Microfluidics y Aplicaciones Biomédicas

Por el Dr. Xianghong Ma

El Dr. Xianghong MA, Director, Grupo Biomédico de la Investigación Aplicada, Escuela de la Ingeniería y Ciencia Aplicada, Universidad de Aston. Autor Correspondiente: x.ma@aston.ac.uk

Microfluidics es un área de investigación dentro de MEMS (Sistemas Microelectromecánicos) y se trata al mando del flujo de los líquidos medidos en micro, nano, o aún Pico, litro, cantidades. El líquido puede ser líquido o gaseoso en naturaleza, o una mezcla de ambos, y atraviesa los canales de la microescala, las bombas, las válvulas, y los filtros.

Estos dispositivos microfluidic se pueden fabricar en silicio o cristal usando las técnicas fotolitográficas y de la aguafuerte que se han adaptado de la industria del semiconductor, o de los materiales orgánicos tales como plásticos y polímeros [1,2].

Los dispositivos de Microfluidic requieren solamente una pequeña cantidad de muestra y de reactivo para tramitar y de superficie grande de las pandillas a las relaciones de transformación del volumen. Además, los tiempos de reacción y la facilidad rápidos de la automatización hacen el ideal microfluidic de los dispositivos para la aplicación en decorados de la ingeniería biomédica.

Microfluidics ha sido ampliamente utilizado en el revelado de los sistemas de análisis totales (o los dispositivos) de la en-viruta del laboratorio [2, 3], determinado para la investigación de la droga en la industria farmacéutica y en el revelado de las micro-matrices [4]. La tecnología se está madurando rápidamente después de esfuerzo de investigación vigoroso durante los 20 años pasados. En un futuro próximo, veremos una tendencia cada vez mayor hacia la producción de dispositivos microfluidic adaptados que satisfagan las necesidades determinadas, que pueden ser clínicas, farmacéutico, o biotecnológico.

Una de las aplicaciones más prometedoras del microfluidics en la ingeniería biomédica está en diagnosis del punta-de-cuidado. En el escenario importante de la preparación de la muestra, las células biológicas apuntadas necesitan ser separadas de otras substancias en la muestra. Convencional, las células se pueden separar en una suspensión hidráulica, sobre la base de la talla, de la densidad, carga eléctrica, luz-dispersando propiedades, y propiedades superficiales antigénicas. La Separación de las células según estas métricas puede requerir tecnologías complejas y el equipo del especialista. Tales técnicas incluyen la centrifugación, la célula activada fluorescencia clasificación, la electroforesis, la cromatografía, la separación de la afinidad y la separación magnética. Las soluciones de Microfluidic se han dirigido con éxito a integran en las técnicas antedichas, o a la función mientras que un dispositivo independiente para ejecutar la preparación de la muestra encarga.

Un ejemplo interesante es el de un dispositivo microfluidic de la filtración para la célula spermato-genética clasificación para utilizar los procesos de IVF (Fertilización In Vitro) y de ICSI (inyección intracitoplásmica de la esperma) [5]. En ciertos casos de la infertilidad masculina del factor, una única célula espermatogénica viable tiene que ser extraída de una bolita de la biopsia para poderla inyectar directamente en un oocyte. La bolita de la biopsia contiene una variedad de tejidos y un rango de las células de germen de todas las órdenes de la madurez. El proceso de encontrar las células viables para ICSI puede ser que toma tiempo, requiriendo las horas de trabajo intensivo que implican manualmente el picar de la bolita, los ciclos sucesivos de la separación de la célula con la centrifugación, y la discriminación individual de la célula. Las células de germen llegan a ser más pequeñas como ellas se maduran, comenzando como spermatogonion redondo grande del 16~18µm y terminando como espermatozoide pequeño y delgado de los 4~6µm. Usando esta característica, una puede apuntar dividir las células espermatogénicas en diversas categorías maduras según sus tallas de una manera rápida y eficiente.

Tal y como se muestra en del Cuadro 1, la solución microfluidic es un dispositivo microfabricated planar pasivo de DRIE (aguafuerte de ión reactiva profunda) [6] que tienen receptores de papel separados para cerco diversos tipos de célula que sean separados gradualmente reduciendo separaciones del filtro. La suspensión flúida se deposita a través del depósito central con las herramientas convencionales de la micromanipulación.

Cuadro 1: Imagen de la microscopia electrónica de la Exploración de un dispositivo O.N.U-bajo fianza del filtro, vista de la cara de la filtración, de los canales de la demostración y de los segmentos lineales del filtro irradiando del depósito central [6].

Con el mando cuidadoso de las propiedades de las superficies en contacto con el líquido, y explotando la naturaleza laminar del flujo microfluidic, el filtro emplea la tensión de superficie del fluido operante para impulsar la muestra a través del dispositivo.

La escala del dispositivo permite la utilización de las fuerzas que previenen normalmente el flujo flúido en el nivel macro para drenar activamente la muestra a través de los elementos filtrantes, sin la necesidad de fuentes de energía externas.

En la prueba experimental del dispositivo, fue encontrado que el microfluid 0.5µl con cerca de 1500 micropartículas se podría filtrar a través del dispositivo en menos de 1 segundo.

El Cuadro 2 muestra el resultado de separar una mezcla de las microesferas de los 3µm y del 10µm, donde la mayoría de las partículas cerco en sus depósitos apropiados. Las concentraciones Óptimas de partículas dentro de sus receptores de papel apropiados de la colección fueron encontradas para estar de la orden el 50% para los 3µm y el 84% para las partículas del 10µm respectivamente. La proporción de células que eran tramitadas fue mostrada para ser una función de su migración a través del dispositivo del filtro dentro del flujo flúido a granel.

Cuadro 2. imagen Confocal de la separación de una suspensión mezclada de las microesferas (verdes) de los 3µm (rojo) y del 10µm usando un dispositivo microfluidic. En este diseño, los microcanales de diversas tallas se utilizan como el filtro y proveedor de la fuerza de la tensión de superficie para drenar la muestra a través del dispositivo.

Este dispositivo ofrece varias ventajas. Es biocompatible debido al uso de materiales tales como silicio y el cristal y él está económicamente disponibles, debido al costo de fabricación inferior para los volúmenes grandes de la producción, así eliminando la contaminación de la muestra.

Además, la naturaleza hidrofílica de los depósitos nativos del óxido dentro de los capilares del dispositivo significa que él es virtualmente inofensivo a las células y a las proteínas [7]. Las técnicas de bombeo capilares Autopropulsadas se pueden utilizar para manipular el líquido más lejos, reduciendo la necesidad del equipo externo. Tal aproximación tiene el potencial de aumentar confiabilidad y funciones, eliminando componentes móviles y así disminuyendo el daño mecánico potencial a las células causadas bombeando, o, de hecho, daño térmico potencial que se presenta del bombeo del efecto del marangoni.

En conclusión, la partícula extraña de las estructuras físicas de la filtración en un sistema microfluidic pasivo activa el tramitación eficiente de las muestras que están libres de la contaminación o del daño. El proceso lleva a una reducción marcada en tiempo de procesamiento y tiene gran potencial para la separación automática y eficiente de la partícula y bio-muestra que tramita a través de una amplia gama de aplicaciones biomédicas.


Referencias:

[1] Becker, H., Locascio, L.E., dispositivos microfluidic del Polímero, Talanta 56 (2002) 267-287.

[2] Remache, C., y otros, Microfluidics para los diagnósticos médicos y los biosensores, Ciencia de la Ingeniería Química (2010), doi: 10.1016/j.ces.2010.08.015

[3] Príncipe, M., Microsistemas Elegantes para las manipulaciones de la célula, tesis del Doctorado de la universidad de Aston, 2006.

[4] Situma, C., Hashimoto M., Scoper S.A., Combinando microfluidics con pruebas biológicas Microarray-Basadas, Ingeniería Biomolecular, 23, 2006, p213-231.

[5] Príncipe, M., MA X., Estibador P., Sala M., Prewett P., Diseño y Modelado de un Filtro Flúido Micro para Separar las Células Espermatogénicas, Conferencia Técnica de la Ingeniería de Diseño de ASME, California, Septiembre de 2005. págs. 475-480. doi: 10.1115/DETC2005-85357

[6] Príncipe, M., MA X., Estibador P., Sala M., Prewett P., El revelado de una Bio-MEMS viruta nueva de la filtración para la separación de células específicas en la suspensión flúida, parte H de IMechE: J de la Ingeniería en el Remedio, 221(2), 2007. p113-128. doi: 10.1243/09544119JEIM190

[7] Chau, L.K., Osborn, T., Wu, C.C., y Yager, célula de caudalómetro del silicio de P. Microfabricated para la supervisión óptica de los líquidos biológicos Anales. Sci. 1999, 15, 721-724.

Date Added: Sep 11, 2011 | Updated: Jun 11, 2013

Last Update: 14. June 2013 09:51

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