Un lab-on-a-chip ( LOC ) es un dispositivo que integra una o varias funciones de laboratorio en un único circuito integrado (comúnmente llamado "chip") de sólo milímetros a unos pocos centímetros cuadrados para lograr automatización y detección de alto rendimiento. . [1] Las LOC pueden manejar volúmenes de fluido extremadamente pequeños, de hasta menos de picolitros . Los dispositivos Lab-on-a-chip son un subconjunto de dispositivos de sistemas microelectromecánicos (MEMS) y, a veces, se denominan " sistemas de análisis micro total " (μTAS). Las LOC pueden utilizar microfluidos , la física, la manipulación y el estudio de cantidades diminutas de fluidos. Sin embargo, "laboratorio en un chip" estrictamente considerado indica generalmente el escalamiento de procesos de laboratorio únicos o múltiples hasta el formato de chip, mientras que "μTAS" se dedica a la integración de la secuencia total de procesos de laboratorio para realizar análisis químicos.
Después de la invención de la microtecnología (≈1954) para realizar estructuras semiconductoras integradas para chips microelectrónicos, estas tecnologías basadas en la litografía pronto se aplicaron también en la fabricación de sensores de presión (1966). Debido al mayor desarrollo de estos procesos, generalmente con compatibilidad limitada con CMOS , se dispuso de una caja de herramientas para crear estructuras mecánicas de tamaño micrométrico o submicrométrico también en obleas de silicio : había comenzado la era de los sistemas microelectromecánicos (MEMS).
Además de los sensores de presión, los sensores de airbag y otras estructuras mecánicamente móviles, se desarrollaron dispositivos de manipulación de fluidos. Algunos ejemplos son: canales (conexiones capilares), mezcladores, válvulas, bombas y dispositivos dosificadores. El primer sistema de análisis LOC fue un cromatógrafo de gases , desarrollado en 1979 por SC Terry en la Universidad de Stanford. [2] [3] Sin embargo, sólo a finales de los años 1980 y principios de los años 1990 la investigación sobre LOC comenzó a crecer seriamente cuando unos pocos grupos de investigación en Europa desarrollaron microbombas, sensores de flujo y conceptos para tratamientos integrados de fluidos para sistemas de análisis. [4] Estos conceptos µTAS demostraron que la integración de los pasos de pretratamiento, generalmente realizados a escala de laboratorio, podría extender la funcionalidad del sensor simple hacia un análisis de laboratorio completo, incluidos pasos adicionales de limpieza y separación.
A mediados de la década de 1990 se produjo un gran impulso en la investigación y el interés comercial, cuando las tecnologías µTAS resultaron proporcionar herramientas interesantes para aplicaciones genómicas , como la electroforesis capilar y los microarrays de ADN . Un gran impulso en el apoyo a la investigación también provino del ejército, especialmente de DARPA (Agencia de Proyectos de Investigación Avanzada de Defensa), por su interés en sistemas portátiles para ayudar en la detección de agentes de guerra biológica y química . El valor añadido no sólo se limitó a la integración de los procesos de laboratorio para el análisis, sino también a las posibilidades características de los componentes individuales y la aplicación a otros procesos de laboratorio ajenos al análisis. De ahí que se introdujo el término "laboratorio en un chip".
Aunque la aplicación de los LOC es todavía novedosa y modesta, se observa un creciente interés de empresas y grupos de investigación aplicada en diferentes campos como el análisis químico, la monitorización ambiental, el diagnóstico médico y la celómica , pero también en la química sintética como el cribado rápido y los microrreactores para farmacia. Además de nuevos desarrollos de aplicaciones, se espera que la investigación en sistemas LOC se extienda también hacia la reducción de escala de las estructuras de manejo de fluidos, mediante el uso de nanotecnología . Los canales submicrométricos y nanométricos, los laberintos de ADN, la detección y análisis de células individuales [5] y los nanosensores podrían llegar a ser factibles, permitiendo nuevas formas de interacción con especies biológicas y moléculas grandes. Se han escrito muchos libros que cubren diversos aspectos de estos dispositivos, incluido el transporte de fluidos, [6] [7] [8] propiedades del sistema, [9] técnicas de detección, [10] y aplicaciones bioanalíticas. [11] [12]
El tamaño del mercado mundial de laboratorios en chips se estimó en 5.698 millones de dólares en 2021 y se prevé que aumente a 14.772 millones de dólares en 2030, a una tasa compuesta anual del 11,5% de 2022 a 2030 [13]
La base de la mayoría de los procesos de fabricación de LOC es la fotolitografía . Inicialmente, la mayoría de los procesos se realizaban en silicio, ya que estas tecnologías bien desarrolladas se derivaban directamente de la fabricación de semiconductores . Debido a las demandas de, por ejemplo, características ópticas específicas, compatibilidad bio o química, costos de producción más bajos y creación de prototipos más rápida, se han desarrollado nuevos procesos como el grabado, deposición y unión de vidrio, cerámica y metales, procesamiento de polidimetilsiloxano (PDMS) (por ejemplo, litografía blanda) . ), procesamiento de polímeros de tiol-eno fuera de estequiometría (OSTEmer), impresión 3D basada en película gruesa y estereolitografía [14] , así como métodos de replicación rápida mediante galvanoplastia , moldeo por inyección y estampado . La demanda de prototipos LOC fáciles y económicos dio como resultado una metodología simple para la fabricación de dispositivos de microfluidos PDMS: ESCARGOT (Embedded SCaffold RemovinG Open Technology). [15] Esta técnica permite la creación de canales de microfluidos, en un solo bloque de PDMS, a través de un andamio soluble (realizado, por ejemplo, mediante impresión 3D ). [16] Además, el campo LOC supera cada vez más las fronteras entre la tecnología de microsistemas basada en litografía, la nanotecnología y la ingeniería de precisión. La impresión se considera un método bien establecido pero en desarrollo para la creación rápida de prototipos en la fabricación de chips. [17]
El desarrollo de dispositivos LOC utilizando sustratos de placas de circuito impreso (PCB) es una alternativa interesante debido a estas características diferenciadoras: sustratos disponibles comercialmente con electrónica, sensores y actuadores integrados; Dispositivos desechables a bajo costo y muy alto potencial de comercialización. Estos dispositivos se conocen como Lab-on-PCB (LOP). [18] Las siguientes son algunas de las ventajas de la tecnología PCB: a) El diseño de circuitos basados en PCB ofrece una gran flexibilidad y puede adaptarse a demandas específicas. [19] b) La tecnología PCB permite la integración de módulos electrónicos y de detección en la misma plataforma, reduciendo el tamaño del dispositivo y manteniendo la precisión de la detección. c) El proceso de fabricación de PCB estandarizado y establecido permite una producción rentable a gran escala de dispositivos de detección basados en PCB. d) El crecimiento de la tecnología de PCB flexibles ha impulsado el desarrollo de dispositivos de detección portátiles. Como resultado, durante la última década ha habido numerosos informes sobre la aplicación de Lab-on-PCB a diversos campos biomédicos. e) Los PCB son compatibles con los métodos de deposición húmeda, para permitir la fabricación de sensores utilizando nanomateriales novedosos (por ejemplo, grafeno). [20]
Las líneas de crédito pueden ofrecer ventajas específicas de su aplicación. Las ventajas típicas [10] son:
Las desventajas más destacadas [23] de los laboratorios en chip son:
La tecnología de laboratorio en un chip pronto podría convertirse en una parte importante de los esfuerzos para mejorar la salud global , [26] particularmente mediante el desarrollo de dispositivos de prueba en el punto de atención . [27] En países con pocos recursos sanitarios, las enfermedades infecciosas que serían tratables en una nación desarrollada suelen ser mortales. En algunos casos, las clínicas de atención médica deficientes cuentan con los medicamentos para tratar una determinada enfermedad, pero carecen de las herramientas de diagnóstico para identificar a los pacientes que deberían recibirlos. Muchos investigadores creen que la tecnología LOC puede ser la clave para nuevos instrumentos de diagnóstico potentes. El objetivo de estos investigadores es crear chips de microfluidos que permitan a los proveedores de atención médica en clínicas mal equipadas realizar pruebas de diagnóstico como ensayos de cultivos microbiológicos , inmunoensayos y ensayos de ácidos nucleicos sin soporte de laboratorio.
Para que los chips se utilicen en áreas con recursos limitados, se deben superar muchos desafíos. En los países desarrollados, los rasgos más valorados de las herramientas de diagnóstico incluyen la velocidad, la sensibilidad y la especificidad; pero en países donde la infraestructura sanitaria está menos desarrollada, también se deben considerar atributos como la facilidad de uso y la vida útil. Los reactivos que vienen con el chip, por ejemplo, deben diseñarse de manera que sigan siendo efectivos durante meses incluso si el chip no se mantiene en un ambiente con clima controlado . Los diseñadores de chips también deben tener en cuenta el costo , la escalabilidad y la reciclabilidad al elegir qué materiales y técnicas de fabricación utilizar.
Uno de los dispositivos LOC más destacados y conocidos que llega al mercado es el kit de prueba de embarazo casera, un dispositivo que utiliza tecnología de microfluidos en papel . Otra área activa de investigación de LOC implica formas de diagnosticar y gestionar enfermedades infecciosas comunes causadas por bacterias , por ejemplo, bacteriuria o virus , por ejemplo, la gripe . Un estándar de oro para diagnosticar la bacteriuria ( infecciones del tracto urinario ) es el cultivo microbiano . Un estudio reciente basado en la tecnología de laboratorio en un chip, Digital Dipstick, [28] miniaturizó el cultivo microbiológico en un formato de tira reactiva y permitió su uso en el punto de atención . Cuando se trata de infecciones virales, las infecciones por VIH son un buen ejemplo. Alrededor de 36,9 millones de personas están infectadas por el VIH en el mundo hoy en día y el 59% de ellas reciben tratamiento antirretroviral . Sólo el 75% de las personas que viven con el VIH conocían su estado serológico. [29] Medir la cantidad de linfocitos T CD4 + en la sangre de una persona es una forma precisa de determinar si una persona tiene VIH y realizar un seguimiento del progreso de una infección por VIH [ cita necesaria ] . Por el momento, la citometría de flujo es el estándar de oro para obtener recuentos de CD4, pero la citometría de flujo es una técnica complicada que no está disponible en la mayoría de las áreas en desarrollo porque requiere técnicos capacitados y equipos costosos. Recientemente se desarrolló un citómetro de este tipo por sólo 5 dólares. [30] Otra área activa de investigación de LOC es la separación y mezcla controladas. En tales dispositivos es posible diagnosticar rápidamente y potencialmente tratar enfermedades. Como se mencionó anteriormente, una gran motivación para el desarrollo de estos es que potencialmente pueden fabricarse a un costo muy bajo. [21] Un área más de investigación que se está investigando con respecto a LOC es la seguridad del hogar. El monitoreo automatizado de compuestos orgánicos volátiles (COV) es una funcionalidad deseada para LOC. Si esta aplicación se vuelve confiable, estos microdispositivos podrían instalarse a escala global y notificar a los propietarios sobre compuestos potencialmente peligrosos. [31]
"Se podrían utilizar dispositivos de laboratorio en un chip para caracterizar la guía del tubo polínico en Arabidopsis thaliana" . Específicamente, la planta en un chip es un dispositivo miniaturizado en el que se pueden incubar tejidos de polen y óvulos para estudios de ciencias vegetales. [32]
