Los dispositivos de microfluidos son sistemas diminutos con canales microscópicos que se pueden utilizar para pruebas e investigaciones químicas o biomédicas. En un avance potencialmente revolucionario, Los investigadores del MIT ahora han incorporado sistemas de microfluidos en fibras individuales, lo que permite procesar volúmenes de fluido mucho mayores, de formas más complejas. En un sentido, el avance abre una nueva era "macro" de microfluidos.

Dispositivos de microfluidos tradicionales, desarrollado y utilizado ampliamente durante las últimas dos décadas, se fabrican en estructuras similares a un microchip y proporcionan formas de mezcla, separando, y prueba de fluidos en volúmenes microscópicos. Pruebas médicas que solo requieren una pequeña gota de sangre, por ejemplo, a menudo dependen de los microfluidos. Pero la escala diminuta de estos dispositivos también presenta limitaciones; por ejemplo, por lo general, no son útiles para procedimientos que necesitan mayores volúmenes de líquido para detectar sustancias presentes en cantidades diminutas.

Un equipo de investigadores del MIT encontró una forma de evitar eso, haciendo canales de microfluidos dentro de las fibras. Las fibras se fabricarán tan largas como sea necesario para adaptarse a un mayor rendimiento, y ofrecen un gran control y flexibilidad sobre las formas y dimensiones de los canales. El nuevo concepto se describe en un artículo que aparece esta semana en la revista. procedimientos de la Academia Nacional de Ciencias , escrito por el estudiante graduado del MIT Rodger Yuan, los profesores Joel Voldman y Yoel Fink, y otros cuatro.

Un enfoque multidisciplinario

El proyecto surgió como resultado de un evento de "tormenta rápida" (una amalgama de lluvia de ideas y citas rápidas, una idea iniciada por el profesor Jeffrey Grossman) que fue instigada por Fink cuando era director del Laboratorio de Investigación de Electrónica del MIT. Los eventos están destinados a ayudar a los investigadores a desarrollar nuevos proyectos colaborativos, al hacer que pares de estudiantes y posdoctorados intercambien ideas durante seis minutos a la vez y presenten cientos de ideas en una hora, que son clasificados y evaluados por un panel. En esta sesión de tormenta rápida en particular, los estudiantes de ingeniería eléctrica trabajaron con otros en ciencia de materiales y tecnología de microsistemas para desarrollar un enfoque novedoso para la clasificación de células utilizando una nueva clase de fibras multimaterial.

Yuan explica eso, aunque la tecnología de microfluidos se ha desarrollado y se ha utilizado ampliamente para procesar pequeñas cantidades de líquido, sufre de tres limitaciones inherentes relacionadas con el tamaño total de los dispositivos, sus perfiles de canal, y la dificultad de incorporar materiales adicionales como electrodos.

Debido a que normalmente se fabrican con métodos de fabricación de chips, Los dispositivos de microfluidos están limitados al tamaño de las obleas de silicio utilizadas en dichos sistemas, que no miden más de unas 8 pulgadas de ancho. Y los métodos de fotolitografía utilizados para fabricar dichos chips limitan las formas de los canales; solo pueden tener secciones transversales cuadradas o rectangulares. Finalmente, cualquier material adicional, como electrodos para detectar o manipular el contenido de los canales, deben colocarse individualmente en su posición en un proceso separado, limitando severamente su complejidad.

"La tecnología de chips de silicio es muy buena para hacer perfiles rectangulares, pero cualquier cosa más allá de eso requiere técnicas realmente especializadas, "dice Yuan, quien realizó el trabajo como parte de su investigación doctoral. "Pueden hacer triángulos, pero solo con ciertos ángulos específicos ". Con el nuevo método basado en fibras que él y su equipo desarrollaron, Se pueden implementar una variedad de formas de sección transversal para los canales, incluyendo estrella, Cruz, o formas de pajarita que pueden ser útiles para aplicaciones particulares, como clasificar automáticamente diferentes tipos de células en una muestra biológica.

Además, para microfluidos convencionales, elementos como cables sensores o calefactores, o dispositivos piezoeléctricos para inducir vibraciones en los fluidos muestreados, debe agregarse en una etapa de procesamiento posterior. Pero pueden integrarse completamente en los canales del nuevo sistema basado en fibra.

Un perfil que se encoge

Al igual que otros sistemas complejos de fibra desarrollados a lo largo de los años en el laboratorio del coautor Yoel Fink, profesor de ciencia e ingeniería de materiales y director del consorcio Advanced Functional Fabrics of America (AFFOA), estas fibras se fabrican comenzando con un cilindro de polímero de gran tamaño llamado preforma. Estas preformas contienen la forma exacta y los materiales deseados para la fibra final, pero en una forma mucho más grande, lo que los hace mucho más fáciles de hacer en configuraciones muy precisas. Luego, la preforma se calienta y se carga en una torre de caída, donde se tira lentamente a través de una boquilla que lo contrae a una fibra estrecha que es una cuadragésima parte del diámetro de la preforma, conservando todas las formas y arreglos internos.

En el proceso, el material también se alarga en un factor de 1, 600, de modo que una preforma de 100 milímetros de largo (4 pulgadas de largo), por ejemplo, se convierte en una fibra de 160 metros de largo (aproximadamente 525 pies), superando así drásticamente las limitaciones de longitud inherentes a los dispositivos microfluídicos actuales. Esto puede ser crucial para algunas aplicaciones, como detectar objetos microscópicos que existen en concentraciones muy pequeñas en el líquido, por ejemplo, una pequeña cantidad de células cancerosas entre millones de células normales.

"A veces es necesario procesar una gran cantidad de material porque lo que busca es poco común, "dice Voldman, profesor de ingeniería eléctrica que se especializa en microtecnología biológica. Eso hace que esta nueva tecnología de microfluidos basada en fibras sea especialmente apropiada para tales usos, él dice, porque "las fibras se pueden hacer arbitrariamente largas, "permitiendo más tiempo para que el líquido permanezca dentro del canal e interactúe con él.

Si bien los dispositivos de microfluidos tradicionales pueden crear canales largos haciendo un bucle hacia adelante y hacia atrás en un pequeño chip, los giros y vueltas resultantes cambian el perfil del canal y afectan la forma en que fluye el líquido, mientras que en la versión de fibra se pueden fabricar durante el tiempo que sea necesario, sin cambios de forma o dirección, permitiendo un flujo ininterrumpido, Dice Yuan.

El sistema también permite incorporar a la fibra componentes eléctricos como cables conductores. Estos se pueden utilizar, por ejemplo, para manipular células, utilizando un método llamado dielectroforesis, en el que las células se ven afectadas de manera diferente por un campo eléctrico producido entre dos hilos conductores en los lados del canal.

Con estos cables conductores en el microcanal, uno puede controlar el voltaje para que las fuerzas "empujen y tiren de las celdas, y puedes hacerlo con caudales altos, "Dice Voldman.

Como demostración, el equipo hizo una versión del dispositivo de fibra de canal largo diseñado para separar celdas, separar las células muertas de las vivas, y demostró su eficacia en el cumplimiento de esta tarea. Con un mayor desarrollo, esperan poder realizar una discriminación más sutil entre los tipos de células, Dice Yuan.

"Para mí, este fue un maravilloso ejemplo de cómo la proximidad entre los grupos de investigación en un laboratorio interdisciplinario como RLE conduce a una investigación innovadora, iniciado y dirigido por un estudiante de posgrado. Nosotros, la facultad, fuimos arrastrados esencialmente por nuestros estudiantes, "Dice Fink.

Los investigadores enfatizan que no ven el nuevo método como un sustituto de los microfluidos actuales, que funcionan muy bien para muchas aplicaciones. "No está destinado a reemplazar; está destinado a aumentar" los métodos actuales, Voldman dice:permitiendo algunas funciones nuevas para usos particulares que anteriormente no habían sido posibles.