Los investigadores del MIT han desarrollado hardware que utiliza campos eléctricos para mover gotas de soluciones químicas o biológicas alrededor de una superficie. mezclándolos de maneras que podrían usarse para probar miles de reacciones en paralelo.

Los investigadores ven su sistema como una alternativa a los dispositivos de microfluidos que ahora se usan comúnmente en la investigación biológica. en el que las soluciones biológicas se bombean a través de canales microscópicos conectados por válvulas mecánicas. El nuevo enfoque que mueve las soluciones en patrones prescritos computacionalmente, podría permitir que los experimentos se lleven a cabo de manera más eficiente, rentable, ya mayor escala.

"Los sistemas de microfluidos tradicionales utilizan tubos, válvulas, y bombas, "dice Udayan Umapathi, investigador del MIT Media Lab, quien lideró el desarrollo del nuevo sistema. "Lo que esto significa es que son mecánicos, y se rompen todo el tiempo. Noté este problema hace tres años, cuando estaba en una empresa de biología sintética donde construí algunos de estos sistemas de microfluidos y máquinas mecánicas que interactúan con ellos. Tuve que cuidar de estas máquinas para asegurarme de que no explotaran ".

"La biología avanza hacia procesos cada vez más complejos, y necesitamos tecnologías para manipular gotas cada vez más pequeñas, "Umapathi dice." Bombas, válvulas, y los tubos se complican rápidamente. En la máquina que construí Me tomó una semana armar 100 conexiones. Digamos que pasa de una escala de 100 conexiones a una máquina con un millón de conexiones. No podrá ensamblar eso manualmente ".

Con su nuevo sistema, Umapathi explica, miles de gotas podrían depositarse en la superficie de su dispositivo, y se moverían automáticamente para realizar experimentos biológicos.

El sistema incluye software que permite a los usuarios describir, en un alto nivel de generalidad, los experimentos que desean realizar. A continuación, el software calcula automáticamente las trayectorias de las gotas a través de la superficie y coordina la sincronización de las operaciones sucesivas.

"El operador especifica los requisitos para el experimento, por ejemplo, el reactivo A y el reactivo B deben mezclarse en estos volúmenes e incubarse durante este período de tiempo, y luego se mezcla con el reactivo C. El operador no especifica cómo fluyen las gotas o dónde se mezclan. Todo está calculado previamente por el software ".

Umapathi y sus coautores:Hiroshi Ishii, el profesor Jerome B. Wiesner de artes y ciencias de los medios en el MIT; Patrick Shin y Dimitris Koutentakis, Estudiantes universitarios del MIT que trabajan en el laboratorio de Ishii; y Sam Gen Chin, un estudiante universitario de Wellesley en el laboratorio:describa su nuevo sistema en un artículo que aparece este mes en la revista en línea MRS Advances.

En los últimos 10 años, otros grupos de investigación han experimentado con "microfluidos digitales, "o manipulación eléctrica de gotitas, para realizar experimentos biológicos. Pero sus chips se fabricaron utilizando técnicas de grabado de alta gama que requieren entornos controlados conocidos como salas blancas. Umapathi y sus colegas se han centrado en reducir los costos. Su prototipo usa una placa de circuito impreso, un dispositivo electrónico básico que consiste en una placa de plástico con cableado de cobre depositado encima.

El principal desafío técnico de los investigadores fue diseñar un recubrimiento para la superficie de la placa de circuito que redujera la fricción, permitiendo que las gotas se deslicen a través de él, y eso evitaría que las moléculas biológicas o químicas se adhieran a él, para que no contaminen experimentos futuros. La placa de circuito está modelada con una serie de electrodos. En el prototipo, los investigadores cubren el tablero con una matriz mucho más densa de esferas diminutas, solo un micrómetro de altura, hecho de un material hidrofóbico (repelente al agua). Las gotas patinan por la parte superior de las esferas. Los investigadores también están experimentando con estructuras distintas a las esferas, que puede funcionar mejor con materiales biológicos particulares.

Debido a que la superficie del dispositivo es hidrófoba, las gotas depositadas encima de él, naturalmente, intentan asumir una forma esférica. La carga de un electrodo tira de la gota hacia abajo, aplanándolo. Si el electrodo debajo de una gota aplanada se apaga gradualmente, mientras el electrodo contiguo se enciende gradualmente, el material hidrofóbico conducirá la gota hacia el electrodo cargado.

Las gotas en movimiento requieren altos voltajes, en algún lugar entre 95 y 200 voltios. Pero 300 veces por segundo un electrodo cargado en el dispositivo de los investigadores del MIT alterna entre un alto voltaje, señal de baja frecuencia (1 kilohercio) y una señal de 3,3 voltios de alta frecuencia (200 kilohercios). La señal de alta frecuencia permite al sistema determinar la ubicación de una gota, utilizando esencialmente la misma tecnología que utilizan los teléfonos con pantalla táctil.

Si la gota no se mueve lo suficientemente rápido, el sistema aumentará automáticamente el voltaje de la señal de baja frecuencia. De la señal del sensor, el sistema también puede estimar el volumen de una gota, cuales, junto con la información de ubicación, le permite rastrear el progreso de una reacción.

Umapathi cree que la microfluídica digital podría reducir drásticamente el costo de los procedimientos experimentales comunes en la biología industrial. Compañías farmacéuticas, por ejemplo, realizará con frecuencia muchos experimentos en paralelo, utilizando robots equipados con docenas o incluso cientos de pipetas, pequeños tubos de medición que son más bien como goteros alargados.

"Si nos fijamos en las empresas de descubrimiento de fármacos, un robot de pipeteo utiliza un millón de puntas de pipeta en una semana, ", Dice Umapathi." Eso es parte de lo que está impulsando el costo de crear nuevos medicamentos. Estoy empezando a desarrollar algunos ensayos líquidos que podrían reducir 100 veces el número de operaciones de pipeteo ".

"En los últimos 15, 20 años, la tendencia general en la industria farmacéutica ha sido moverse hacia volúmenes más pequeños, porque tienen una mayor capacidad de multiplexación, "dice Charles Fracchia, fundador y director ejecutivo de BioBright, una empresa que desarrolla sistemas de información para gestionar la gran cantidad de datos generados por modernos, experimentos biológicos de gran volumen. "Cuando se trata de microfluidos digitales, como lo hace Udayan, es efectivamente una versión más barata, y es unilateral en lugar de estar intercalado entre dos electrodos. No quiero llamarlo bio de bricolaje, pero es de menor costo, instrumentación más sencilla, acceso más fácil. Definitivamente tocó esa nota mucho mejor que [los sistemas anteriores]. Es emocionante que haya logrado hacerlo con un voltaje más bajo, y es emocionante que pueda hacerlo con un solo electrodo ".

Esta historia se vuelve a publicar por cortesía de MIT News (web.mit.edu/newsoffice/), un sitio popular que cubre noticias sobre la investigación del MIT, innovación y docencia.