Dentro de estas fibras, las gotas están en movimiento: Dispositivo de microfluidos para mezclar, separando, y los fluidos de prueba pueden abrir nuevas posibilidades para la detección médica

Los dispositivos de microfluidos son sistemas diminutos con canales microscópicos que se pueden utilizar para pruebas e investigaciones químicas o biomédicas.. En un avance potencialmente innovador, Los investigadores del MIT ahora han incorporado sistemas de microfluidos en fibras individuales, haciendo posible procesar volúmenes mucho más grandes de fluido, de formas más complejas. En un sentido, el avance abre una nueva era "macro" de microfluidos.

Mediante la integración de cables conductores junto con canales de microfluidos en fibras largas, los investigadores pudieron demostrar la capacidad de clasificar las células, en este caso, separar las células vivas de las muertas, porque las células responden de manera diferente a un campo eléctrico. las celulas vivas, se muestra en verde, se tiran hacia el borde exterior de los canales, mientras las células muertas (rojo) son tirados hacia el centro, permitiéndoles ser enviados a canales separados.

Ilustraciones cortesía de los investigadores..

Dispositivos de microfluidos tradicionales, desarrollado y utilizado ampliamente durante las últimas dos décadas, se fabrican en estructuras similares a microchips y proporcionan formas de mezclar, separando, y pruebas de fluidos en volúmenes microscópicos. Pruebas médicas que solo requieren una pequeña gota de sangre, por ejemplo, a menudo se basan en microfluidos. Pero la escala diminuta de estos dispositivos también plantea limitaciones.; por ejemplo, generalmente no son útiles para procedimientos que necesitan grandes volúmenes de líquido para detectar sustancias presentes en cantidades mínimas.

Un equipo de investigadores del MIT encontró una forma de evitar eso, haciendo canales de microfluidos dentro de las fibras. Las fibras se pueden hacer tan largas como sea necesario para acomodar un mayor rendimiento, y ofrecen un gran control y flexibilidad sobre las formas y dimensiones de los canales. El nuevo concepto se describe en un artículo que aparece esta semana en la revista procedimientos de la Academia Nacional de Ciencias, escrito por el estudiante graduado del MIT Rodger Yuan, profesores Joel Voldman y Yoel Fink, y otros cuatro.

Un enfoque multidisciplinario

El proyecto surgió como resultado de un evento de "tormenta de velocidad" (una amalgama de lluvia de ideas y citas rápidas, una idea iniciada por el profesor Jeffrey Grossman) que fue instigado por Fink cuando era director del Laboratorio de Investigación de Electrónica del MIT. Los eventos están destinados a ayudar a los investigadores a desarrollar nuevos proyectos de colaboración., haciendo que pares de estudiantes y posdoctorados intercambien ideas durante seis minutos a la vez y propongan cientos de ideas en una hora, que son clasificados y evaluados por un panel. En esta particular sesión de speedstorming, Los estudiantes de ingeniería eléctrica trabajaron con otros en ciencia de materiales y tecnología de microsistemas para desarrollar un enfoque novedoso para la clasificación de células utilizando una nueva clase de fibras multimaterial..

Yuan explica que, aunque la tecnología de microfluidos se ha desarrollado ampliamente y se ha utilizado ampliamente para procesar pequeñas cantidades de líquido, sufre de tres limitaciones inherentes relacionadas con el tamaño total de los dispositivos, sus perfiles de canal, y la dificultad de incorporar materiales adicionales como electrodos.

Debido a que generalmente se fabrican utilizando métodos de fabricación de chips., los dispositivos de microfluidos están limitados al tamaño de las obleas de silicio utilizadas en tales sistemas, que no son más que sobre 8 pulgadas de ancho. Y los métodos de fotolitografía utilizados para fabricar estos chips limitan las formas de los canales.; solo pueden tener secciones transversales cuadradas o rectangulares. Finalmente, cualquier material adicional, como electrodos para detectar o manipular el contenido de los canales, debe colocarse individualmente en posición en un proceso separado, limitando severamente su complejidad.

“La tecnología de chips de silicio es realmente buena para hacer perfiles rectangulares, pero cualquier cosa más allá de eso requiere técnicas realmente especializadas,dice yuan, quien realizó el trabajo como parte de su investigación doctoral. “Pueden hacer triángulos, pero solo con ciertos ángulos específicos”. Con el nuevo método basado en fibra que él y su equipo desarrollaron, se puede implementar una variedad de formas de sección transversal para los canales, incluyendo estrella, cruz, o formas de corbatín que pueden ser útiles para aplicaciones particulares, como la clasificación automática de diferentes tipos de células en una muestra biológica.

Adicionalmente, para microfluídica convencional, elementos tales como sensores o cables calefactores, o dispositivos piezoeléctricos para inducir vibraciones en los fluidos muestreados, debe agregarse en una etapa de procesamiento posterior. Pero pueden integrarse completamente en los canales del nuevo sistema basado en fibra..

Un perfil cada vez más reducido

Al igual que otros sistemas complejos de fibra desarrollados a lo largo de los años en el laboratorio del coautor Yoel Fink, profesor de ciencia e ingeniería de materiales y director de Advanced Functional Fabrics of America (AFFOA) consorcio, estas fibras se fabrican comenzando con un cilindro de polímero de gran tamaño llamado preforma. Estas preformas contienen la forma y los materiales exactos deseados para la fibra final., pero en una forma mucho más grande, lo que los hace mucho más fáciles de hacer en configuraciones muy precisas. Entonces, la preforma se calienta y se carga en una torre de caída, donde se tira lentamente a través de una boquilla que lo constriñe a una fibra estrecha que es una cuadragésima parte del diámetro de la preforma, conservando todas las formas y arreglos internos.

En el proceso, el material también se alarga por un factor de 1,600, de modo que una de 100 milímetros de largo (4-pulgada de largo) preformar, por ejemplo, se convierte en fibra 160 metros de largo (acerca de 525 pies), superando así drásticamente las limitaciones de longitud inherentes a los dispositivos microfluídicos actuales. Esto puede ser crucial para algunas aplicaciones., como la detección de objetos microscópicos que existen en concentraciones muy pequeñas en el fluido, por ejemplo, un pequeño número de células cancerosas entre millones de células normales.

“A veces necesitas procesar mucho material porque lo que buscas es raro,” dice Voldman, un profesor de ingeniería eléctrica que se especializa en microtecnología biológica. Eso hace que esta nueva tecnología de microfluidos basada en fibra sea especialmente apropiada para tales usos., él dice, porque “las fibras se pueden hacer arbitrariamente largas,” permitiendo más tiempo para que el líquido permanezca dentro del canal e interactúe con él.

Mientras que los dispositivos de microfluidos tradicionales pueden hacer canales largos haciendo un bucle de un lado a otro en un pequeño chip, los giros y vueltas resultantes cambian el perfil del canal y afectan la forma en que fluye el líquido, mientras que en la versión de fibra estos se pueden hacer tan largos como sea necesario, sin cambios en forma o dirección, permitiendo un flujo ininterrumpido, yuan dice.

El sistema también permite que los componentes eléctricos, tales como cables conductores a ser incorporados en la fibra. Estos pueden ser utilizados por ejemplo para manipular células, utilizando un método llamado dielectroforesis, en el cual las células se ven afectadas de manera diferente por un campo eléctrico producido entre dos hilos conductores en los lados de la canal.

Con estos hilos conductores en el microcanal, se puede controlar la tensión por lo que las fuerzas están “empujando y tirando de las células, y puede hacerlo con caudales elevados,”Dice Voldman.

Como una demostración, el equipo hizo una versión del dispositivo de fibra de canal largo diseñado para separar células, separar las células muertas de las vivas, y demostró su eficiencia en el cumplimiento de esta tarea. Con mayor desarrollo, esperan poder realizar una discriminación más sutil entre los tipos de células, yuan dice.

“Para mí, este fue un maravilloso ejemplo de cómo la proximidad entre los grupos de investigación en un laboratorio interdisciplinario como RLE conduce a una investigación innovadora., iniciado y dirigido por un estudiante de posgrado. Nosotros, la facultad, fuimos esencialmente arrastrados por nuestros estudiantes,Fink dice.

Los investigadores enfatizan que no ven el nuevo método como un sustituto de la microfluídica actual., que funcionan muy bien para muchas aplicaciones. “No está destinado a reemplazar; está destinado a aumentar los métodos actuales, Voldman dice, permitiendo algunas funciones nuevas para usos particulares que antes no eran posibles.

“Ejemplificando el poder de la colaboración interdisciplinaria, aquí surge una nueva comprensión de combinaciones inesperadas de procesos de fabricación, ciencia de los Materiales, física del flujo biológico, y diseño de microsistemas,” dice Amy Herr, profesor de bioingeniería en la Universidad de California en Berkeley, quien no estuvo involucrado en esta investigación. Agrega que este trabajo "agrega importantes grados de libertad, con respecto a la geometría de la sección transversal de la fibra y las propiedades del material, a las estrategias emergentes de diseño de microfluidos basadas en fibra".

Fuente: http://news.mit.edu, por David L. Velero