Microfluídica - Microfluidics

La microfluídica se refiere al comportamiento, control preciso y manipulación de fluidos que están restringidos geométricamente a una escala pequeña (típicamente submilimétrica) en la que las fuerzas superficiales dominan las fuerzas volumétricas. Es un campo multidisciplinario que involucra ingeniería , física , química , bioquímica , nanotecnología y biotecnología . Tiene aplicaciones prácticas en el diseño de sistemas que procesan bajos volúmenes de fluidos para lograr multiplexación , automatización y cribado de alto rendimiento . Los microfluidos surgieron a principios de la década de 1980 y se utilizan en el desarrollo de cabezales de impresión de inyección de tinta , chips de ADN , tecnología de laboratorio en un chip , micropropulsión y tecnologías microtérmicas.

Normalmente, micro significa una de las siguientes características:

  • Pequeños volúmenes (μL, nL, pL, fL)
  • Talla pequeña
  • Bajo consumo de energía
  • Efectos de microdominio

Normalmente, los sistemas de microfluidos transportan, mezclan, separan o procesan fluidos de otro modo. Varias aplicaciones se basan en el control pasivo de fluidos utilizando fuerzas capilares , en forma de elementos modificadores de flujo capilar, similares a resistencias de flujo y aceleradores de flujo. En algunas aplicaciones, los medios de actuación externos se utilizan adicionalmente para un transporte dirigido de los medios. Algunos ejemplos son los accionamientos giratorios que aplican fuerzas centrífugas para el transporte de fluido sobre las virutas pasivas. La microfluídica activa se refiere a la manipulación definida del fluido de trabajo mediante (micro) componentes activos como microbombas o microválvulas . Las microbombas suministran fluidos de forma continua o se utilizan para la dosificación. Las microválvulas determinan la dirección del flujo o el modo de movimiento de los líquidos bombeados. A menudo, los procesos que se llevan a cabo normalmente en un laboratorio se miniaturizan en un solo chip, lo que mejora la eficiencia y la movilidad y reduce los volúmenes de muestra y reactivo.

Comportamiento de los fluidos a microescala

Dispositivos de microfluidos de caucho y vidrio de silicona. Arriba: una fotografía de los dispositivos. Abajo: Micrografías de contraste de fase de un canal serpentino de ~ 15 μm de ancho.

El comportamiento de los fluidos a microescala puede diferir del comportamiento "macrofluídico" en que factores como la tensión superficial , la disipación de energía y la resistencia fluídica comienzan a dominar el sistema. La microfluídica estudia cómo cambian estos comportamientos y cómo se pueden solucionar o explotar para nuevos usos.

A escalas pequeñas (tamaño de canal de alrededor de 100 nanómetros a 500 micrómetros ) aparecen algunas propiedades interesantes y, a veces, poco intuitivas. En particular, el número de Reynolds (que compara el efecto del impulso de un fluido con el efecto de la viscosidad ) puede volverse muy bajo. Una consecuencia clave es que los fluidos que fluyen conjuntamente no se mezclan necesariamente en el sentido tradicional, ya que el flujo se vuelve laminar en lugar de turbulento ; El transporte molecular entre ellos a menudo debe ser por difusión .

También se puede garantizar una alta especificidad de las propiedades químicas y físicas (concentración, pH, temperatura, fuerza de corte, etc.), lo que da como resultado condiciones de reacción más uniformes y productos de mayor calidad en reacciones de una o varias etapas.

Varios tipos de flujos de microfluidos.

Los flujos de microfluidos solo necesitan estar restringidos por una escala de longitud geométrica; las modalidades y métodos utilizados para lograr tal restricción geométrica dependen en gran medida de la aplicación objetivo. Tradicionalmente, los flujos de microfluidos se han generado dentro de canales cerrados con una sección transversal del canal del orden de 10 μm x 10 μm. Cada uno de estos métodos tiene sus propias técnicas asociadas para mantener un flujo de fluido robusto que ha madurado durante varios años.

Microfluidos abiertos

El comportamiento de los fluidos y su control en microcanales abiertos fue pionero alrededor de 2005 y se aplicó en la recolección de muestras aire-líquido y cromatografía. En microfluidos abiertos , se elimina al menos un límite del sistema, exponiendo el fluido al aire u otra interfaz (es decir, líquido). Las ventajas de los microfluidos abiertos incluyen accesibilidad al líquido que fluye para la intervención, mayor área de superficie líquido-gas y formación de burbujas minimizada. Otra ventaja de los microfluídicos abiertos es la capacidad de integrar sistemas abiertos con flujo de fluido impulsado por tensión superficial, lo que elimina la necesidad de métodos de bombeo externos como bombas peristálticas o de jeringa. Los dispositivos microfluídicos abiertos también son fáciles y económicos de fabricar mediante fresado, termoformado y estampado en caliente. Además, los microfluidos abiertos eliminan la necesidad de pegar o unir una cubierta para dispositivos, lo que podría ser perjudicial para los flujos capilares. Ejemplos de microfluidos abiertos incluyen microfluidos de canal abierto, microfluidos basados ​​en rieles, microfluidos basados ​​en papel y basados ​​en hilos. Las desventajas de los sistemas abiertos incluyen la susceptibilidad a la evaporación, la contaminación y el caudal limitado.

Microfluídicos de flujo continuo

Los microfluídicos de flujo continuo se basan en el control de un flujo de líquido en estado estacionario a través de canales estrechos o medios porosos predominantemente al acelerar o dificultar el flujo de líquido en los elementos capilares. En microfluidos basados ​​en papel, los elementos capilares se pueden lograr mediante la simple variación de la geometría de la sección. En general, la activación del flujo de líquido se realiza mediante fuentes de presión externas, bombas mecánicas externas , microbombas mecánicas integradas o mediante combinaciones de fuerzas capilares y mecanismos electrocinéticos . La operación de microfluidos de flujo continuo es el enfoque principal porque es fácil de implementar y menos sensible a los problemas de ensuciamiento de proteínas. Los dispositivos de flujo continuo son adecuados para muchas aplicaciones bioquímicas simples y bien definidas, y para ciertas tareas como la separación química, pero son menos adecuados para tareas que requieren un alto grado de flexibilidad o manipulación de fluidos. Estos sistemas de canal cerrado son intrínsecamente difíciles de integrar y escalar porque los parámetros que gobiernan el campo de flujo varían a lo largo de la trayectoria del flujo, lo que hace que el flujo de fluido en cualquier lugar dependa de las propiedades de todo el sistema. Las microestructuras grabadas permanentemente también conducen a una reconfigurabilidad limitada y una capacidad de tolerancia a fallas deficiente. En los últimos años se han propuesto enfoques de automatización de diseño asistido por computadora para microfluidos de flujo continuo para aliviar el esfuerzo de diseño y resolver los problemas de escalabilidad.

sensor de micro fluido

Las capacidades de monitoreo de procesos en sistemas de flujo continuo se pueden lograr con sensores de flujo de microfluidos altamente sensibles basados ​​en la tecnología MEMS , que ofrece resoluciones hasta el rango de nanolitros.

Microfluídicos a base de gotitas

Vídeo de alta velocidad de fotogramas que muestra la formación de pellizcos de microburbujas en un dispositivo de microfluidos de enfoque de flujo

Los microfluidos a base de gotitas son una subcategoría de los microfluidos en contraste con los microfluidos continuos; Los microfluidos basados ​​en gotas manipulan volúmenes discretos de fluidos en fases inmiscibles con bajo número de Reynolds y regímenes de flujo laminar. El interés en los sistemas de microfluidos basados ​​en gotas ha aumentado sustancialmente en las últimas décadas. Las microgotas permiten manipular volúmenes en miniatura (μl a fl) de fluidos de manera conveniente, proporcionan una mejor mezcla, encapsulación, clasificación y detección, y se adaptan a experimentos de alto rendimiento. Aprovechar los beneficios de los microfluídicos basados ​​en gotas de manera eficiente requiere un conocimiento profundo de la generación de gotas para realizar varias operaciones lógicas, como el movimiento de las gotas, la clasificación de las gotas, la fusión de las gotas y la ruptura de las gotas.

Microfluidos digitales

Las alternativas a los sistemas de flujo continuo de canal cerrado anteriores incluyen nuevas estructuras abiertas, en las que se manipulan gotitas discretas, controlables de forma independiente, sobre un sustrato usando electrohumectación . Siguiendo la analogía de la microelectrónica digital, este enfoque se conoce como microfluídica digital . Le Pesant y col. fue pionero en el uso de fuerzas electrocapilares para mover gotas en una pista digital. El "transistor fluido" iniciado por Cytonix también jugó un papel. Posteriormente, la tecnología fue comercializada por la Universidad de Duke. Mediante el uso de gotitas de volumen unitario discreto, una función microfluídica se puede reducir a un conjunto de operaciones básicas repetidas, es decir, mover una unidad de fluido sobre una unidad de distancia. Este método de "digitalización" facilita el uso de un enfoque jerárquico y basado en células para el diseño de biochips de microfluidos. Por lo tanto, la microfluídica digital ofrece una arquitectura de sistema flexible y escalable, así como una alta capacidad de tolerancia a fallas . Además, debido a que cada gota se puede controlar de forma independiente, estos sistemas también tienen reconfigurabilidad dinámica, por lo que los grupos de células unitarias en una matriz de microfluidos se pueden reconfigurar para cambiar su funcionalidad durante la ejecución simultánea de un conjunto de bioensayos. Aunque las gotitas se manipulan en canales de microfluidos confinados, dado que el control de las gotitas no es independiente, no debe confundirse con "microfluidos digitales". Un método de actuación común para la microfluídica digital es la electrohumectación no dieléctrica ( EWOD ). Se han demostrado muchas aplicaciones de laboratorio en un chip dentro del paradigma de la microfluídica digital mediante la electrohumectación. Sin embargo, recientemente también se han demostrado otras técnicas para la manipulación de gotitas utilizando fuerza magnética, ondas acústicas de superficie , optoelectrowetting , actuación mecánica, etc.

Microfluídicos a base de papel

Los dispositivos de microfluidos basados ​​en papel llenan un nicho cada vez mayor para los sistemas de diagnóstico médico portátiles, baratos y fáciles de usar. Los microfluídicos basados ​​en papel se basan en el fenómeno de la penetración capilar en medios porosos. Para ajustar la penetración de fluidos en sustratos porosos como el papel en dos y tres dimensiones, la estructura de los poros, la humectabilidad y la geometría de los dispositivos de microfluidos se pueden controlar mientras que la viscosidad y la velocidad de evaporación del líquido juegan un papel importante adicional. Muchos de estos dispositivos cuentan con barreras hidrófobas sobre papel hidrófilo que transportan pasivamente soluciones acuosas a salidas donde tienen lugar las reacciones biológicas. Las aplicaciones actuales incluyen detección de glucosa portátil y pruebas ambientales, con la esperanza de llegar a áreas que carecen de herramientas de diagnóstico médico avanzadas.

Microfluidos de detección de partículas

Un área de aplicación que ha experimentado un esfuerzo académico significativo y cierto esfuerzo comercial es el área de detección de partículas en fluidos. La detección de partículas de pequeñas partículas transportadas por fluidos de hasta aproximadamente 1 μm de diámetro se realiza típicamente utilizando un contador Coulter , en el que se generan señales eléctricas cuando un fluido de conducción débil, como el agua salina, pasa a través de un pequeño (~ 100 μm de diámetro). ) poro, de modo que se genera una señal eléctrica que es directamente proporcional a la relación entre el volumen de partículas y el volumen de poros. La física detrás de esto es relativamente simple, descrita en un artículo clásico de DeBlois y Bean, y la implementación descrita por primera vez en la patente original de Coulter. Este es el método utilizado para, por ejemplo, dimensionar y contar eritrocitos (glóbulos rojos [wiki]) así como leucocitos ( glóbulos blancos ) para análisis de sangre estándar. El término genérico para este método es sensor de pulso resistivo (RPS); El recuento de Coulter es un término de marca registrada. Sin embargo, el método RPS no funciona bien para partículas por debajo de 1 μm de diámetro, ya que la relación señal-ruido cae por debajo del límite de detección confiable, establecido principalmente por el tamaño del poro por el que pasa el analito y el ruido de entrada del amplificador de primera etapa .

El límite del tamaño de los poros en los contadores RPS Coulter tradicionales se establece mediante el método utilizado para fabricar los poros, que aunque es un secreto comercial, lo más probable es que utilice métodos mecánicos tradicionales. Aquí es donde los microfluidos pueden tener un impacto: la producción de dispositivos microfluídicos basada en la litografía , o más probablemente la producción de moldes reutilizables para fabricar dispositivos microfluídicos mediante un proceso de moldeo , se limita a tamaños mucho más pequeños que el mecanizado tradicional . Las dimensiones críticas de hasta 1 μm se fabrican fácilmente y, con un poco más de esfuerzo y gasto, los tamaños de características por debajo de 100 nm también se pueden modelar de manera confiable. Esto permite la producción económica de poros integrados en un circuito microfluídico donde los diámetros de los poros pueden alcanzar tamaños del orden de 100 nm, con una reducción concomitante de los diámetros mínimos de partículas en varios órdenes de magnitud.

Como resultado, ha habido cierto desarrollo universitario del recuento y dimensionamiento de partículas microfluídicas con la comercialización de esta tecnología. Este método se ha denominado sensor de pulso resistivo microfluídico (MRPS).

Magnetoforesis asistida por microfluidos

Un área importante de aplicación de los dispositivos de microfluidos es la separación y clasificación de diferentes fluidos o tipos de células. Los desarrollos recientes en el campo de la microfluídica han visto la integración de dispositivos de microfluidos con magnetoforesis : la migración de partículas por un campo magnético . Esto se puede lograr enviando un fluido que contiene al menos un componente magnético a través de un canal de microfluidos que tiene un imán colocado a lo largo del canal. Esto crea un campo magnético dentro del canal de microfluidos que atrae sustancias magnéticamente activas hacia él, separando efectivamente los componentes magnéticos y no magnéticos del fluido. Esta técnica se puede utilizar fácilmente en entornos industriales donde el fluido en cuestión ya contiene material magnéticamente activo. Por ejemplo, un puñado de impurezas metálicas pueden llegar a ciertos líquidos consumibles, a saber, leche y otros productos lácteos. Convenientemente, en el caso de la leche, muchos de estos contaminantes metálicos exhiben paramagnetismo . Por lo tanto, antes del envasado, la leche puede fluir a través de canales con gradientes magnéticos como un medio para purificar los contaminantes metálicos.

Otras aplicaciones más orientadas a la investigación de la magnetoforesis asistida por microfluidos son numerosas y generalmente están dirigidas a la separación celular . La forma general en que esto se logra implica varios pasos. Primero, una sustancia paramagnética (generalmente micro / nanopartículas o un fluido paramagnético ) necesita funcionalizarse para apuntar al tipo de célula de interés. Esto se puede lograr identificando una proteína transmembranal única para el tipo de célula de interés y posteriormente funcionalizando partículas magnéticas con el antígeno o anticuerpo complementario . Una vez que las partículas magnéticas están funcionalizadas, se dispersan en una mezcla de células donde se unen solo a las células de interés. La mezcla resultante de células / partículas se puede hacer fluir a través de un dispositivo de microfluidos con un campo magnético para separar las células objetivo del resto.

Por el contrario, la magnetoforesis asistida por microfluidos se puede utilizar para facilitar la mezcla eficaz dentro de microgotas o tapones. Para lograr esto, se inyectan microgotas con nanopartículas paramagnéticas y se hacen fluir a través de un canal recto que pasa a través de campos magnéticos que se alternan rápidamente. Esto hace que las partículas magnéticas se empujen rápidamente de un lado a otro dentro de la gota y da como resultado la mezcla del contenido de la microgotita. Esto elimina la necesidad de tediosas consideraciones de ingeniería que son necesarias para la mezcla de gotas tradicional basada en canales. Otra investigación también ha demostrado que la separación de células sin etiquetas puede ser posible suspendiendo las células en un fluido paramagnético y aprovechando el efecto magneto-Arquímedes. Si bien esto elimina la complejidad de la funcionalización de partículas, se necesita más investigación para comprender completamente el fenómeno magneto-Arquímedes y cómo se puede utilizar para este fin. Esta no es una lista exhaustiva de las diversas aplicaciones de la magnetoforesis asistida por microfluidos; los ejemplos anteriores simplemente resaltan la versatilidad de esta técnica de separación en aplicaciones actuales y futuras.

Áreas de aplicación clave

Las estructuras microfluídicas incluyen sistemas microneumáticos, es decir, microsistemas para el manejo de fluidos fuera del chip (bombas de líquido, válvulas de gas, etc.) y estructuras microfluídicas para el manejo en el chip de volúmenes de nanolitros (nl) y picolitros (pl). Hasta la fecha, la aplicación comercial de microfluidos más exitosa es el cabezal de impresión de inyección de tinta . Además, los avances en la fabricación de microfluidos significan que los fabricantes pueden producir los dispositivos en plásticos de bajo costo y verificar automáticamente la calidad de las piezas.

Los avances en la tecnología de microfluidos están revolucionando los procedimientos de biología molecular para el análisis enzimático (p. Ej., Ensayos de glucosa y lactato ), análisis de ADN (p. Ej., Reacción en cadena de la polimerasa y secuenciación de alto rendimiento ), proteómica y síntesis química. La idea básica de los biochips de microfluidos es integrar las operaciones de ensayo , como la detección, así como el pretratamiento y la preparación de muestras en un solo chip.

Un área de aplicación emergente para los biochips es la patología clínica , especialmente el diagnóstico inmediato de enfermedades en el punto de atención . Además, los dispositivos basados ​​en microfluidos, capaces de realizar muestreos continuos y análisis en tiempo real de muestras de aire / agua para detectar toxinas bioquímicas y otros patógenos peligrosos , pueden servir como una "alarma de humo biológico" siempre activa para una alerta temprana.

La tecnología de microfluidos ha llevado a la creación de poderosas herramientas para que los biólogos controlen el entorno celular completo, lo que ha llevado a nuevas preguntas y descubrimientos. A continuación se enumeran muchas ventajas diversas de esta tecnología para la microbiología:

  • Estudios generales unicelulares, incluido el crecimiento.
  • Envejecimiento celular: los dispositivos de microfluidos como la "máquina madre" permiten el seguimiento de miles de células individuales durante muchas generaciones hasta que mueren.
  • Control microambiental: desde un entorno mecánico hasta un entorno químico.
  • Gradientes de concentración espacio-temporal precisos mediante la incorporación de múltiples insumos químicos en un solo dispositivo
  • Mediciones de fuerza de células adherentes o cromosomas confinados: los objetos atrapados en un dispositivo de microfluidos se pueden manipular directamente con pinzas ópticas u otros métodos de generación de fuerza.
  • Confinar las células y ejercer fuerzas controladas mediante el acoplamiento con métodos externos de generación de fuerza, como el flujo de Stokes , la pinza óptica o la deformación controlada del dispositivo PDMS ( polidimetilsiloxano ).
  • Integración de campo eléctrico
  • Plantar en un chip y cultivo de tejidos vegetales
  • Resistencia a los antibióticos: los dispositivos de microfluidos se pueden utilizar como entornos heterogéneos para microorganismos. En un entorno heterogéneo, es más fácil que un microorganismo evolucione. Esto puede ser útil para probar la aceleración de la evolución de un microorganismo / para probar el desarrollo de resistencia a los antibióticos.

Algunas de estas áreas se desarrollan con más detalle en las secciones siguientes:

Chips de ADN (microarrays)

Los primeros biochips se basaban en la idea de una micromatriz de ADN , por ejemplo, la matriz de ADN GeneChip de Affymetrix , que es una pieza de vidrio, plástico o sustrato de silicio, sobre la que se fijan piezas de ADN (sondas) en una matriz microscópica. Similar a una micromatriz de ADN , una matriz de proteínas es una matriz en miniatura donde una multitud de diferentes agentes de captura, con mayor frecuencia anticuerpos monoclonales , se depositan en la superficie de un chip; se utilizan para determinar la presencia y / o cantidad de proteínas en muestras biológicas, por ejemplo, sangre . Un inconveniente de las matrices de ADN y proteínas es que no son reconfigurables ni escalables después de la fabricación. La microfluídica digital se ha descrito como un medio para realizar PCR digital .

Biología Molecular

Además de los microarrays, se han diseñado biochips para electroforesis bidimensional , análisis de transcriptomas y amplificación por PCR . Otras aplicaciones incluyen diversas aplicaciones de electroforesis y cromatografía líquida para proteínas y ADN , separación de células, en particular, separación de células sanguíneas, análisis de proteínas, manipulación y análisis de células, incluido el análisis de viabilidad celular y captura de microorganismos .

Biología evolucionaria

Al combinar microfluidos con ecología del paisaje y nanofluidos , se puede construir un paisaje fluídico nano / micro fabricado mediante la construcción de parches locales de hábitat bacteriano y conectándolos mediante corredores de dispersión. Los paisajes resultantes se pueden utilizar como implementaciones físicas de un paisaje adaptativo , al generar un mosaico espacial de parches de oportunidad distribuidos en el espacio y el tiempo. La naturaleza irregular de estos paisajes fluídicos permite el estudio de la adaptación de células bacterianas en un sistema de metapoblación . La ecología evolutiva de estos sistemas bacterianos en estos ecosistemas sintéticos permite utilizar la biofísica para abordar cuestiones de biología evolutiva .

Comportamiento celular

La capacidad de crear gradientes de quimioatrayentes precisos y cuidadosamente controlados hace que los microfluidos sean la herramienta ideal para estudiar la motilidad, la quimiotaxis y la capacidad de evolucionar / desarrollar resistencia a los antibióticos en pequeñas poblaciones de microorganismos y en un corto período de tiempo. Estos microorganismos incluyen bacterias y la amplia gama de organismos que forman el circuito microbiano marino , responsable de regular gran parte de la biogeoquímica de los océanos.

La microfluídica también ha ayudado en gran medida al estudio de la durotaxis al facilitar la creación de gradientes durotácticos (rigidez).

Biofísica celular

Al rectificar el movimiento de las bacterias nadadoras individuales, las estructuras de microfluidos se pueden utilizar para extraer el movimiento mecánico de una población de células bacterianas móviles. De esta manera, se pueden construir rotores alimentados por bacterias.

Óptica

La fusión de microfluídica y óptica se conoce típicamente como optofluídica . Ejemplos de dispositivos optofluídicos son matrices de microlentes sintonizables y microscopios optofluídicos.

El flujo de microfluidos permite un procesamiento rápido de muestras, imágenes automatizadas de grandes poblaciones de muestras, así como capacidades 3D. o superresolución.

Cromatografía líquida de alta resolución (HPLC)

La HPLC en el campo de la microfluídica se presenta en dos formas diferentes. Los primeros diseños incluían hacer pasar líquido a través de la columna de HPLC y luego transferir el líquido eluido a chips de microfluidos y unir columnas de HPLC al chip de microfluidos directamente. Los primeros métodos tenían la ventaja de una detección más fácil de ciertas máquinas como las que miden la fluorescencia. Los diseños más recientes tienen columnas de HPLC completamente integradas en chips de microfluidos. La principal ventaja de integrar columnas de HPLC en dispositivos de microfluidos es el factor de forma más pequeño que se puede lograr, lo que permite combinar características adicionales dentro de un chip de microfluidos. Los chips integrados también se pueden fabricar a partir de múltiples materiales diferentes, incluidos vidrio y poliimida, que son bastante diferentes del material estándar de PDMS utilizado en muchos dispositivos de microfluidos basados ​​en gotas diferentes. Esta es una característica importante porque las diferentes aplicaciones de chips microfluídicos de HPLC pueden requerir diferentes presiones. El PDMS falla en comparación con los usos de alta presión en comparación con el vidrio y la poliimida. La alta versatilidad de la integración de HPLC garantiza la robustez al evitar conexiones y accesorios entre la columna y el chip. La capacidad de construir a partir de dichos diseños en el futuro permite que el campo de la microfluídica continúe expandiendo sus aplicaciones potenciales.

Las aplicaciones potenciales que rodean a las columnas HPLC integradas dentro de los dispositivos de microfluidos han demostrado ser expansivas durante los últimos 10 a 15 años. La integración de tales columnas permite realizar experimentos donde los materiales tenían poca disponibilidad o eran muy costosos, como en el análisis biológico de proteínas. Esta reducción en los volúmenes de reactivos permite nuevos experimentos como el análisis de proteínas unicelulares, que debido a las limitaciones de tamaño de los dispositivos anteriores, anteriormente presentaba gran dificultad. El acoplamiento de dispositivos de chip de HPLC con otros métodos de espectrometría como la espectrometría de masas permite una mayor confianza en la identificación de las especies deseadas, como las proteínas. También se han creado chips de microfluidos con líneas de retardo internas que permiten la generación de gradientes para mejorar aún más la HPLC, lo que puede reducir la necesidad de más separaciones. Algunas otras aplicaciones prácticas de los chips HPLC integrados incluyen la determinación de la presencia del fármaco en una persona a través de su cabello y el etiquetado de péptidos mediante cromatografía líquida de fase inversa.

Expulsión de gotas acústicas (ADE)

La expulsión de gotas acústicas utiliza un pulso de ultrasonido para mover pequeños volúmenes de fluidos (normalmente nanolitros o picolitros) sin ningún contacto físico. Esta tecnología concentra la energía acústica en una muestra de fluido para expulsar gotas tan pequeñas como una millonésima de millonésima de litro (picolitro = 10-12 litros). La tecnología ADE es un proceso muy suave y se puede utilizar para transferir proteínas, ADN de alto peso molecular y células vivas sin daño ni pérdida de viabilidad. Esta característica hace que la tecnología sea adecuada para una amplia variedad de aplicaciones, incluida la proteómica y los ensayos basados ​​en células.

Celdas de combustible

Las celdas de combustible de microfluidos pueden usar flujo laminar para separar el combustible y su oxidante para controlar la interacción de los dos fluidos sin la barrera física que requieren las celdas de combustible convencionales.

Astrobiología

Para comprender las posibilidades de que exista vida en otras partes del universo, los astrobiólogos están interesados ​​en medir la composición química de los cuerpos extraplanetarios. Debido a su pequeño tamaño y su amplia funcionalidad, los dispositivos de microfluidos son especialmente adecuados para estos análisis de muestras remotos. A partir de una muestra extraterrestre, el contenido orgánico se puede evaluar mediante electroforesis capilar de microchip y tintes fluorescentes selectivos. Estos dispositivos son capaces de detectar aminoácidos , péptidos , ácidos grasos y aldehídos , cetonas y tioles simples . Estos análisis combinados podrían permitir una detección poderosa de los componentes clave de la vida y, con suerte, informar nuestra búsqueda de vida extraterrestre funcional.

Direcciones futuras

Microfluídicos para el tratamiento personalizado del cáncer

El tratamiento personalizado del cáncer es un método ajustado que se basa en el diagnóstico y los antecedentes del paciente. La tecnología de microfluidos ofrece una detección sensible con un mayor rendimiento, así como tiempos y costos reducidos. Para el tratamiento personalizado del cáncer, la composición del tumor y la sensibilidad a los medicamentos son muy importantes.

La respuesta al fármaco de un paciente se puede predecir en función del estado de los biomarcadores , o se puede predecir la gravedad y la progresión de la enfermedad en función de la presencia atípica de células específicas. Gota - qPCR es una tecnología de microfluidos de gotas en la que las gotas se transportan en un capilar reutilizable y fluyen alternativamente a través de dos áreas mantenidas a diferentes temperaturas constantes y detección de fluorescencia. Puede ser eficiente con un riesgo de contaminación bajo para detectar Her2 . Se puede utilizar un método de PCR digital basado en gotas para detectar las mutaciones de KRAS con sondas TaqMan , para mejorar la detección de la proporción de genes mutantes. Además, la predicción precisa de la progresión de la enfermedad posoperatoria en pacientes con cáncer de mama  o de próstata es esencial para determinar el tratamiento posquirúrgico. Una cámara de microfluidos simple, recubierta con una mezcla de matriz extracelular cuidadosamente formulada. se utiliza para células obtenidas de una biopsia tumoral después de 72 horas de crecimiento y una evaluación completa de las células mediante imágenes.

Los microfluidos también son adecuados para el análisis de biopsias líquidas de células tumorales circulantes (CTC) y no CTC . Las perlas se conjugan con anticuerpos anti- molécula de adhesión de células epiteliales (EpCAM) para la selección positiva en el chip de aislamiento de CTC (iCHIP) . Las CTC también se pueden detectar utilizando la acidificación del microambiente del tumor y la diferencia en la capacitancia de la membrana. Las CTC se aíslan de la sangre mediante un dispositivo de microfluidos y se cultivan en un chip , lo que puede ser un método para capturar más información biológica en un solo análisis. Por ejemplo, se puede utilizar para probar la tasa de supervivencia celular de 40 fármacos o combinaciones de fármacos diferentes. Las vesículas extracelulares derivadas del tumor pueden aislarse de la orina y detectarse mediante un dispositivo microfluídico de doble filtración integrado; también pueden aislarse de la sangre y detectarse mediante un método de detección electroquímica con un ensayo enzimático de amplificación de dos niveles .

Los materiales tumorales se pueden usar directamente para la detección a través de dispositivos de microfluidos. Para detectar medicamentos en las células primarias , a menudo es necesario distinguir las células cancerosas de las no cancerosas. Un chip de microfluidos basado en la capacidad de las células para pasar pequeñas constricciones puede clasificar los tipos de células, metástasis . Los dispositivos de microfluidos basados ​​en gotas tienen el potencial de detectar diferentes fármacos o combinaciones de fármacos, directamente en la muestra del tumor primario con alta precisión. Para mejorar esta estrategia, el programa de microfluidos con una forma secuencial de cócteles de fármacos, junto con códigos de barras fluorescentes, es más eficiente. Otra estrategia avanzada es detectar las tasas de crecimiento de las células individuales mediante el uso de resonadores de microcanales suspendidos, que pueden predecir la sensibilidad a los fármacos de las CTC raras .

Los dispositivos de microfluidos también pueden simular el microambiente del tumor para ayudar a probar los medicamentos contra el cáncer. Los dispositivos de microfluidos con cultivos celulares 2D o 3D se pueden utilizar para analizar esferoides para diferentes sistemas de cáncer (como el cáncer de pulmón y el cáncer de ovario ) y son esenciales para múltiples medicamentos contra el cáncer y pruebas de toxicidad. Esta estrategia se puede mejorar aumentando el rendimiento y la producción de esferoides. Por ejemplo, un dispositivo de microfluidos basado en gotas para cultivo celular en 3D produce 500 esferoides por chip. Estos esferoides se pueden cultivar durante más tiempo en diferentes entornos para analizarlos y monitorearlos. La otra tecnología avanzada son los órganos en un chip , y se puede utilizar para simular varios órganos para determinar el metabolismo y la actividad del fármaco basándose en la imitación de los vasos , así como para imitar el pH , el oxígeno ... para analizar la relación entre los fármacos y alrededores de órganos humanos.

Una estrategia reciente es la inmunoprecipitación de cromatina unicelular (ChiP): secuenciación en gotitas , que funciona combinando la secuenciación de ARN unicelular basada en gotitas con anticuerpos con códigos de barras de ADN , posiblemente para explorar la heterogeneidad tumoral por el genotipo y fenotipo para seleccionar el anti personalizado -medicamentos contra el cáncer y prevenir la recaída del cáncer.

En general, las técnicas de microfluidos tienen un gran potencial para el tratamiento personalizado del cáncer y aportan nuevos métodos para futuras terapias contra el cáncer. Sin embargo, sigue habiendo desafíos para integrar estos métodos con el tratamiento clínico, en función de la cantidad de información genética o de biomarcadores , equipos poco fiables o la dificultad de interactuar con las operaciones clínicas.

Ensayos de fármacos microfluídicos:

Caracterización en chip:

Microfluídica en el aula: valoraciones ácido-base en chip

Detección de sepsis en minutos, no en días.

Desbloqueo de imágenes de múltiples ángulos para dispositivos de microfluidos

Ver también

Referencias

Otras lecturas

Revisar artículos

Libros

Educación