Microfluidos

Microfluídica se refiere al comportamiento, control preciso y manipulación de fluidos que están restringidos geométricamente a una escala pequeña (normalmente 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 pequeños volúmenes de fluidos para lograr multiplexación, automatización y detección de alto rendimiento. La microfluídica surgió a principios de la década de 1980 y se utiliza 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)
• Tamaño pequeño
• Bajo consumo de energía
• Efectos del microdominio

Por lo general, los sistemas de microfluidos transportan, mezclan, separan o procesan fluidos. 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 accionamiento externos se utilizan adicionalmente para un transporte dirigido de los medios. Algunos ejemplos son los accionamientos rotativos que aplican fuerzas centrífugas para el transporte de fluidos en los chips pasivos. La microfluídica activa se refiere a la manipulación definida del fluido de trabajo por (micro) componentes activos como microbombas o microválvulas. Las microbombas suministran fluidos de forma continua o se utilizan para dosificación. Las microválvulas determinan la dirección del flujo o el modo de movimiento de los líquidos bombeados. A menudo, los procesos que normalmente se llevan a cabo en un laboratorio se miniaturizan en un solo chip, lo que mejora la eficiencia y la movilidad, y reduce los volúmenes de muestras y reactivos.

Comportamiento a microescala de fluidos

Dispositivos microfluídicos de goma de silicona y vidrio. Arriba: una fotografía de los dispositivos. Tema: Micrografos de contraste de fase de un canal serpentino ~15 μm de ancho.

El comportamiento de los fluidos a microescala puede diferir del "macrofluídico" comportamiento en el que factores como la tensión superficial, la disipación de energía y la resistencia fluídica empiezan 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 de la cantidad de movimiento de un fluido con el efecto de la viscosidad) puede volverse muy bajo. Una consecuencia clave es que los fluidos que fluyen conjuntamente no necesariamente se mezclan en el sentido tradicional, ya que el flujo se vuelve laminar en lugar de turbulento; el transporte molecular entre ellos debe ser a menudo a través de la 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 uno o varios pasos.

Varios tipos de flujos de microfluidos

Los flujos de microfluidos solo necesitan estar restringidos por una escala de longitud geométrica: las modalidades y los métodos utilizados para lograr dicha restricción geométrica dependen en gran medida de la aplicación de destino. 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.

Microfluídica abierta

El comportamiento de los fluidos y su control en microcanales abiertos fue pionero alrededor de 2005 y se aplicó en cromatografía y recolección de muestras de aire a líquido. En la microfluídica abierta, se elimina al menos un límite del sistema, exponiendo el fluido al aire u otra interfaz (es decir, líquido). Las ventajas de la microfluídica abierta incluyen la accesibilidad al líquido que fluye para la intervención, un área de superficie de líquido-gas más grande y una formación de burbujas minimizada. Otra ventaja de la microfluídica abierta es la capacidad de integrar sistemas abiertos con flujo de fluido impulsado por tensión superficial, lo que elimina la necesidad de métodos de bombeo externo, 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, la microfluídica abierta elimina la necesidad de pegar o adherir una cubierta para los dispositivos, lo que podría ser perjudicial para los flujos capilares. Los 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.

Microfluídica de flujo continuo

La microfluídica de flujo continuo se basa en el control de un flujo de líquido en estado estable a través de canales estrechos o medios porosos, principalmente al acelerar o dificultar el flujo de fluido en los elementos capilares. En la microfluídica basada en papel, los elementos capilares se pueden lograr mediante la simple variación de la geometría de la sección. En general, la actuación del flujo de líquido se implementa 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 inherentemente 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 ubicación dependa de las propiedades de todo el sistema. Las microestructuras grabadas permanentemente también conducen a una capacidad de reconfiguración limitada y una pobre capacidad de tolerancia a fallas. En los últimos años se han propuesto enfoques de automatización de diseño asistidos por computadora para microfluidos de flujo continuo para aliviar el esfuerzo de diseño y resolver los problemas de escalabilidad.

sensor de microfluido

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

Microfluídica basada en gotas

La microfluídica basada en gotas es una subcategoría de la microfluídica en contraste con la microfluídica continua; la microfluídica basada en gotitas manipula 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 crecido sustancialmente en las últimas décadas. Las microgotas permiten manejar volúmenes en miniatura (μl a fl) de fluidos de manera conveniente, brindan una mejor mezcla, encapsulación, clasificación y detección, y se adaptan a experimentos de alto rendimiento. Explotar los beneficios de la microfluídica basada en gotas de manera eficiente requiere una comprensión profunda de la generación de gotas para realizar varias operaciones lógicas, como la manipulación de gotas, la clasificación de gotas, la fusión de gotas y la ruptura de gotas.

Microfluídica digital

Las alternativas a los sistemas de flujo continuo de canal cerrado anteriores incluyen estructuras abiertas novedosas, donde gotitas discretas y controlables de forma independiente se manipulan sobre un sustrato mediante electrohumectación. Siguiendo la analogía de la microelectrónica digital, este enfoque se denomina microfluídica digital. Le Pesant et al. fue pionero en el uso de fuerzas electrocapilares para mover gotas en una pista digital. El "transistor de fluido" iniciado por Cytonix también jugó un papel. Posteriormente, la tecnología fue comercializada por la Universidad de Duke. Mediante el uso de gotas discretas de volumen unitario, una función microfluídica se puede reducir a un conjunto de operaciones básicas repetidas, es decir, mover una unidad de fluido a lo largo de una unidad de distancia. Esta "digitalización" El método facilita el uso de un enfoque jerárquico y basado en células para el diseño de biochips microfluídicos. 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 gotas se manipulan en canales de microfluidos confinados, dado que el control de las gotas no es independiente, no debe confundirse con "microfluidos digitales". Un método de actuación común para la microfluídica digital es la electrohumectación sobre dieléctrico (EWOD). Se han demostrado muchas aplicaciones de laboratorio en un chip dentro del paradigma de microfluidos digitales utilizando electrohumectación. Sin embargo, recientemente también se han demostrado otras técnicas para la manipulación de gotas utilizando fuerza magnética, ondas acústicas superficiales, optoelectrohumectación, actuación mecánica, etc.

Microfluídica basada en papel

Los dispositivos de microfluidos basados en papel llenan un nicho creciente de sistemas de diagnóstico médico portátiles, económicos y fáciles de usar. La microfluídica basada en papel se basa 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 tasa de evaporación del líquido juegan un papel más importante. Muchos de estos dispositivos cuentan con barreras hidrofóbicas en papel hidrofílico que transportan pasivamente soluciones acuosas a puntos de venta donde tienen lugar reacciones biológicas. Los microfluidos basados en papel se consideran biosensores portátiles de punto de atención que se utilizan en un entorno remoto donde las herramientas de diagnóstico médico avanzadas no son accesibles. 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.

Microfluídica de detección de partículas

Un área de aplicación que ha experimentado un esfuerzo académico significativo y algo de esfuerzo comercial es el área de detección de partículas en fluidos. La detección de partículas pequeñas transportadas por fluidos de hasta aproximadamente 1 μm de diámetro generalmente se realiza utilizando un contador Coulter, en el que se generan señales eléctricas cuando un fluido débilmente conductor, 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 la partícula y el volumen del poro. 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, p. medir y contar los eritrocitos (glóbulos rojos [wiki]), así como los leucocitos (glóbulos blancos) para análisis de sangre estándar. El término genérico para este método es detección de pulso resistivo (RPS); El conteo de Coulter es un término de marca registrada. Sin embargo, el método RPS no funciona bien para partículas de menos de 1 μm de diámetro, ya que la relación señal/ruido cae por debajo del límite detectable de forma fiable, 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 en el tamaño de los poros en los contadores RPS Coulter tradicionales está establecido por el método utilizado para hacer los poros, que si bien es un secreto comercial, muy probablemente utiliza métodos mecánicos tradicionales. Aquí es donde la microfluídica puede tener un impacto: la producción basada en litografía de dispositivos microfluídicos, 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 en los diámetros mínimos de las partículas en varios órdenes de magnitud.

Como resultado, ha habido cierto desarrollo universitario del conteo y el dimensionamiento de partículas microfluídicas con la consiguiente comercialización de esta tecnología. Este método se ha denominado detección 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 microfluídicos 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 microfluídico 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 disponible ya contiene material magnéticamente activo. Por ejemplo, un puñado de impurezas metálicas pueden llegar a ciertos líquidos consumibles, como la 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 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) debe funcionalizarse para dirigirse al tipo de célula de interés. Esto se puede lograr mediante la identificación de una proteína transmembranal única para el tipo de célula de interés y, posteriormente, la funcionalización de las partículas magnéticas con el antígeno o anticuerpo complementario. Una vez que las partículas magnéticas se funcionalizan, se dispersan en una mezcla celular donde se unen solo a las células de interés. La mezcla de células/partículas resultante 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 eficiente 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 sean empujadas rápidamente de un lado a otro dentro de la gota y da como resultado la mezcla del contenido de las microgotas. 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 más exitosa de la microfluídica 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 (por ejemplo, ensayos de glucosa y lactato), análisis de ADN (por ejemplo, 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 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 en busca de toxinas bioquímicas y otros patógenos peligrosos, pueden servir como una "alarma de biohumo" siempre activa. para la 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 lleva a nuevas preguntas y descubrimientos. Muchas ventajas diversas de esta tecnología para la microbiología se enumeran a continuación:

• Estudios generales de células individuales, incluido el crecimiento
• Envejecimiento celular: dispositivos microfluídicos como la "máquina madre" permiten el seguimiento de miles de células individuales durante muchas generaciones hasta que mueren
• Control microambiental: desde el entorno mecánico hasta el entorno químico
• Gradientes de concentración espatiotemporal precisos incorporando múltiples insumos químicos a un solo dispositivo
• Mediciones de fuerza de células adherentes o cromosomas confinados: objetos atrapados en un dispositivo microfluídico pueden ser manipulados directamente usando pinzas ópticas u otros métodos generadores de fuerza
• Confinar células y ejercer fuerzas controladas mediante el acoplamiento con métodos externos de generación de fuerza, como el flujo de Stokes, el tweezer óptico o la deformación controlada del dispositivo PDMS (Polydimethylsiloxane)
• Integración del campo eléctrico
• Planta en un chip y cultivo de tejido vegetal
• Resistencia antibiótica: los dispositivos microfluídicos se pueden utilizar como entornos heterogéneos para microorganismos. En un ambiente heterogéneo, es más fácil evolucionar un microorganismo. Esto puede ser útil para probar la aceleración de la evolución de un microorganismo / para probar el desarrollo de la resistencia a los antibióticos.

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

Chips de ADN (micromatrices)

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 sustrato de vidrio, plástico o silicio, en la que se fijan piezas de ADN (sondas) en una matriz microscópica. De manera similar a una micromatriz de ADN, una matriz de proteínas es una matriz en miniatura en la que se depositan una multitud de diferentes agentes de captura, con mayor frecuencia anticuerpos monoclonales, 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 ni reconfigurables ni escalables después de la fabricación. La microfluídica digital se ha descrito como un medio para llevar a cabo la PCR digital.

Biología molecular

Además de micromatrices, 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 la captura de microorganismos.

Biología evolutiva

Al combinar la microfluídica con la ecología del paisaje y la nanofluídica, se puede construir un paisaje fluídico nano/microfabricado construyendo parches locales de hábitat bacteriano y conectándolos mediante corredores de dispersión. Los paisajes resultantes se pueden utilizar como implementaciones físicas de un paisaje adaptativo, generando 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 la microfluídica sea 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, incluidas las bacterias y la amplia gama de organismos que forman el ciclo microbiano marino, responsable de regular gran parte de los océanos, & # 39; biogeoquímica.

La microfluídica también ha sido de gran ayuda en el 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 microfluídicas se pueden usar 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 la microfluídica y la óptica se conoce normalmente 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 pasar líquido a través de la columna de HPLC y luego transferir el líquido eluido a chips de microfluidos y unir las 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 totalmente integradas en chips de microfluidos. La principal ventaja de integrar columnas de HPLC en dispositivos microfluídicos es el factor de forma más pequeño que se puede lograr, lo que permite combinar características adicionales dentro de un chip microfluídico. Los chips integrados también se pueden fabricar a partir de múltiples materiales diferentes, incluidos el vidrio y la poliimida, que son bastante diferentes del material estándar de PDMS utilizado en muchos dispositivos microfluídicos basados en gotas. Esta es una característica importante porque las diferentes aplicaciones de los 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 integración de HPLC garantiza la robustez al evitar conexiones y ajustes entre la columna y el chip. La capacidad de desarrollar dichos diseños en el futuro permite que el campo de la microfluídica continúe expandiendo sus aplicaciones potenciales.

Las posibles aplicaciones que rodean las columnas de HPLC integradas dentro de los dispositivos de microfluidos han demostrado ser expansivas en los últimos 10 a 15 años. La integración de tales columnas permite realizar experimentos donde los materiales eran poco disponibles o 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 resultaba muy difícil. El acoplamiento de dispositivos de chip 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 de HPLC integrados incluyen la determinación de la presencia de fármacos en una persona a través del cabello y el marcaje de péptidos mediante cromatografía líquida de fase inversa.

Eyección acústica de gotas (ADE)

La eyección acústica de gotas utiliza un pulso de ultrasonido para mover pequeños volúmenes de fluidos (normalmente, nanolitros o picolitros) sin ningún contacto físico. Esta tecnología enfoca 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, incluidas la proteómica y los ensayos basados en células.

Pilas 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 amplia funcionalidad, los dispositivos de microfluidos son especialmente adecuados para estos análisis de muestras remotas. A partir de una muestra extraterrestre, el contenido orgánico se puede evaluar mediante electroforesis capilar con microchip y colorantes 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.

Ciencia de los Alimentos

Las técnicas de microfluidos, como microfluidos de gotas, microfluidos de papel y laboratorio en un chip, se utilizan en el ámbito de la ciencia de los alimentos en una variedad de categorías. La investigación en nutrición, procesamiento de alimentos y seguridad alimentaria se beneficia de la técnica de microfluidos porque los experimentos se pueden realizar con menos reactivos.

El procesamiento de alimentos requiere la capacidad de permitir la estabilidad de almacenamiento en los alimentos, como emulsiones o adiciones de conservantes. Se utilizan técnicas como la microfluídica de gotas para crear emulsiones que son más controladas y complejas que las creadas por la homogeneización tradicional debido a la precisión de las gotas que se puede lograr. El uso de microfluidos para emulsiones también es más eficiente energéticamente en comparación con la homogeneización en la que "solo el 5% de la energía suministrada se usa para generar la emulsión, y el resto se disipa como calor". Aunque estos métodos tienen beneficios, actualmente carecen de la capacidad de producción a gran escala necesaria para la comercialización. Los microfluidos también se utilizan en la investigación, ya que permiten la innovación en la química y el procesamiento de alimentos. Un ejemplo en la investigación de ingeniería de alimentos es un nuevo dispositivo microimpreso en 3D fabricado para investigar la producción de gotas para el uso potencial en la industria de procesamiento de alimentos, particularmente en el trabajo con emulsiones de mejora.

Los microfluidos de papel y gotas permiten dispositivos que pueden detectar pequeñas cantidades de bacterias o productos químicos no deseados, lo que los hace útiles en el análisis y la seguridad de los alimentos. Los dispositivos microfluídicos basados en papel a menudo se denominan dispositivos analíticos basados en papel microfluídicos (µPAD) y pueden detectar cosas como nitrato, conservantes o antibióticos en la carne mediante una reacción colorimétrica que se puede detectar con un teléfono inteligente. Estos métodos están siendo investigados porque utilizan menos reactivos, espacio y tiempo en comparación con las técnicas tradicionales como la cromatografía líquida. Los µPAD también hacen posibles las pruebas de detección en el hogar, lo que es de interés para las personas con alergias e intolerancias. Además de los métodos basados en papel, la investigación demuestra que los microfluidos basados en gotas son prometedores para reducir drásticamente el tiempo necesario para confirmar la contaminación bacteriana viable en aguas agrícolas en la industria alimentaria nacional e internacional.

Direcciones futuras

Microfluídica para el tratamiento oncológico personalizado

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

La respuesta al fármaco de un paciente se puede predecir en función del estado de los biomarcadores, o la gravedad y la progresión de la enfermedad se pueden predecir en función de la presencia atípica de células específicas. Drop-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 bajo riesgo de contaminación para detectar Her2. Se puede usar un método de PCR digital basado en gotitas 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 las células obtenidas de la biopsia del tumor después de 72 horas de crecimiento y una evaluación exhaustiva de las células mediante imágenes.

La microfluídica también es adecuada para el análisis de biopsia líquida 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 tumoral 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 el chip, lo que puede ser un método para capturar más información biológica en un solo análisis. Por ejemplo, se puede usar para probar la tasa de supervivencia celular de 40 medicamentos o combinaciones de medicamentos diferentes. Las vesículas extracelulares derivadas de tumores pueden aislarse de la orina y detectarse mediante un dispositivo integrado de microfluidos de doble filtración; 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 examinar las células primarias en busca de fármacos, a menudo es necesario distinguir las células cancerosas de las células no cancerosas. Un chip de microfluidos basado en la capacidad de las células para pasar pequeñas constricciones puede clasificar los tipos de células, las metástasis. Los dispositivos de microfluidos basados en gotitas 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 forma secuencial de cócteles de drogas, junto con códigos de barras fluorescentes, es más eficiente. Otra estrategia avanzada es detectar las tasas de crecimiento de una sola célula mediante el uso de resonadores de microcanales suspendidos, que pueden predecir la sensibilidad a los medicamentos de las CTC raras.

Los dispositivos de microfluidos también pueden simular el microambiente tumoral para ayudar a probar fármacos contra el cáncer. Los dispositivos de microfluidos con cultivos celulares 2D o 3D se pueden usar para analizar esferoides para diferentes sistemas de cáncer (como el cáncer de pulmón y el cáncer de ovario), y son esenciales para múltiples pruebas de toxicidad y medicamentos contra el cáncer. Esta estrategia se puede mejorar aumentando el rendimiento y la producción de esferoides. Por ejemplo, un dispositivo de microfluidos basado en gotas para el 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 es la de órganos en un chip, y se puede utilizar para simular varios órganos para determinar el metabolismo y la actividad de los fármacos en función de la imitación de vasos, así como del pH, el oxígeno... para analizar la relación entre los fármacos. y el entorno de los órganos humanos.

Una estrategia reciente es la secuenciación de inmunoprecipitación de cromatina (ChiP) de una sola célula en gotas, que funciona al combinar la secuenciación de ARN de una sola célula basada en gotas con anticuerpos con código de barras de ADN, posiblemente para explorar la heterogeneidad del tumor por genotipo y fenotipo para seleccionar los medicamentos anticancerígenos personalizados 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, quedan desafíos para integrar estos métodos con el tratamiento clínico, en función de la cantidad de información genética o de biomarcadores, equipos poco confiables o dificultad para 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 multiángulo para dispositivos de microfluidos