¿Diseñando un dispositivo bioanalítico de microfluidos? Factores para considerar…
Los dispositivos de microfluidos (y sus primos, los dispositivos de nanofluidos y de mesofluidos) se utilizan cada vez más en una impresionante variedad de usos bioanalíticos. Estos van desde ensayos de diagnóstico médico in vitro familiares hasta ensayos para contaminantes ambientales, amenazas de bioseguridad y diagnósticos de alimentos.
A pesar de sus diferentes aplicaciones, todos estos dispositivos comparten un elemento común: los fluidos deben moverse hacia y desde varias ubicaciones dentro del dispositivo para que funcionen.
Sistemas para mover fluidos en el dispositivo
Hay dos estrategias básicas para mover fluidos en dispositivos de microfluidos: “fluidos activos” y “fluidos pasivos". El método de fluidos activos mueve fluidos utilizando componentes activos (por ejemplo, bombas y válvulas). El método de fluidos pasivos se basa en fuerzas capilares para mover fluidos; se puede mejorar modificando las superficies internas del dispositivo con tratamientos que aceleren o disminuyan el flujo de fluidos (ver más abajo).
Una tercera estrategia intermedia es utilizar una bomba centrífuga. Una bomba centrífuga es un dispositivo que combina elementos activos y pasivos; en este método, las propiedades de la superficie y las características de diseño juegan un papel más importante que en un sistema basado en bombas y válvulas solo, pero aún deben funcionar junto con la bomba centrífuga.
Diseño y tratamiento de superficies
Las propiedades superficiales de los canales de fluidos de un dispositivo microfluídico juegan un papel importante en la determinación de cómo se mueve el fluido a través de ellos.
Los materiales de baja energía superficial son naturalmente hidrófobos (es decir, repelen fluidos) y se utilizan mejor con elementos fluídicos activos como bombas y válvulas. Ejemplos de materiales de baja energía superficial incluyen teflón, poliestireno y polietileno.
Los materiales de alta energía superficial son naturalmente hidrófilos (es decir, atraen fluidos) y facilitan el movimiento de fluidos a través de la acción capilar. El nylon, los poliésteres, las poliimidas, los polivinilpirrolidonas y los polímeros acrílicos son ejemplos de materiales de alta energía superficial que se pueden utilizar para fabricar dispositivos que dependen del movimiento de fluidos pasivos.
Las superficies pueden ser tratadas con reactivos gaseosos o líquidos para alterar sus afinidades a favor (o contra) de soluciones acuosas. Por ejemplo, los detergentes son reactivos que contienen elementos hidrófobos e hidrófilos; pueden alterar las propiedades superficiales de un sustrato polimérico. El dodecilsulfato de sodio (SDS) es un ejemplo clásico de detergente: tiene una cola lipofílica de doce carbonos unida a un grupo sulfato altamente polar. Uno de los protones en el sulfato ha sido reemplazado por un ion de sodio. Cuando una solución acuosa de esta sal se expone a una superficie hidrófoba como el poliestireno, la cola hidrófoba interactúa con la superficie uniéndose a ella. El grupo sulfato polar en la molécula ahora proporciona una nueva superficie, que es hidrófila.
Dimensiones del dispositivo de microfluidos
En general, los volúmenes de muestra y reactivo que el dispositivo está destinado a procesar determinan el tamaño de los canales y cámaras en el dispositivo. Hay suficiente glucosa en una gota de sangre (aproximadamente 30 ul) que solo se necesita una fracción de ese volumen para el ensayo. Por otro lado, un ensayo para la hormona estimulante de la tiroides (TSH) podría requerir 200 ul de plasma (o 400 ul de sangre total) para lograr la sensibilidad deseada. Claramente, estos dos analitos requieren diseños de microfluidos muy diferentes, como podría esperarse por sus diferencias de 10 millones de veces (o más) en los objetivos analíticos.
Otro aspecto a considerar en el diseño de un dispositivo de microfluidos es la necesidad de mantener varios fluidos en movimiento como “babosas” a lo largo de los canales. Si el tamaño de los canales o cámaras en el dispositivo es demasiado pequeño o demasiado grande, las “babosas” pueden sufrir de segmentación. En dispositivos pasivos, eso significará la pérdida de acción capilar. En dispositivos bombeados activamente, un volumen de fluido incorrecto para el tamaño del canal puede provocar sobrepresión; esto puede conducir a fallas en el sellado de la capa y pérdida de reactivos.
Cámaras de microfluidos, uniones, clavijas, et. al.
Los canales en los dispositivos de microfluidos constituyen solo una parte de la geometría de un dispositivo. Otras características, como cámaras, uniones en T o Y, y clavijas son a veces necesarias para la funcionalidad deseada. Las cámaras pueden ser prellenadas con reactivos líquidos liofilizados. Las uniones se utilizan para introducir diferentes fluidos en la mezcla de reacción. Las clavijas se pueden fabricar en los canales para producir un flujo turbulento y la mezcla resultante de varios fluidos (por ejemplo, la muestra con reactivos) y a menudo se encuentran justo aguas abajo de las uniones.
Para introducir muestras y reactivos en el dispositivo, la comunicación con el “mundo exterior” es importante. Esto se logra mediante el uso de pozos en la superficie más grande del dispositivo o con dispositivos de conexión especializados (por ejemplo, Luers) en los bordes.
Consideraciones sobre la luz
Si la lectura de la señal del dispositivo implica la medición de fotones, se deben considerar las propiedades ópticas del dispositivo. La absorbancia (la medida de la atenuación) se utiliza habitualmente. La fluorescencia es más sensible, pero requiere introducir luz en el dispositivo y volver a salir en los ángulos apropiados tanto para la excitación como para la luz emitida para minimizar el ruido de fondo. La quimioluminiscencia es la tecnología de detección más sensible, pero la necesidad de activar reactivos agrega complejidad al diseño.
Si es necesario aumentar la señal, la amplificación es una forma de hacerlo. Dependiendo del volumen de muestra, es posible incorporar vías ópticas más largas en el diseño del dispositivo.
Integrar todas estas características de diseño en un todo coherente es un desafío.
Materiales de producción de microfluidos
Entre las muchas consideraciones inherentes al diseño de un dispositivo microfluídico, es fácil pasar por alto un componente central: el plástico y los otros materiales utilizados en el ensamblaje del dispositivo. Es mejor trabajar con proveedores que tengan experiencia en la producción de dispositivos de microfluidos y cumplan con los requisitos ISO para las materias primas utilizadas en la fabricación de los dispositivos.
Los proveedores de materias primas pueden realizar cambios menores en los componentes que los fabricantes de dispositivos utilizan en sus procesos. Por ejemplo, considere los agentes desmoldeantes utilizados en el moldeado por inyección. Un agente desmoldeante “mejor” puede acelerar los tiempos de ciclo del moldeador por inyección, lo que permite una producción más eficiente al costo potencial de una función alterada en el dispositivo. Tal cambio podría ocurrir y, sin un mantenimiento cuidadoso de registros, el desarrollador del dispositivo de microfluidos nunca sabría por qué el dispositivo de repente comenzó a comportarse de manera muy diferente a lo previsto.
Las especificaciones de materias primas entrantes son críticas para el desarrollo de cualquier método bioanalítico. Esto se aplica al dispositivo físico en sí; una parte puede parecer igual, pero puede no actuar igual. Solo las pruebas rigurosas contra componentes retenidos que han demostrado previamente ser funcionales pueden garantizar la funcionalidad y la continuidad.
Hay muchas entradas diferentes a considerar al diseñar y desarrollar un dispositivo de microfluidos, y trabajar con un socio experimentado puede acortar significativamente el recorrido del banco al mercado. Desarrollamos y fabricamos productos de diagnóstico y ciencias de la vida, incluidos IVD y diagnósticos complementarios. Podemos ayudarte a convertir rápidamente st tecnología en un producto comercial fácil de usar, rentable y clínicamente validado.
