Microfluídica - Microfluidics

A microfluídica se refere ao comportamento, controle preciso e manipulação de fluidos que são geometricamente restritos a uma escala pequena (normalmente submilímetro) na qual as forças de superfície dominam as forças volumétricas. É um campo multidisciplinar que envolve engenharia , física , química , bioquímica , nanotecnologia e biotecnologia . Ele tem aplicações práticas no projeto de sistemas que processam baixos volumes de fluidos para obter multiplexação , automação e triagem de alto rendimento . A microfluídica surgiu no início da década de 1980 e é usada no desenvolvimento de cabeças de impressão a jato de tinta , chips de DNA , tecnologia lab-on-a-chip , micropropulsão e tecnologias microtérmicas.

Normalmente, micro significa um dos seguintes recursos:

• Volumes pequenos (μL, nL, pL, fL)
• Tamanho pequeno
• Baixo consumo de energia
• Efeitos de microdomínio

Normalmente, os sistemas microfluídicos transportam, misturam, separam ou de outra forma processam fluidos. Várias aplicações dependem do controle passivo de fluido usando forças capilares , na forma de elementos modificadores de fluxo capilar, semelhantes aos resistores de fluxo e aceleradores de fluxo. Em algumas aplicações, meios de atuação externos são usados ​​adicionalmente para um transporte direcionado da mídia. Exemplos são acionamentos rotativos que aplicam forças centrífugas para o transporte de fluido nos cavacos passivos. Microfluídica ativa refere-se à manipulação definida do fluido de trabalho por (micro) componentes ativos, como microbombas ou microválvulas . As microbombas fornecem fluidos de forma contínua ou são utilizadas para doseamento. Microválvulas determinam a direção do fluxo ou o modo de movimento dos líquidos bombeados. Freqüentemente, os processos normalmente realizados em um laboratório são miniaturizados em um único chip, o que aumenta a eficiência e a mobilidade e reduz os volumes de amostra e reagente.

Comportamento em microescala de fluidos

Dispositivos microfluídicos de vidro e borracha de silicone. Acima: uma fotografia dos dispositivos. Embaixo: Micrografias de contraste de fase de um canal em serpentina com aproximadamente 15 μm de largura.

O comportamento dos fluidos em microescala pode diferir do comportamento "macrofluídico" em que fatores como tensão superficial , dissipação de energia e resistência fluídica começam a dominar o sistema. A microfluídica estuda como esses comportamentos mudam e como podem ser contornados ou explorados para novos usos.

Em pequenas escalas (tamanho do canal de cerca de 100 nanômetros a 500 micrômetros ), algumas propriedades interessantes e às vezes não intuitivas aparecem. Em particular, o número de Reynolds (que compara o efeito do momento de um fluido com o efeito da viscosidade ) pode se tornar muito baixo. Uma consequência importante é que os fluidos co-fluidos não necessariamente se misturam no sentido tradicional, pois o fluxo se torna laminar em vez de turbulento ; o transporte molecular entre eles deve freqüentemente ser por difusão .

A alta especificidade das propriedades químicas e físicas (concentração, pH, temperatura, força de cisalhamento, etc.) também pode ser garantida, resultando em condições de reação mais uniformes e produtos de maior grau em reações de uma e várias etapas.

Vários tipos de fluxos microfluídicos

Os fluxos microfluídicos precisam apenas ser restringidos pela escala de comprimento geométrica - as modalidades e métodos usados ​​para alcançar tal restrição geométrica são altamente dependentes da aplicação alvo. Tradicionalmente, os fluxos microfluídicos foram gerados dentro de canais fechados com a seção transversal do canal sendo da ordem de 10 μm x 10 μm. Cada um desses métodos tem suas próprias técnicas associadas para manter um fluxo de fluido robusto que amadureceu ao longo de vários anos.

Microfluídica aberta

O comportamento de fluidos e seu controle em microcanais abertos foi pioneiro por volta de 2005 e aplicado na coleta de amostras ar-líquido e cromatografia. Na microfluídica aberta , pelo menos um limite do sistema é removido, expondo o fluido ao ar ou outra interface (ou seja, líquido). As vantagens da microfluídica aberta incluem acessibilidade ao líquido que flui para intervenção, maior área de superfície de gás líquido e formação de bolhas minimizada. Outra vantagem da microfluídica aberta é a capacidade de integrar sistemas abertos com fluxo de fluido acionado por tensão superficial, o que elimina a necessidade de métodos de bombeamento externo, como bombas peristálticas ou de seringa. Dispositivos microfluídicos abertos também são fáceis e baratos de fabricar por fresagem, termoformação e estampagem a quente. Além disso, a microfluídica aberta elimina a necessidade de colar ou colar uma capa para dispositivos, o que pode ser prejudicial para os fluxos capilares. Exemplos de microfluídica aberta incluem microfluídica de canal aberto, microfluídica baseada em trilhos, microfluídica baseada em papel e microfluídica baseada em fio. As desvantagens dos sistemas abertos incluem suscetibilidade à evaporação, contaminação e taxa de fluxo limitada.

Microfluídica de fluxo contínuo

Os microfluídicos de fluxo contínuo dependem do controle de um fluxo de líquido em estado estacionário através de canais estreitos ou meios porosos predominantemente acelerando ou impedindo o fluxo de fluido em elementos capilares. Na microfluídica baseada em papel, os elementos capilares podem ser obtidos por meio da simples variação da geometria da seção. Em geral, a atuação do fluxo de líquido é implementada por fontes externas de pressão , bombas mecânicas externas , microbombas mecânicas integradas ou por combinações de forças capilares e mecanismos eletrocinéticos . A operação microfluídica de fluxo contínuo é a abordagem principal porque é fácil de implementar e menos sensível a problemas de incrustação de proteínas. Dispositivos de fluxo contínuo são adequados para muitas aplicações bioquímicas bem definidas e simples e para certas tarefas, como separação química, mas são menos adequados para tarefas que requerem um alto grau de flexibilidade ou manipulação de fluidos. Esses sistemas de canal fechado são inerentemente difíceis de integrar e escalar porque os parâmetros que governam o campo de fluxo variam ao longo do caminho de fluxo, tornando o fluxo de fluido em qualquer local dependente das propriedades de todo o sistema. Microestruturas gravadas permanentemente também levam a uma reconfigurabilidade limitada e baixa capacidade de tolerância a falhas. Abordagens de automação de projeto auxiliado por computador para microfluídica de fluxo contínuo têm sido propostas nos últimos anos para aliviar o esforço de projeto e resolver os problemas de escalabilidade.

micro sensor de fluido

Os recursos de monitoramento de processo em sistemas de fluxo contínuo podem ser obtidos com sensores de fluxo microfluídico altamente sensíveis baseados na tecnologia MEMS , que oferece resoluções até a faixa de nanolitros.

Microfluídica baseada em gotículas

Tocar mídia

Vídeo de alta taxa de quadros mostrando a formação de compressão de microbolhas em um dispositivo microfluídico de foco de fluxo

A microfluídica baseada em gotículas é uma subcategoria da microfluídica em contraste com a microfluídica contínua; a microfluídica baseada em gotículas manipula volumes discretos de fluidos em fases imiscíveis com baixo número de Reynolds e regimes de fluxo laminar. O interesse em sistemas microfluídicos baseados em gotículas tem crescido substancialmente nas últimas décadas. As microgotículas permitem o manuseio de volumes em miniatura (μl a fl) de fluidos de maneira conveniente, fornecem melhor mistura, encapsulamento, classificação e detecção e se adaptam a experimentos de alto rendimento. Explorar os benefícios da microfluídica baseada em gotículas de forma eficiente requer um profundo conhecimento da geração de gotículas para realizar várias operações lógicas, como movimento da gotícula, classificação de gotículas, fusão de gotículas e separação de gotículas.

Microfluídica digital

Alternativas para os sistemas de fluxo contínuo de canal fechado acima incluem novas estruturas abertas, onde gotículas discretas e controláveis ​​de forma independente são manipuladas em um substrato usando eletrowetting . Seguindo a analogia da microeletrônica digital, essa abordagem é conhecida como microfluídica digital . Le Pesant et al. foi pioneira no uso de forças eletrocapilares para mover gotas em uma trilha digital. O "transistor de fluido" pioneiro da Cytonix também desempenhou um papel. A tecnologia foi posteriormente comercializada pela Duke University. Ao usar gotículas de unidade de volume discretas, uma função microfluídica pode ser reduzida a um conjunto de operações básicas repetidas, ou seja, mover uma unidade de fluido ao longo de uma unidade de distância. Este método de "digitalização" facilita o uso de uma abordagem hierárquica e baseada em células para o projeto de biochip microfluídico. Portanto, a microfluídica digital oferece uma arquitetura de sistema flexível e escalável, bem como alta capacidade de tolerância a falhas . Além disso, como cada gota pode ser controlada de forma independente, esses sistemas também têm reconfigurabilidade dinâmica, em que grupos de células unitárias em uma matriz microfluídica podem ser reconfigurados para alterar sua funcionalidade durante a execução simultânea de um conjunto de bioensaios. Embora as gotículas sejam manipuladas em canais microfluídicos confinados, uma vez que o controle sobre as gotículas não é independente, não deve ser confundido como "microfluídica digital". Um método de atuação comum para microfluídica digital é eletrowetting -on-dielectric ( EWOD ). Muitas aplicações lab-on-a-chip foram demonstradas dentro do paradigma da microfluídica digital usando eletrowetting. No entanto, recentemente outras técnicas para manipulação de gotículas também foram demonstradas usando força magnética, ondas acústicas de superfície , optoeletrowetting , acionamento mecânico, etc.

Microfluídica baseada em papel

Dispositivos microfluídicos baseados em papel preenchem um nicho crescente de sistemas de diagnóstico médico portáteis, baratos e fáceis de usar. A microfluídica baseada em papel depende do fenômeno da penetração capilar em meios porosos. Para ajustar a penetração de fluido em substratos porosos, como papel em duas e três dimensões, a estrutura de poros, molhabilidade e geometria dos dispositivos microfluídicos podem ser controlados enquanto a viscosidade e a taxa de evaporação do líquido desempenham um papel significativo adicional. Muitos desses dispositivos apresentam barreiras hidrofóbicas em papel hidrofílico que transportam passivamente soluções aquosas para saídas onde ocorrem as reações biológicas. As aplicações atuais incluem detecção portátil de glicose e testes ambientais, com a esperança de alcançar áreas que carecem de ferramentas avançadas de diagnóstico médico.

Microfluídica de detecção de partículas

Uma área de aplicação que tem visto um esforço acadêmico significativo e algum esforço comercial é a área de detecção de partículas em fluidos. A detecção de partículas de pequenas partículas transportadas por fluido até cerca de 1 μm de diâmetro é normalmente feita usando um contador Coulter , no qual os sinais elétricos são gerados quando um fluido fracamente condutor, como em água salina, passa por um pequeno (~ 100 μm de diâmetro ) poro, de modo que um sinal elétrico é gerado que é diretamente proporcional à razão entre o volume da partícula e o volume do poro. A física por trás disso é relativamente simples, descrita em um artigo clássico de DeBlois e Bean, e a implementação descrita pela primeira vez na patente original de Coulter. Este é o método usado para, por exemplo, dimensionar e contar eritrócitos (glóbulos vermelhos [wiki]), bem como leucócitos ( glóbulos brancos ) para análises de sangue padrão. O termo genérico para este método é detecção de pulso resistivo (RPS); A contagem de Coulter é um termo de marca registrada. No entanto, o método RPS não funciona bem para partículas abaixo de 1 μm de diâmetro, uma vez que a relação sinal-ruído cai abaixo do limite detectável de forma confiável, definido principalmente pelo tamanho do poro no qual o analito passa e o ruído de entrada do amplificador de primeiro estágio .

O limite do tamanho dos poros nos contadores RPS Coulter tradicionais é definido pelo método usado para fazer os poros, que, embora seja um segredo comercial, muito provavelmente usa métodos mecânicos tradicionais. É aqui que a microfluídica pode ter um impacto: a produção baseada em litografia de dispositivos microfluídicos, ou mais provavelmente a produção de moldes reutilizáveis ​​para fazer dispositivos microfluídicos usando um processo de moldagem , é limitada a tamanhos muito menores do que a usinagem tradicional . Dimensões críticas de até 1 µm são facilmente fabricadas e, com um pouco mais de esforço e despesa, tamanhos de recursos abaixo de 100 nm também podem ser padronizados de forma confiável. Isso permite a produção barata de poros integrados em um circuito microfluídico onde os diâmetros dos poros podem atingir tamanhos da ordem de 100 nm, com uma redução concomitante nos diâmetros mínimos das partículas em várias ordens de magnitude.

Como resultado, tem havido algum desenvolvimento baseado em universidades de contagem e dimensionamento de partículas microfluídicas com a comercialização de acompanhamento desta tecnologia. Este método foi denominado detecção de pulso resistivo microfluídico (MRPS).

Magnetoforese assistida por microfluidos

Uma das principais áreas de aplicação de dispositivos microfluídicos é a separação e classificação de diferentes fluidos ou tipos de células. Desenvolvimentos recentes no campo da microfluídica viram a integração de dispositivos microfluídicos com a magnetoforese : a migração de partículas por um campo magnético . Isso pode ser realizado enviando um fluido contendo pelo menos um componente magnético através de um canal microfluídico que tem um ímã posicionado ao longo do comprimento do canal. Isso cria um campo magnético dentro do canal microfluídico que atrai substâncias magneticamente ativas em sua direção, separando efetivamente os componentes magnéticos e não magnéticos do fluido. Esta técnica pode ser prontamente utilizada em ambientes industriais onde o fluido em questão já contém material magneticamente ativo. Por exemplo, um punhado de impurezas metálicas pode entrar em certos líquidos consumíveis, ou seja, leite e outros produtos lácteos . Convenientemente, no caso do leite, muitos desses contaminantes metálicos exibem paramagnetismo . Portanto, antes da embalagem, o leite pode fluir por canais com gradientes magnéticos como meio de purificar os contaminantes metálicos.

Outras aplicações mais orientadas para a pesquisa de magnetoforese assistida por microfluídicos são numerosas e geralmente são direcionadas para a separação de células . A maneira geral como isso é feito envolve várias etapas. Primeiro, uma substância paramagnética (geralmente micro / nanopartículas ou um fluido paramagnético ) precisa ser funcionalizada para atingir o tipo de célula de interesse. Isso pode ser realizado identificando uma proteína transmembranal única para o tipo de célula de interesse e, subsequentemente, funcionalizando as partículas magnéticas com o antígeno ou anticorpo complementar . Uma vez que as partículas magnéticas são funcionalizadas, elas são dispersas em uma mistura de células onde se ligam apenas às células de interesse. A mistura de células / partículas resultante pode, então, fluir através de um dispositivo microfluídico com um campo magnético para separar as células-alvo do resto.

Por outro lado, a magnetoforese assistida por microfluídica pode ser usada para facilitar a mistura eficiente dentro de microgotículas ou plugues. Para isso, as microgotículas são injetadas com nanopartículas paramagnéticas e fluem através de um canal reto que passa por campos magnéticos alternados rapidamente. Isso faz com que as partículas magnéticas sejam rapidamente empurradas de um lado para o outro dentro da gota e resulta na mistura do conteúdo das microgotículas. Isso elimina a necessidade de considerações de engenharia tediosas que são necessárias para a mistura de gotículas tradicional baseada em canal. Outra pesquisa também mostrou que a separação livre de marcadores de células pode ser possível suspendendo as células em um fluido paramagnético e aproveitando o efeito magneto-Arquimedes. Embora isso elimine a complexidade da funcionalização de partículas, mais pesquisas são necessárias para entender completamente o fenômeno magneto-Arquimedes e como ele pode ser usado para esse fim. Esta não é uma lista exaustiva das várias aplicações da magnetoforese assistida por microfluídicos; os exemplos acima apenas destacam a versatilidade desta técnica de separação em aplicações atuais e futuras.

Principais áreas de aplicação

Estruturas microfluídicas incluem sistemas micropneumáticos, ou seja, microssistemas para o manuseio de fluidos fora do chip (bombas de líquido, válvulas de gás, etc.) e estruturas microfluídicas para o manuseio on-chip de volumes de nanolitros (nl) e picolitros (pl). Até o momento, a aplicação comercial de microfluídica de maior sucesso é a cabeça de impressão a jato de tinta . Além disso, os avanços da fabricação microfluídica significam que os fabricantes podem produzir os dispositivos em plásticos de baixo custo e verificar automaticamente a qualidade das peças.

Os avanços na tecnologia microfluídica estão revolucionando os procedimentos de biologia molecular para análise enzimática (por exemplo, testes de glicose e lactato ), análise de DNA (por exemplo, reação em cadeia da polimerase e sequenciamento de alto rendimento ), proteômica e em síntese química. A ideia básica dos biochips microfluídicos é integrar operações de ensaio , como detecção, bem como pré-tratamento e preparação de amostras em um chip.

Uma área de aplicação emergente para biochips é a patologia clínica , especialmente o diagnóstico imediato de doenças no local de atendimento . Além disso, dispositivos baseados em microfluídica, capazes de amostragem contínua e teste em tempo real de amostras de ar / água para toxinas bioquímicas e outros patógenos perigosos , podem servir como um "alarme de bio-fumaça" sempre ligado para aviso prévio.

A tecnologia microfluídica levou à criação de ferramentas poderosas para os biólogos controlarem o ambiente celular completo, levando a novas questões e descobertas. Muitas vantagens diversas desta tecnologia para a microbiologia estão listadas abaixo:

• Estudos gerais de uma única célula, incluindo crescimento
• Envelhecimento celular: dispositivos microfluídicos como a "máquina-mãe" permitem rastrear milhares de células individuais por muitas gerações até que morram.
• Controle microambiental: variando do ambiente mecânico ao ambiente químico
• Gradientes de concentração espaço-temporais precisos ao incorporar múltiplas entradas químicas em um único dispositivo
• Medições de força de células aderentes ou cromossomos confinados: objetos presos em um dispositivo microfluídico podem ser manipulados diretamente usando pinças ópticas ou outros métodos de geração de força
• Confinar células e exercer forças controladas por meio do acoplamento a métodos externos de geração de força, como fluxo de Stokes , pinça óptica ou deformação controlada do dispositivo PDMS ( polidimetilsiloxano )
• Integração de campo elétrico
• Plante em um chip e cultura de tecido vegetal
• Resistência a antibióticos: dispositivos microfluídicos podem ser usados ​​como ambientes heterogêneos para microorganismos. Em um ambiente heterogêneo, é mais fácil para um microrganismo evoluir. Isso pode ser útil para testar a aceleração da evolução de um microrganismo / para testar o desenvolvimento de resistência a antibióticos.

Algumas dessas áreas são mais elaboradas nas seções abaixo:

Chips de DNA (microarrays)

Os primeiros biochips foram baseados na ideia de um microarray de DNA , por exemplo, o GeneChip DNAarray da Affymetrix , que é um pedaço de vidro, plástico ou substrato de silicone, no qual pedaços de DNA (sondas) são afixados em um arranjo microscópico. Semelhante a um microarray de DNA , um array de proteínas é um array em miniatura onde uma infinidade de diferentes agentes de captura, mais frequentemente anticorpos monoclonais , são depositados na superfície de um chip; eles são usados ​​para determinar a presença e / ou quantidade de proteínas em amostras biológicas, por exemplo, sangue . Uma desvantagem dos arranjos de DNA e proteínas é que eles não são reconfiguráveis ​​nem escalonáveis após a fabricação. A microfluídica digital tem sido descrita como um meio para a realização de PCR digital .

Biologia molecular

Além de microarrays, biochips foram projetados para eletroforese bidimensional , análise de transcriptoma e amplificação por PCR . Outras aplicações incluem várias aplicações de eletroforese e cromatografia líquida para proteínas e DNA , separação de células, em particular, separação de células sanguíneas, análise de proteínas, manipulação e análise de células, incluindo análise de viabilidade celular e captura de microorganismos .

Biologia evolucionária

Ao combinar microfluídica com ecologia de paisagem e nanofluídica , uma paisagem fluídica nano / micro fabricada pode ser construída através da construção de manchas locais de habitat bacteriano e conectando-as por corredores de dispersão. As paisagens resultantes podem ser usadas como implementações físicas de uma paisagem adaptativa , gerando um mosaico espacial de manchas de oportunidade distribuídas no espaço e no tempo. A natureza irregular dessas paisagens fluídicas permite o estudo da adaptação de células bacterianas em um sistema metapopulacional . A ecologia evolutiva desses sistemas bacterianos nesses ecossistemas sintéticos permite o uso da biofísica para tratar de questões em biologia evolutiva .

Comportamento celular

A capacidade de criar gradientes quimioatrativos precisos e cuidadosamente controlados torna a microfluídica a ferramenta ideal para estudar a motilidade, a quimiotaxia e a capacidade de evoluir / desenvolver resistência a antibióticos em pequenas populações de microrganismos e em um curto período de tempo. Esses microrganismos incluem bactérias e a ampla gama de organismos que formam a alça microbiana marinha , responsáveis ​​por regular grande parte da biogeoquímica dos oceanos.

A microfluídica também ajudou muito o estudo da durotaxia , facilitando a criação de gradientes durotáticos (rigidez).

Biofísica celular

Ao retificar o movimento das bactérias nadadoras individuais, as estruturas microfluídicas podem ser usadas para extrair o movimento mecânico de uma população de células bacterianas móveis. Dessa forma, rotores movidos a bactérias podem ser construídos.

Óptica

A fusão de microfluídica e óptica é típica conhecida como optofluídica . Exemplos de dispositivos optofluídicos são matrizes de microlentes ajustáveis ​​e microscópios optofluídicos.

O fluxo microfluídico permite um rápido processamento de amostras, imagens automatizadas de grandes populações de amostras, bem como recursos 3D. ou superresolução.

Cromatografia líquida de alto desempenho (HPLC)

HPLC no campo da microfluídica vem em duas formas diferentes. Os primeiros projetos incluíam a passagem do líquido através da coluna de HPLC, em seguida, a transferência do líquido eluído para chips microfluídicos e anexar colunas de HPLC ao chip microfluídico diretamente. Os primeiros métodos tinham a vantagem de ser mais fácil de detectar em certas máquinas, como as que medem a fluorescência. Projetos mais recentes integraram totalmente colunas de HPLC em chips microfluídicos. A principal vantagem de integrar colunas de HPLC em dispositivos microfluídicos é o fator de forma menor que pode ser alcançado, o que permite que recursos adicionais sejam combinados em um chip microfluídico. Os chips integrados também podem ser fabricados a partir de vários materiais diferentes, incluindo vidro e poliimida, que são bastante diferentes do material padrão do PDMS usado em muitos dispositivos microfluídicos baseados em gotículas. Este é um recurso importante porque diferentes aplicações de chips microfluídicos de HPLC podem exigir diferentes pressões. PDMS falha em comparação para usos de alta pressão em comparação com vidro e poliimida. A alta versatilidade da integração de HPLC garante robustez, evitando conexões e encaixes entre a coluna e o chip. A capacidade de construir esses projetos no futuro permite que o campo da microfluídica continue a expandir suas aplicações potenciais.

As aplicações potenciais em torno das colunas HPLC integradas em dispositivos microfluídicos se mostraram expansivas nos últimos 10-15 anos. A integração dessas colunas permite a realização de experimentos onde os materiais são de baixa disponibilidade ou muito caros, como na análise biológica de proteínas. Essa redução nos volumes de reagentes permite novos experimentos, como a análise de proteínas de uma única célula, que, devido às limitações de tamanho dos dispositivos anteriores, vinham com grande dificuldade. O acoplamento de dispositivos de chip de HPLC com outros métodos de espectrometria, como espectrometria de massa, permite maior confiança na identificação de espécies desejadas, como proteínas. Os chips microfluídicos também foram criados com linhas de atraso internas que permitem a geração de gradiente para melhorar ainda mais a HPLC, o que pode reduzir a necessidade de separações adicionais. Algumas outras aplicações práticas de chips de HPLC integrados incluem a determinação da presença de drogas em uma pessoa por meio de seu cabelo e a marcação de peptídeos por meio de cromatografia líquida de fase reversa.

Ejeção de gota acústica (ADE)

A ejeção acústica de gotículas usa um pulso de ultrassom para mover baixos volumes de fluidos (normalmente nanolitros ou picolitros) sem qualquer contato físico. Esta tecnologia concentra a energia acústica em uma amostra de fluido para ejetar gotículas tão pequenas quanto um milionésimo de um milionésimo de um litro (picolitro = ^10-12 litros). A tecnologia ADE é um processo muito suave e pode ser usada para transferir proteínas, DNA de alto peso molecular e células vivas sem danos ou perda de viabilidade. Esse recurso torna a tecnologia adequada para uma ampla variedade de aplicações, incluindo proteômica e ensaios baseados em células.

Células de combustível

As células a combustível microfluídicas podem usar fluxo laminar para separar o combustível e seu oxidante para controlar a interação dos dois fluidos sem a barreira física que as células a combustível convencionais exigem.

Astrobiologia

Para compreender as perspectivas de existência de vida em outras partes do universo, os astrobiólogos estão interessados ​​em medir a composição química dos corpos extraplanetários. Devido ao seu tamanho pequeno e ampla funcionalidade, os dispositivos microfluídicos são adequados exclusivamente para essas análises de amostras remotas. A partir de uma amostra extraterrestre, o conteúdo orgânico pode ser avaliado usando eletroforese capilar de microchip e corantes fluorescentes seletivos. Esses dispositivos são capazes de detectar aminoácidos , peptídeos , ácidos graxos e aldeídos simples , cetonas e tióis . Essas análises combinadas podem permitir a detecção poderosa dos principais componentes da vida e, esperançosamente, informar nossa busca por vida extraterrestre em funcionamento.

Direções futuras

Microfluídicos para tratamento de câncer personalizado

O tratamento personalizado do câncer é um método ajustado com base no diagnóstico e histórico do paciente. A tecnologia microfluídica oferece detecção sensível com maior rendimento, bem como tempo e custos reduzidos. Para o tratamento personalizado do câncer, a composição do tumor e a sensibilidade aos medicamentos são muito importantes.

A resposta do paciente ao medicamento pode ser prevista com base no status dos biomarcadores , ou a gravidade e a progressão da doença podem ser previstas com base na presença atípica de células específicas. Gota - qPCR é uma tecnologia microfluídica de gotículas na qual as gotículas são transportadas em um capilar reutilizável e fluem alternadamente por duas áreas mantidas em diferentes temperaturas constantes e detecção de fluorescência. Pode ser eficiente com baixo risco de contaminação para detectar Her2 . Um método de PCR digital baseado em gotículas pode ser usado para detectar as mutações KRAS com sondas TaqMan , para aumentar a detecção da proporção do gene mutativo. Além disso, a previsão precisa da progressão da doença pós-operatória em pacientes com câncer de mama  ou de próstata é essencial para determinar o tratamento pós-operatório. Uma câmara microfluídica simples, revestida com uma mistura de matriz extracelular cuidadosamente formulada. é usado para células obtidas a partir de biópsia de tumor após 72 horas de crescimento e uma avaliação completa das células por imagem.

A microfluídica também é adequada para células tumorais circulantes (CTCs) e análises de biópsia líquida não CTCs . Os grânulos se conjugam com os anticorpos da molécula de adesão de células anti- epiteliais (EpCAM) para a seleção positiva no chip de isolamento de CTCs (iCHIP) . CTCs também podem ser detectados usando a acidificação do microambiente tumoral e a diferença na capacitância da membrana. As CTCs são isoladas do sangue por um dispositivo microfluídico e são cultivadas no chip , o que pode ser um método para capturar mais informações biológicas em uma única análise. Por exemplo, pode ser usado para testar a taxa de sobrevivência celular de 40 drogas ou combinações de drogas diferentes. Vesículas extracelulares derivadas de tumor podem ser isoladas da urina e detectadas por um dispositivo microfluídico de dupla filtração integrado; eles também podem ser isolados do sangue e detectados pelo método de detecção eletroquímica com um ensaio enzimático de amplificação de dois níveis .

Os materiais tumorais podem ser usados ​​diretamente para detecção por meio de dispositivos microfluídicos. Para pesquisar drogas em células primárias , muitas vezes é necessário distinguir as células cancerosas das não cancerosas. Um chip microfluídico com base na capacidade das células de passar pequenas constrições pode classificar os tipos de células, metástases . Dispositivos microfluídicos baseados em gotículas têm o potencial de rastrear diferentes drogas ou combinações de drogas, diretamente na amostra de tumor primário com alta precisão. Para melhorar essa estratégia, o programa microfluídico com uma forma sequencial de coquetéis de drogas, juntamente com códigos de barras fluorescentes, é mais eficiente. Outra estratégia avançada é detectar taxas de crescimento de células únicas usando ressonadores de microcanais suspensos, que podem prever a sensibilidade a drogas de CTCs raras .

Dispositivos de microfluídica também podem simular o microambiente tumoral , para ajudar a testar drogas anticâncer. Dispositivos microfluídicos com culturas de células 2D ou 3D podem ser usados ​​para analisar esferóides para diferentes sistemas de câncer (como câncer de pulmão e câncer de ovário ) e são essenciais para vários medicamentos anticâncer e testes de toxicidade. Esta estratégia pode ser melhorada aumentando o rendimento e a produção de esferóides. Por exemplo, um dispositivo microfluídico baseado em gotículas para cultura de células 3D produz 500 esferóides por chip. Esses esferóides podem ser cultivados por mais tempo em ambientes diferentes para análise e monitoramento. A outra tecnologia avançada é os órgãos em um chip e pode ser usada para simular vários órgãos para determinar o metabolismo e a atividade da droga com base na mimetização de vasos , bem como mimetizar pH , oxigênio ... para analisar a relação entre as drogas e arredores de órgãos humanos.

Uma estratégia recente é a imunoprecipitação de cromatina de célula única (ChiP) -Sequenciamento em gotículas , que opera combinando sequenciamento de RNA de célula única com base em gotículas com anticorpos com código de barras de DNA , possivelmente para explorar a heterogeneidade do tumor pelo genótipo e fenótipo para selecionar o anti personalizado - drogas contra o câncer e prevenir a recaída do câncer.

No geral, as técnicas microfluídicas têm um grande potencial para o tratamento personalizado do câncer e trazem novos métodos para futuras terapias contra o câncer. No entanto, permanecem desafios para integrar esses métodos com o tratamento clínico, com base na quantidade de informações genéticas ou de biomarcadores , equipamentos não confiáveis ​​ou dificuldade de interface com as operações clínicas.

Ensaios de drogas microfluídicas:

Caracterização no chip:

Microfluídica na sala de aula: titulações ácido-base no chip

Detecção de sepse em minutos, não em dias.

Desbloqueio de imagem multi-ângulo para dispositivos microfluídicos

Veja também

• Biblioteca de Simulação Avançada
• Microfluídica baseada em gotículas
• Fluídica
• Microfisiometria
• Microbombas
• Microválvulas
• Eletrocinética de carga induzida
• Lab-on-a-chip
• μFluids @ Home
• Microfluídica baseada em papel
• Cultura de células microfluídicas
• Espectroscopia de modulação microfluídica

Referências

Leitura adicional

Artigos de revisão

Livros

Educação

Scholia tem um perfil tópico para Microfluídica .