Los investigadores del NIST han combinado un portaobjetos de vidrio, láminas de plástico y cinta adhesiva de doble cara para crear un dispositivo de microfluidos económico y fácil de construir para exponer una serie de células a diferentes concentraciones de una sustancia química.
La microfluídica se refiere a un sistema que manipula una pequeña cantidad de fluidos (10 −9 a 10 −18 litros) utilizando pequeños canales con tamaños de diez a cientos de micrómetros. Es un campo multidisciplinario que involucra análisis molecular, biología molecular y microelectrónica . [1] Tiene aplicaciones prácticas en el diseño de sistemas que procesan pequeños 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:
Volúmenes pequeños (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 mediante fuerzas capilares , en forma de elementos modificadores del flujo capilar, similares a resistencias y aceleradores de flujo. En algunas aplicaciones se utilizan además medios de accionamiento externos para un transporte dirigido del medio. Por ejemplo, los accionamientos giratorios que aplican fuerzas centrífugas para el transporte de fluidos sobre los chips pasivos. 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 dosificar. 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 los fluidos.
Dispositivos de microfluidos de caucho de silicona y vidrio. Arriba: una fotografía de los dispositivos. Abajo: micrografías de contraste de fases 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. [2] [3] [4] [5] [6]
A pequeñas escalas (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 momento de un fluido con el efecto de la viscosidad ) puede llegar a ser 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 a menudo debe realizarse mediante difusión . [7]
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. [8] [9]
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 dicha restricción geométrica dependen en gran medida de la aplicación específica. [10] 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 han madurado a lo largo de varios años. [ cita necesaria ]
Microfluidos abiertos
El comportamiento de los fluidos y su control en microcanales abiertos fue pionero alrededor de 2005 [11] y se aplicó en la recolección de muestras de aire a líquido [12] [13] y en la cromatografía. [14] En microfluidos abiertos , al menos un límite del sistema se elimina, exponiendo el fluido al aire u otra interfaz (es decir, líquido). [15] [16] [17] Las ventajas de los microfluidos abiertos incluyen la accesibilidad al líquido que fluye para la intervención, una mayor superficie líquido-gas y una formación minimizada de burbujas. [18] [15] [17] [19] Otra ventaja de los microfluidos 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. [20] Los dispositivos de microfluidos abiertos también son fáciles y económicos de fabricar mediante fresado, termoformado y estampado en caliente. [21] [22] [23] [24] Además, los microfluidos abiertos eliminan la necesidad de pegar o unir una cubierta para los 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 microfluidos basados en hilos. [15] [20] [25] Las desventajas de los sistemas abiertos incluyen susceptibilidad a la evaporación, [26] contaminación, [27] y caudal limitado. [17]
Microfluidos de flujo continuo
Los microfluidos 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 acelerando u obstaculizando el flujo de líquido en elementos capilares. [28] En microfluidos basados 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 . [29] [30] La operación de microfluidos de flujo continuo es el enfoque principal porque es fácil de implementar y menos sensible a los problemas de contaminación 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 ruta 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 reconfigurabilidad limitada y una capacidad de tolerancia a fallas deficiente. En los últimos años se han propuesto enfoques de automatización del diseño asistido por computadora para microfluidos de flujo continuo para aliviar el esfuerzo de diseño y resolver los problemas de escalabilidad. [31]
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. [32]
Microfluidos a base de gotas
Video de alta velocidad de fotogramas que muestra la formación de microburbujas en un dispositivo de microfluidos de enfoque de flujo [33]
Los microfluidos basados en gotas son una subcategoría de microfluidos en contraste con los microfluidos continuos; Los microfluidos basados en gotas manipulan volúmenes discretos de fluidos en fases inmiscibles con un número de Reynolds bajo 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 manejar 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. [34] Explotar eficientemente los beneficios de los microfluidos basados en gotas requiere una comprensión profunda de la generación de gotas [35] para realizar diversas operaciones lógicas [36] [37] como manipulación de gotas, [38] clasificación de gotas, [39] fusión de gotas, [40] y ruptura de gotas. [41]
Microfluidos digitales
Las alternativas a los sistemas de flujo continuo de canal cerrado anteriores incluyen nuevas estructuras abiertas, donde se manipulan gotas discretas y controlables de forma independiente sobre un sustrato mediante electrohumectación . Siguiendo la analogía de la microelectrónica digital, este enfoque se denomina microfluidos digitales . Le Pesant et al. Fue pionero en el uso de fuerzas electrocapilares para mover gotas en una pista digital. [42] El "transistor de fluido" del que Cytonix fue pionero [43] también jugó un papel. Posteriormente, la tecnología fue comercializada por la Universidad de Duke. Al utilizar gotas de volumen unitario discreto, [35] 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. 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, los microfluidos digitales ofrecen 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, mediante la cual 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 los microfluidos digitales es la electrohumectación sobre dieléctrico ( EWOD ). [44] Se han demostrado muchas aplicaciones de laboratorio en un chip dentro del paradigma de microfluidos digitales mediante electrohumectación. Sin embargo, recientemente también se han demostrado otras técnicas para la manipulación de gotas utilizando fuerza magnética, [45] ondas acústicas superficiales , [46] optoelectroelectrohumectación , actuación mecánica, [47] etc.
Microfluidos en papel
Los dispositivos de microfluidos basados en papel llenan un nicho creciente de sistemas de diagnóstico médico portátiles, económicos y fáciles de usar. [48]
Los microfluidos basados en papel se basan en el fenómeno de la penetración capilar en medios porosos. [49] 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 microfluídicos se pueden controlar, mientras que la viscosidad y la tasa de evaporación del líquido desempeñan un papel importante adicional. Muchos de estos dispositivos cuentan con barreras hidrófobas sobre papel hidrófilo que transportan pasivamente soluciones acuosas a las salidas donde tienen lugar las reacciones biológicas. [50] Los microfluidos en papel se consideran biosensores portátiles en el punto de atención que se utilizan en un entorno remoto donde no se puede acceder a herramientas avanzadas de diagnóstico médico. [51] Las aplicaciones actuales incluyen la detección portátil de glucosa [52] y pruebas ambientales, [53] 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 importante esfuerzo académico y cierto 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 se realiza típicamente 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, [54] y la implementación descrita por primera vez en la patente original de Coulter. [55] Este es el método utilizado, por ejemplo, para medir y contar eritrocitos (glóbulos rojos [wiki]) así como 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 manera confiable, establecido principalmente por el tamaño del poro por el que pasa el analito y el ruido de entrada del amplificador de primera etapa . [ cita necesaria ]
El límite del tamaño de los poros en los contadores RPS Coulter tradicionales lo establece el método utilizado para crear los poros, que si bien es un secreto comercial, muy probablemente [ ¿ según quién? ] utiliza métodos mecánicos tradicionales. Aquí es donde los microfluidos pueden tener un impacto: la producción de dispositivos de microfluidos basada en litografía , o más probablemente la producción de moldes reutilizables para fabricar dispositivos de microfluidos 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, también se pueden modelar de forma fiable tamaños de características inferiores a 100 nm. Esto permite la producción económica de poros integrados en un circuito de microfluidos donde los diámetros de los poros pueden alcanzar tamaños del orden de 100 nm, con una reducción concomitante en los diámetros mínimos de partículas en varios órdenes de magnitud.
Como resultado, ha habido cierto desarrollo en la universidad del recuento y dimensionamiento de partículas de microfluidos [56] [57] [58] [59] [60] [61] [62] [63] [64] [ 65] [ excesivo citas ] con la consiguiente comercialización de esta tecnología. Este método se ha denominado detección de pulso resistivo de microfluidos (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 los microfluidos han visto la integración de dispositivos de microfluidos con la magnetoforesis: la migración de partículas mediante un campo magnético . [66] 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 eficazmente 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, algunas impurezas metálicas pueden llegar a ciertos líquidos consumibles, como la leche y otros productos lácteos . [67] 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 de la magnetoforesis asistida por microfluidos, más orientadas a la investigación, son numerosas y generalmente están dirigidas a la separación celular . La forma general en que esto se logra implica varios pasos. En primer lugar, es necesario funcionalizar una sustancia paramagnética (normalmente micro/ nanopartículas o un fluido paramagnético ) [68] para que se dirija al tipo de célula de interés. Esto se puede lograr identificando una proteína transmembranal exclusiva del tipo de célula de interés y posteriormente funcionalizando partículas magnéticas con el antígeno o anticuerpo complementario . [67] [69] [70] [71] [72] Una vez que las partículas magnéticas se funcionalizan, se dispersan en una mezcla de células 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, se puede utilizar magnetoforesis asistida por microfluidos 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 la microgota. [71] Esto elimina la necesidad de tediosas consideraciones de ingeniería que son necesarias para la mezcla de gotas tradicional basada en canales. Otras investigaciones también han demostrado que la separación de células sin etiquetas puede ser posible suspendiendo las células en un fluido paramagnético y aprovechando el efecto magneto-Arquímedes. [73] [74] 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 tanto actuales como futuras.
Áreas de aplicación clave
Las estructuras de microfluidos incluyen sistemas microneumáticos, es decir, microsistemas para el manejo de fluidos fuera del chip (bombas de líquido, válvulas de gas, etc.) y estructuras de microfluidos para el manejo en el chip de volúmenes de nanolitros (nl) y picolitros (pl). [75] Hasta la fecha, la aplicación comercial de mayor éxito de los microfluidos es el cabezal de impresión de inyección de tinta . [76] Además, los avances en la fabricación de microfluidos significan que los fabricantes pueden producir los dispositivos en plásticos de bajo costo [77] y verificar automáticamente la calidad de las piezas. [78]
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 ), el análisis de ADN (p. ej., reacción en cadena de la polimerasa y secuenciación de alto rendimiento ), proteómica y síntesis química. [28] [79] 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. [80] [81]
Un área de aplicación emergente para los biochips es la patología clínica , especialmente el diagnóstico inmediato de enfermedades en el lugar de atención . [82] Además, los dispositivos basados en microfluidos, capaces de realizar muestreos continuos y pruebas en tiempo real de muestras de aire/agua para detectar toxinas bioquímicas y otros patógenos peligrosos , [83] pueden servir como una "alarma de biohumo" siempre activa para Advertencia temprana.
La tecnología de microfluidos ha llevado a la creación de potentes herramientas para que los biólogos controlen todo el entorno celular, lo que ha dado lugar a nuevas preguntas y descubrimientos. A continuación se enumeran muchas ventajas diversas de esta tecnología para microbiología:
Estudios generales de células individuales, incluido el crecimiento [84] [34]
Envejecimiento celular: dispositivos de microfluidos como la "máquina madre" permiten el seguimiento de miles de células individuales durante muchas generaciones hasta que mueren [84]
Control microambiental: desde el entorno mecánico [85] hasta el entorno químico [86] [87]
Gradientes de concentración espaciotemporales precisos mediante la incorporación de múltiples entradas químicas a un solo dispositivo [88]
Mediciones de fuerza de células adherentes o cromosomas confinados: los objetos atrapados en un dispositivo de microfluidos se pueden manipular directamente utilizando pinzas ópticas u otros métodos de generación de fuerza [89]
Confinar células y ejercer fuerzas controladas mediante el acoplamiento con métodos externos de generación de fuerzas, como el flujo de Stokes , las pinzas ópticas o la deformación controlada del dispositivo PDMS ( polidimetilsiloxano ) [89] [90] [91]
Integración del campo eléctrico [91]
Planta en chip y cultivo de tejidos vegetales [92]
Resistencia a los antibióticos: los dispositivos de microfluidos se pueden utilizar como entornos heterogéneos para los microorganismos. En un ambiente 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 detallan más en las secciones siguientes:
Chips de ADN (microarrays)
Los primeros biochips se basaban en la idea de un microarray de ADN , por ejemplo el GeneChip DNAarray de Affymetrix , que es un trozo de sustrato de vidrio, plástico o silicio sobre el que se fijan trozos de ADN (sondas) en un conjunto microscópico. De manera 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 . Una desventaja de las matrices de ADN y proteínas es que no son reconfigurables ni escalables después de su fabricación. La microfluídica digital se ha descrito como un medio para realizar la PCR digital .
Al combinar microfluidos con ecología del paisaje y nanofluidos , se puede construir un paisaje fluídico nano/microfabricado 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 , [96] generando un mosaico espacial de parches de oportunidades distribuidos en el espacio y el tiempo. La naturaleza irregular de estos paisajes fluidos 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 quimioatrayentes precisos y cuidadosamente controlados hace que los microfluidos sean la herramienta ideal para estudiar la motilidad, [97] 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 [98] y la amplia gama de organismos que forman el circuito microbiano marino , [99] responsable de regular gran parte de la biogeoquímica de los océanos.
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 bacterias nadadoras individuales, se pueden utilizar [100] estructuras de microfluidos para extraer el movimiento mecánico de una población de células bacterianas móviles. [101] De esta manera, se pueden construir rotores impulsados por bacterias. [102] [103]
Óptica
La fusión de microfluidos y óptica se conoce comúnmente como optofluidos . Ejemplos de dispositivos optofluídicos son los conjuntos de microlentes sintonizables [104] [105] y los microscopios optofluídicos.
El flujo de microfluidos permite un rendimiento rápido de las muestras, imágenes automatizadas de grandes poblaciones de muestras y capacidades 3D. [106] [107] o superresolución. [108]
Laboratorio de fotónica en un chip (PhLOC)
Debido al aumento de las preocupaciones de seguridad y los costos operativos de los métodos analíticos comunes ( ICP-MS , ICP-AAS e ICP-OES [109] ), el Photonics Lab on a Chip (PhLOC) se está convirtiendo en una herramienta cada vez más popular para el análisis. de actínidos y nitratos en los residuos nucleares gastados. El PhLOC se basa en la aplicación simultánea de espectroscopia Raman y UV-Vis-NIR , [110] que permite el análisis de mezclas más complejas que contienen varios actínidos en diferentes estados de oxidación. [111] Las mediciones realizadas con estos métodos se han validado a nivel masivo para pruebas industriales, [109] [112] y se observa que tienen una variación mucho menor a microescala. [113] Se ha descubierto que este enfoque tiene coeficientes de extinción molar (UV-Vis) en línea con los valores conocidos de la literatura en un intervalo de concentración comparativamente grande para 150 μL [111] mediante el alargamiento del canal de medición, y obedece la ley de Beer en el micro. -escala para U(IV). [114] Mediante el desarrollo de un enfoque espectrofotométrico para analizar el combustible gastado, se crea un método en línea para medir las cantidades de reactivos, lo que aumenta la velocidad a la que se pueden analizar las muestras y, por lo tanto, disminuye el tamaño de las desviaciones detectables durante el reprocesamiento. [112]
Mediante la aplicación del PhLOC, se aumenta la flexibilidad y seguridad de los métodos operativos. Dado que el análisis del combustible nuclear gastado implica condiciones extremadamente duras, la aplicación de dispositivos desechables y de rápida producción (basados en materiales moldeables y/o grabables como PDMS, PMMA y vidrio [115] ) es ventajoso, aunque se debe considerar la integridad del material. en condiciones duras específicas. [114] Mediante el uso de acoplamiento de fibra óptica, el dispositivo se puede aislar de la instrumentación, evitando daños por irradiación y minimizando la exposición del personal del laboratorio a radiación potencialmente dañina, algo que no es posible a escala de laboratorio ni con el estándar de análisis anterior. [111] La contracción del dispositivo también permite que se utilicen cantidades más bajas de analito, lo que reduce la cantidad de desechos generados y la exposición a materiales peligrosos. [111]
Actualmente se está evaluando la ampliación del PhLOC para miniaturizar la investigación del ciclo completo del combustible nuclear, y los pasos del proceso PUREX se han demostrado con éxito a microescala. [110] Asimismo, se prevé que la tecnología de microfluidos desarrollada para el análisis del combustible nuclear gastado se expanda horizontalmente al análisis de otros actínidos, lantánidos y metales de transición con poca o ninguna modificación. [111]
Cromatografía líquida de alta resolución (HPLC)
La HPLC en el campo de los microfluidos se presenta en dos formas diferentes. Los primeros diseños incluían hacer pasar líquido a través de la columna de HPLC, luego transferir el líquido eluido a chips de microfluidos y conectar columnas de HPLC al chip de microfluidos directamente. [116] Los primeros métodos tenían la ventaja de una detección más fácil con ciertas máquinas como las que miden la fluorescencia. [117] Los diseños más recientes han integrado columnas de HPLC completamente 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 microfluídicos basados en gotas diferentes. [118] [119] Esta es una característica importante porque diferentes aplicaciones de chips de microfluidos HPLC pueden requerir diferentes presiones. El PDMS falla en comparación con usos de alta presión en comparación con el vidrio y la poliimida. La alta versatilidad de la integración de HPLC garantiza robustez al evitar conexiones y accesorios entre la columna y el chip. [120] La capacidad de desarrollar dichos diseños en el futuro permite que el campo de los microfluidos continúe expandiendo sus aplicaciones potenciales.
Las aplicaciones potenciales que rodean las columnas HPLC integradas dentro de dispositivos de microfluidos han demostrado ser amplias en los últimos 10 a 15 años. La integración de este tipo de columnas permite realizar experimentos en los que los materiales eran poco disponibles o muy caros, como en el análisis biológico de proteínas. Esta reducción en los volúmenes de reactivos permite nuevos experimentos como el análisis de proteínas unicelulares, que anteriormente presentaban grandes dificultades debido a las limitaciones de tamaño de los dispositivos anteriores. [121] 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 especies deseadas, como proteínas. [122] 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. [123] Algunas otras aplicaciones prácticas de los chips HPLC integrados incluyen la determinación de la presencia de fármacos en una persona a través de su cabello [124] y el etiquetado de péptidos mediante cromatografía líquida de fase inversa. [125]
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 daños 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.
Celdas de combustible
Las pilas de combustible microfluídicas pueden utilizar flujo laminar para separar el combustible y su oxidante para controlar la interacción de los dos fluidos sin la barrera física que requieren las pilas de combustible convencionales. [126] [127] [128]
Astrobiología
Para comprender las perspectivas de que exista vida en otras partes del universo, los astrobiólogos están interesados en medir la composición química de los cuerpos extraplanetarios. [129] Debido a su pequeño tamaño y amplia funcionalidad, los dispositivos de microfluidos son especialmente adecuados para estos análisis de muestras remotas. [130] [131] [132] A partir de una muestra extraterrestre, el contenido orgánico se puede evaluar mediante electroforesis capilar con microchip y tintes fluorescentes selectivos. [133] Estos dispositivos son capaces de detectar aminoácidos , [134] péptidos , [135] ácidos grasos , [136] y aldehídos simples , cetonas , [137] y tioles . [138] Estos análisis combinados podrían permitir una poderosa detección de los componentes clave de la vida y, con suerte, informar nuestra búsqueda de vida extraterrestre funcional. [139]
Ciencia de los Alimentos
Las técnicas de microfluidos, como los microfluidos de gotas, los microfluidos de papel y el laboratorio en un chip, se utilizan en el ámbito de la ciencia de los alimentos en una variedad de categorías. [140] La investigación en nutrición, [141] [142] el procesamiento de alimentos y la seguridad alimentaria se benefician de la técnica de microfluidos porque los experimentos se pueden realizar con menos reactivos. [140]
El procesamiento de alimentos requiere la capacidad de permitir la estabilidad en almacenamiento de 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 mediante 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 utiliza para generar la emulsión y el resto se disipa en forma de calor”. [143] Aunque estos métodos tienen beneficios, actualmente carecen de la capacidad de producirse a gran escala, necesaria para la comercialización. [144] Los microfluidos también se utilizan en la investigación, ya que permiten la innovación en la química y el procesamiento de alimentos. [140] [144] Un ejemplo en la investigación de ingeniería alimentaria es un novedoso dispositivo impreso en micro-3D fabricado para investigar la producción de gotitas para uso potencial en la industria de procesamiento de alimentos, particularmente en el trabajo con emulsiones mejoradas. [145]
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. [146] Los dispositivos de microfluidos basados en papel a menudo se denominan dispositivos analíticos de microfluidos basados en papel (μPAD) y pueden detectar cosas como nitrato, [147] conservantes, [148] o antibióticos [149] en la carne mediante una reacción colorimétrica que Se puede detectar con un teléfono inteligente. Se están investigando estos métodos porque utilizan menos reactivos, espacio y tiempo en comparación con técnicas tradicionales como la cromatografía líquida. Los µPAD también permiten realizar pruebas de detección caseras, lo que resulta de interés para personas con alergias e intolerancias. [147] Además de los métodos basados en papel, la investigación demuestra que los microfluidos basados en gotas son prometedores para acortar drásticamente el tiempo necesario para confirmar la contaminación bacteriana viable en aguas agrícolas en la industria alimentaria nacional e internacional. [146]
Direcciones futuras
Microfluidos para el tratamiento personalizado del cáncer
El tratamiento personalizado del cáncer es un método adaptado al diagnóstico y los antecedentes del paciente. La tecnología de microfluidos ofrece una detección sensible con mayor rendimiento, así como reducción de tiempo y costos. Para el tratamiento personalizado del cáncer, la composición del tumor y la sensibilidad a los medicamentos son muy importantes. [150]
La respuesta de un paciente al fármaco 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. [151] 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 eficaz con un bajo riesgo de contaminación para detectar Her2 . [150] 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 mutativos. [152] Además, la predicción precisa de la progresión de la enfermedad posoperatoria en pacientes con cáncer de mama o próstata es esencial para determinar el tratamiento posoperatorio. Se utiliza una cámara de microfluidos simple, recubierta con una mezcla de matriz extracelular cuidadosamente formulada para las células obtenidas de una biopsia de tumor después de 72 horas de crecimiento y una evaluación exhaustiva de las células mediante imágenes. [153]
Los materiales tumorales se pueden utilizar directamente para la detección a través de dispositivos de microfluidos. Para detectar fármacos en 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 atravesar pequeñas constricciones puede clasificar los tipos de células y las metástasis . [160] 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 una forma secuencial de cócteles de medicamentos, junto con códigos de barras fluorescentes, es más eficiente. [161] Otra estrategia avanzada es detectar tasas de crecimiento de células individuales mediante el uso de resonadores de microcanales suspendidos, que pueden predecir la sensibilidad a los medicamentos de las CTC raras . [162]
Los dispositivos de microfluidos también pueden simular el microambiente del tumor para ayudar a probar medicamentos contra el cáncer. Los dispositivos de microfluidos con cultivos celulares en 2D o 3D se pueden utilizar para analizar esferoides en busca de diferentes sistemas cancerosos (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. [163] 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 con ella se pueden simular varios órganos para determinar el metabolismo y la actividad de los fármacos basándose en imitaciones de vasos , así como imitar el pH , el oxígeno ... para analizar la relación entre fármacos. y el entorno de los órganos humanos. [163]
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Wikimedia Commons tiene medios relacionados con los microfluidos .
Educación
Wikilibros tiene un libro sobre el tema: Microfluídica
Scholia tiene un perfil de tema para Microfluídica .
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