Como ensaios impactam o design microfluídico: design fluídico

Manuseio e medição do fluido do dispositivo microfluídico

Todos, exceto os dispositivos microfluídicos mais simples, fazem parte de um sistema que inclui o dispositivo, uma estação de base e reagentes. A estação de base geralmente inclui alguns grampos/alinhamento, sensores e interfaces fluídicas, seja detecção, bombeamento ou acionamento, incluindo a ativação de válvulas que regulam o fluxo de amostras e reagentes.

O dispositivo em si deve atender a muitas demandas simultaneamente. Ele deve ser capaz de aceitar a amostra a ser analisada, e às vezes o dispositivo deve tomar uma alíquota medida com precisão de uma amostra não medida. Remover a necessidade de medir com precisão a alíquota longe do usuário e automatizar essa etapa ajuda a reduzir o nível de conhecimento especializado e treinamento necessários pelo usuário. Essa simplificação, por sua vez, aumenta a probabilidade de que o sistema se qualifique para uma isenção à Lei de Melhoria Laboratorial Clínica (CLIA), que expande consideravelmente o mercado potencial para o sistema.

Faz sentido econômico colocar elementos caros controlados por computador na estação de base para que esses custos possam ser amortizados em muitos dispositivos. Isso ajuda a manter o custo do dispositivo descartável o mais baixo possível. Quando os volumes de reagentes são grandes, reagentes comuns, como tampões de ensaio, tampões de lavagem e diluentes podem ser armazenados na estação de base para uso do dispositivo. Isso libera espaço no dispositivo e pode simplificar seu design.

Movimentação de fluidos no dispositivo microfluídico

Um sistema microfluídico deve ter a capacidade de mover fluidos (incluindo a amostra) no dispositivo. No sistema mais básico, isso pode ser feito com ação capilar e fluxo "passivo". No entanto, a maioria dos sistemas tem algum tipo de bomba. As bombas de ar têm sido usadas para empurrar fluidos através de dispositivos, mas uma alternativa comum é usar uma bomba peristáltica integrada para mover fluidos (como tampões de ensaio) ao redor. Microfluídicos digitais usam "interruptores" eletrônicos para alterar a tensão superficial ou propriedades magnéticas de uma região dentro de uma grade definida; ligando e desligando os interruptores vizinhos, os fluidos podem ser movidos conforme necessário.

Recursos de manuseio de fluidos de dispositivos microfluídicos

Câmaras
Câmaras são características de cartucho que têm designs específicos críticos para a etapa específica do processo de ensaio. Isso pode incluir mistura, aliquotagem, extração/lise, amplificação, detecção, armazenamento de reagentes secos, e assim por diante. Esses designs dependem de muitos fatores, como propriedades fluidas, parâmetros de processo e especificações de desempenho. Como tal, existem muitas maneiras de resolver o mesmo problema do processo de ensaio.

Por exemplo, vários hormônios estão firmemente ligados às suas proteínas portadoras em soro ou plasma, e agentes químicos específicos são necessários para liberar esses analitos para que possam ser medidos. Como os agentes de liberação variam de hormônio para hormônio, faz sentido colocá-los em dispositivos individuais. Câmaras são criadas no dispositivo para segurar esses reagentes. Alguns estão em forma líquida, mas uma esfera congelada de reagente também pode ser colocada na câmara para posterior reconstituição.

Armazenamento de reagentes líquidos
Os recipientes de armazenamento de reagentes líquidos têm suas próprias necessidades devido à potencial perda de água. Os reagentes líquidos são frequentemente colocados em recipientes (bolha de papel alumínio ou plástico com tampa) que são soldadas ao dispositivo. Bolhas de papel alumínio são altamente desejáveis devido aos requisitos de validade e variabilidade de concentração, e alguns plásticos termoformados têm grandes propriedades de barreira de vapor de água.

Canais
Os fluidos geralmente se movem através do dispositivo microfluídico entre câmaras e recipientes de armazenamento através de canais. Os tamanhos dos canais devem ser cuidadosamente projetados para tornar o dispositivo funcional. Canais muito pequenos criarão contrapressão que requer bombas maiores e mais caras. Estas bombas podem comprometer a integridade das vedações no dispositivo. Se os canais forem muito grandes, podem formar-se vazios e bolhas que interferem com as reações analíticas e as leituras de sinal.

Um bom ponto de partida para determinar o tamanho do canal é o tamanho da amostra necessário para a análise. Alguns analitos de baixa concentração podem exigir amostras analíticas de 100 uL ou mais. Adicione os outros reagentes à reação, e o resultado é o tamanho da porção de líquido que deve ser manipulada. Os volumes podem ser convertidos em dimensões de comprimento, largura e altura com geometria simples.

Para que os líquidos fluam, os canais e câmaras (veja abaixo) precisam ser cobertos. Isso é feito adicionando uma filme de cobertura sobre a parte superior do dispositivo depois que os reagentes integrados foram adicionados. Às vezes, o filme é vedado ao dispositivo com um adesivo, mas soldagem ultrassônica, soldagem a laser ou equipotencialização térmica também são comumente usadas.

Válvulas
Uma das reais vantagens dos dispositivos microfluídicos é a capacidade de controlar o fluxo de líquidos com válvulas. Com válvulas, os fluxos de reagentes podem ser direcionados para onde e quando são necessários.

Por exemplo, considere um dispositivo microfluídico que usa um ensaio imunológico para medir troponina (um marcador de ataque cardíaco) e usa quimioluminescência de brilho como o produto químico de leitura. A amostra de sangue integral é adicionada ao dispositivo, filtrada por plasma e bombeada sobre o anticorpo de captura que foi imobilizado dentro do dispositivo durante a fabricação. A sensibilidade é melhorada lavando o analito capturado, continuando a bombear o ensaio ou lavar o tampão após a zona de captura. No momento oportuno, as válvulas atuam para conectar uma câmara previamente fechada contendo o reagente detector. O fluxo é retomado e carrega o reagente detector para o analito capturado, e o reagente detector não redigido é lavado minimizando o ruído de fundo e melhorando a sensibilidade.

A única maneira em que essa sequência de reações pode ocorrer é com controle cuidadoso dos fluxos dos vários reagentes. Se todos os reagentes fossem misturados sem sequenciamento, o resultado seria uma tremenda quantidade de luz sendo gerada independentemente da quantidade de troponina na amostra sem diferenciação entre pacientes com ataques cardíacos e pacientes saudáveis com indigestão.

Existem vários tipos de válvulas que podem ser empregadas em dispositivos microfluídicos. O tipo exato de válvula mais adequada para uma determinada aplicação deve ser discutido com profissionais experientes.

Propriedades Ópticas
Se a leitura for baseada em luz, o dispositivo deve atender às suas propriedades ópticas. Isso significa que o material deve atender à transparência do comprimento de onda para os métodos necessários. Fluorescência e quimioluminescência são duas químicas comuns do detector usadas em dispositivos microfluídicos.

Para que a fluorescência ou a quimioluminescência funcionem corretamente, os caminhos de luz devem ser controlados. Se as propriedades ópticas diferem de dispositivo para dispositivo, será quase impossível dizer se um sinal alterado é devido a variações na concentração de analitos ou simplesmente devido à perda de luz.

Armazenamento de resíduos de fluidos
Finalmente, há a exigência de armazenamento integrado de resíduos para todos os reagentes em processo. Uma vez que as amostras humanas sempre carregam o risco de contaminação com patógenos, isso exige uma captura e contenção deste resíduo para o descarte adequado. A melhor maneira de fazer isso é manter todos os fluidos que encontraram a amostra potencialmente infecciosa totalmente contida dentro do dispositivo, que é então descartada pelo usuário. Para proteção adicional, uma esponja absorvível ou uma câmara vedada pode ser a melhor maneira de garantir que nada escape.

Conclusão

Agora, deve estar claro que construir um dispositivo microfluídico é um esforço de equipe. A entrada é necessária do ponto de vista do reagente, os especialistas em design do dispositivo, o fabricante do dispositivo, os engenheiros da estação de base e a equipe de software para fazer um dispositivo fabricado.

Se sua organização já tem essa equipe, eles ainda podem se beneficiar das discussões conosco. Discussões entre grupos de profissionais experientes frequentemente resultam em fertilização cruzada e melhores resultados. Se sua organização não tem uma equipe assim, somos um ótimo lugar para começar.