่อย ๆ เราไม่ได้แค่ผสมสาร A กับ B แต่เรากำหนดได้ว่า A จะเจอ B เมื่อไร ในสภาวะใด และนานเท่าไร ซึ่งในแง่หนึ่ง มันแทบไม่ต่างจากการเขียนโปรแกรม เพียงแต่สิ่งที่ไหลอยู่ในระบบไม่ใช่ข้อมูล แต่คือของไหลจริง ๆ

เช่น เรานำของเหลว A กับของเหลว B ซึ่งอาจเป็นน้ำกับสารละลายโปรตีน หรือสารอาหารกับเซลล์ ขับให้ไหลเข้ามาในท่อระดับไมโครเดียวกัน แล้วออกแบบช่องทางให้ของไหลทั้งสองไหลประกบกันเป็นชั้น ๆ บนชิป จากนั้นจึงมาสังเกตของไหลผสมกันเร็วแค่ไหน เกิดหยด เกิดชั้น หรือเกิดรูปแบบอะไรขึ้นบ้าง โดยใช้กล้องจิ๋วหรือเซนเซอร์บนชิปวัดผล

เมื่อการทดลองกลายเป็นเป็นระบบที่ควบคุมได้ละเอียดระดับนี้ คำถามต่อมาจึงไม่ใช่แค่ “เราทำอะไรได้บ้าง” แต่คือ “เราจะนำไปใช้ที่ไหนได้บ้าง” และหนึ่งในคำตอบที่ชัดที่สุดก็คือ อวกาศ

เหตุผลแรกคือข้อจำกัดพื้นฐานที่สุดของอวกาศ นั่นคือ “ทรัพยากร” ไม่ว่าจะเป็นมวล พื้นที่ หรือพลังงาน ทุกอย่างมีต้นทุนสูงมาก การส่งอุปกรณ์ขนาดใหญ่หรือใช้สารเคมีปริมาณมากจึงแทบเป็นไปไม่ได้ในเชิงปฏิบัติ แต่ Lab-on-Chip ถูกออกแบบมาให้ใช้ของเหลวในระดับไมโครลิตร ใช้พลังงานต่ำ และมีขนาดเล็กพอที่จะบรรจุลงไปในชุดบรรทุกขนาดกะทัดรัดได้

เหตุผลที่สองคือระบบอัตโนมัติ (utomation) ในสถานีอวกาศ เวลาของนักบินอวกาศเป็นทรัพยากรที่มีค่ามาก การทดลองที่ต้องอาศัยการควบคุมด้วยมือจำนวนมากจึงไม่เหมาะกับบริบทนี้ ในขณะที่ Lab-on-Chip สามารถออกแบบให้ทำงานอัตโนมัติได้ตั้งแต่ต้นจนจบ ตั้งแต่การปล่อยสาร การผสม ไปจนถึงการเก็บข้อมูล ช่วยลดภาระของนักบินอวกาศลงอย่างมีนัยสำคัญ

ในสภาวะไร้น้ำหนัก ของเหลวจะไม่ลอยขึ้นหรือจมลง ไม่มีการไหลวนจากความต่างของอุณหภูมิ (convection) สิ่งที่เหลืออยู่คือการแพร่และแรงตึงผิว ซึ่งเป็นกลไกเดียวกับที่ Lab-on-Chip ใช้เป็นพื้นฐานอยู่แล้วตั้งแต่ต้น นั่นหมายความว่าการทดลองที่ออกแบบบนชิป จะทำงานได้ตรงตามที่ออกแบบไว้มากขึ้นในอวกาศ เพราะไม่มีแรงภายนอกมารบกวน

พูดอีกแบบคือ Lab-on-Chip ไม่ได้แค่เหมาะกับอวกาศ แต่ระบบนี้สร้างขึ้นมาในลักษณะที่เข้ากันกับสภาพแวดล้อมแบบนั้นโดยธรรมชาติ และเมื่อสภาพแวดล้อมเปลี่ยน ผลลัพธ์ของการทดลองก็สามารถเปลี่ยนไปได้ด้วย การผสมของของเหลวบางชนิด การก่อตัวของโครงสร้างระดับโมเลกุล หรือแม้แต่พฤติกรรมของเซลล์ อาจแตกต่างจากบนโลกอย่างมีนัยสำคัญ เพราะไม่มีแรงโน้มถ่วงมาเป็นตัวกำหนดทิศทางของระบบ

ดังนั้น Lab-on-Chip ในอวกาศจึงไม่ได้มีค่าแค่ในแง่ของความสะดวกหรือประหยัดทรัพยากร แต่มันเปิดโอกาสให้เราได้ทดลองในสภาวะที่โลกให้ไม่ได้ และในบางกรณี นั่นอาจทำให้เราได้คำตอบใหม่จากคำถามเดิม ๆ ที่เราคิดว่าเข้าใจมันดีอยู่แล้วนั่นเอง

เรียบเรียงโดย โชติทิวัตถ์ จิตต์ประสงค์
Prince of Wales Hospital 
Department of Orthopaedics & Traumatology 
Faculty of Medicine, The Chinese University of Hong Kong

อัปเดตข้อมูลแวดวงวิทยาศาสตร์ เทคโนโลยี รู้ทันโลกไอที และโซเชียลฯ ในรูปแบบ Audio จาก AI เสียงผู้ประกาศของไทยพีบีเอส ได้ที่ Thai PBS

“รอบรู้ ดูกระแส ก้าวทันโลก” ไปกับ Thai PBS Sci & Tech