Está projetando um dispositivo de bioanálise microfluídica? Estes são alguns fatores a considerar...
Dispositivos microfluidos (e seus primos, dispositivos nanofluidos e mesofluidos) são cada vez mais usados em uma impressionante variedade de aplicações bioanalíticas. Eles vão desde ensaios médicos in vitro familiares até ensaios para contaminantes ambientais, ameaças de biossegurança e diagnósticos alimentares.
Apesar das aplicações variadas, todos esses dispositivos compartilham um elemento comum: os fluidos devem ser movidos para e de vários locais dentro do dispositivo para funcionar.
Sistemas para movimentação de fluidos no dispositivo microfluídico
Existem duas estratégias básicas para mover fluidos em dispositivos microfluidos: "fluidos ativos" e "fluidos passivos". O método de fluidos ativos move fluidos usando componentes ativos (por exemplo, bombas e válvulas). O método de fluidos passivos depende de forças capilares para mover fluidos; ele pode ser aprimorado modificando as superfícies internas do dispositivo com tratamentos que aceleram ou retardam o fluxo de fluidos (veja abaixo).
Uma terceira estratégia intermediária é usar uma bomba centrífuga. Uma bomba centrífuga é um dispositivo que mistura elementos ativos e passivos; neste método, as propriedades da superfície e as características de design desempenham um papel maior do que apenas em um sistema baseado em bomba e válvula, mas ainda devem trabalhar em conjunto com a bomba centrífuga.
Design e Tratamento de Superfície
As propriedades da superfície dos canais fluidos de um dispositivo microfluido desempenham um papel significativo na determinação de como o fluido se move através deles.
Materiais de baixa energia da superfície são naturalmente hidrofóbicos (ou seja, repelem fluidos) e são melhor utilizados com elementos fluidos ativos, como bombas e válvulas. Exemplos de materiais de baixa energia da superfície incluem Teflon, poliestireno e polietileno.
Materiais de alta energia da superfície são naturalmente hidrofílicos (ou seja, atraem fluidos) e facilitam o movimento do fluido através da ação capilar. Nylon, poliésteres, poli-ídos, polivinilismos e polímeros acrílicos são exemplos de materiais de alta energia da superfície que podem ser usados para fabricar dispositivos que dependem do movimento fluido passivo.
As superfícies podem ser tratadas com reagentes gasosos ou líquidos para alterar suas afinidades para (ou contra) soluções aquosas. Por exemplo, detergentes são reagentes que contêm elementos hidrofóbicos e hidrofílicos; eles podem alterar as propriedades da superfície de um substrato polimérico. O sulfato de dodecil de sódio (SDS) é um exemplo clássico de detergente. Ele tem uma cauda lipofílica de doze carbonos presa a um grupo de sulfato altamente polar. Um dos prótons do sulfato foi substituído por um íon de sódio. Quando uma solução aquosa deste sal é exposta a uma superfície hidrofóbica, como o poliestireno, a cauda hidrofóbica interage com a superfície, conectando-se a ele. O grupo de sulfato polar na molécula agora oferece uma nova superfície, que é hidrofílica.
Dimensões do dispositivo microfluido
Em geral, os volumes de amostra e reagente que o dispositivo se destina a processar determina o tamanho dos canais e das câmaras do dispositivo. Há glicose suficiente em uma gota de sangue (aproximadamente 30uL), apenas uma fração desse volume é necessária para o ensaio. Por outro lado, um ensaio para o hormônio estimulante da tireoide (TSH) pode exigir 200uL de plasma (ou 400uL de sangue inteiro) para alcançar a sensibilidade desejada. Claramente, esses dois analitos requerem desenhos microfluidos muito diferentes, como seria de esperar por suas diferenças de 10 milhões de vezes (ou mais) em metas analíticas.
Outro aspecto a considerar no projeto de um dispositivo de microfluido é a necessidade de manter vários fluidos se movendo como "lesmas" ao longo dos canais. Se o tamanho dos canais ou câmaras no dispositivo for muito pequeno ou muito grande, as "lesmas" podem sofrer segmentação. Em dispositivos passivos, isso significará a perda de ação capilar. Em dispositivos ativamente bombeados, um volume de fluido incorreto para o tamanho do canal pode resultar em sobrepressão; isso pode levar à falha de vedação de camadas e à perda de reagentes.
Câmaras microfluídicas, junções, pinos e outros
Os canais em dispositivos microfluidos compõem apenas parte da geometria de um dispositivo. Outras características, como câmaras, junções T ou Y e pinos às vezes são necessários para a funcionalidade desejada. As câmaras podem ser preenchidas com reagentes líquidos, liofilizados ou congelados. As junções são usadas para introduzir diferentes fluidos na mistura de reação. Os pinos podem ser fabricados nos canais para produzir fluxo turbulento e mistura resultante de vários fluidos (por exemplo, a amostra com reagentes) e muitas vezes estão localizados apenas na jusante das junções.
Para introduzir amostras e reagentes no dispositivo, a comunicação com o "mundo exterior" é importante. Isso é realizado pelo uso de poços na superfície maior do dispositivo ou com luminárias de conexão especializadas (por exemplo, Luers) nas bordas.
Considerações de luz
Se a leitura do sinal do dispositivo envolver a medição de fótons, as propriedades ópticas do dispositivo devem ser consideradas. A absorção (a medição da atenuação) é usada regularmente. A fluorescência é mais sensível, mas requer colocar luz no dispositivo e voltar para fora em ângulos apropriados para excitação e luz emitida para minimizar o ruído de fundo. A quimioluminescência é a tecnologia de detecção mais sensível, mas a necessidade de acionar reagentes adiciona complexidade ao design.
Se o sinal precisa ser aumentado, a amplificação é uma maneira de fazê-lo. Dependendo do volume da amostra, é possível incorporar vias ópticas mais longas no design do dispositivo.
Integrar todos esses recursos de design em um todo coerente é um desafio.
Materiais de Produção Microfluídica
Entre as muitas considerações inerentes à concepção de um dispositivo microfluido, é fácil ignorar um componente central: o plástico e os outros materiais usados no conjunto do dispositivo. É melhor trabalhar com fornecedores experientes na produção de dispositivos microfluidos e atender aos requisitos ISO para as matérias-primas utilizadas na fabricação dos dispositivos.
Os fornecedores de matérias-primas podem fazer pequenas alterações nos componentes que os fabricantes de dispositivos usam em seus processos. Por exemplo, considere os agentes de liberação de mofo usados na moldagem por injeção. Um agente de liberação de mofo "melhor" pode acelerar os tempos de ciclo do molde de injeção, permitindo uma produção mais eficiente ao custo potencial da função alterada no dispositivo. Tal mudança poderia ocorrer, e sem um registro cuidadoso, o desenvolvedor de dispositivos microfluidos nunca saberá por que o dispositivo de repente começou a se comportar de uma maneira muito diferente do pretendido.
As especificações de matéria-prima de entrada são fundamentais para o desenvolvimento de qualquer método bioanalítico. Isso se aplica ao próprio dispositivo físico; uma peça pode parecer a mesma, mas pode não agir da mesma forma. Apenas testes rigorosos contra componentes retidos que foram mostrados anteriormente como funcionais podem garantir a funcionalidade e a continuidade.
Existem muitos insumos diferentes a considerar ao projetar e desenvolver um dispositivo microfluido e trabalhar com um parceiro experiente pode encurtar significativamente a jornada da criação para o mercado. Desenvolvemos e fabricamos produtos para as ciências da vida e diagnóstico, entre eles dispositivos de diagnóstico in vitro e de diagnósticos complementares. Ajudamos você a transformar rapidamente suas tecnologias em produtos comerciais fáceis de usar, econômicos e clinicamente validados.
