Si alguna vez te has detenido a ver la lluvia caer sobre el cristal de una ventana, has visto lo que sucede cuando dos gotas de agua se tocan y se funden en una. La física que trabaja en este fenómeno podría proporcionar una solución para el desarrollo de dispositivos de análisis biológico personal miniaturizados. Un equipo internacional de científicos de IBM Research-Zurich y el Laboratorio de Microfluídicos para Oncología del Polytechnique Montréal han informado de este descubrimiento en Naturaleza .

Instalar un laboratorio en un chip:un desafío de larga data

Durante las últimas dos décadas, La investigación realizada en todo el mundo sobre los llamados dispositivos de laboratorio en un chip ha demostrado ser prometedora para las herramientas portátiles que requieren solo una pequeña muestra de fluido corporal (por ejemplo, sangre, saliva, orina) para detectar enfermedades o medir datos biológicos. Este tipo de sistemas en miniatura ya existen para mediciones simples realizadas con pocos reactivos:los medidores de glucosa y las pruebas de embarazo son dos ejemplos. Pero análisis más complejos, que requieren mezclar una sola muestra con una serie de reactivos en cantidades precisas en un orden específico, han demostrado ser más difíciles de desarrollar.

Uno de los enfoques más prometedores para integrar varios reactivos en un dispositivo de prueba es depositar gotas del tamaño de un picolitro (unas mil millonésimas de mililitro) en un microsistema utilizando una técnica análoga a la impresión por inyección de tinta. y luego sellar el dispositivo. En contacto con el aire, las pequeñas cantidades de líquido se evaporan instantáneamente, dejando una secuencia muy precisa de reactivos secos, que se puede rehidratar cuando se agrega la muestra de líquido en el momento de la prueba. Ha persistido una gran dificultad, sin embargo:cuando el fluido se mueve a través de los reactivos secos, los dispersa, "codificando la señal, "y prevenir la ejecución de delicados pasos de diagnóstico que involucran mediciones bioquímicas precisas.

Para atacar el problema de la dispersión, Onur Gökçe, Yuksel Temiz y Emmanuel Delamarche de IBM Research-Zurich tuvieron la idea de estirar una gota de agua en forma de cinta larga en un microcanal del ancho de un cabello humano. y obligando al líquido a doblarse sobre sí mismo. Al hacerlo, la muestra de agua se cierra de una manera similar a cuando se abrocha una cremallera.

"Este proceso tan intrigante nos permite reducir, al mínimo, el caudal del líquido localmente, donde están los reactivos secos, para que cuando los reactivos se rehidraten, ya no se dispersan, "explica Emmanuel Delamarche, gerente del grupo Precision Diagnostics en IBM Research-Zurich.

Si bien los resultados observados fueron concluyentes, el equipo estudió el fenómeno de la dinámica de fluidos en el trabajo para poder explotarlo como parte de un proceso confiable. Profesor Thomas Gervais, jefe del Laboratorio de Microfluídica para Oncología de la Politécnica, abordó esa parte del proyecto.

De la experimentación al modelado

Al estudiar más a fondo el comportamiento de la gota de agua, los investigadores concluyeron que estaba relacionado con el fenómeno de la coalescencia, un ejemplo de ello se ve en la fusión espontánea de dos gotas de un líquido que entran en contacto entre sí. En términos de física, la coalescencia se origina en la fuerte afinidad entre las moléculas de agua, cuyo efecto es reducir al mínimo la superficie de agua expuesta al aire. Es por eso que las pequeñas gotas de agua son esféricas:de todas las formas geométricas, la esfera tiene el área de superficie más pequeña para un volumen dado.

"En este caso, sin embargo, tuvimos que estudiar qué sucede cuando una gota de agua distorsionada en un microcanal se fusiona con otra parte de sí misma, "Explica el profesor Gervais." Nuestro objetivo era comprender el fenómeno y controlarlo, para que pudiéramos obligar al líquido a estancarse en el lugar preciso donde se encuentra con un reactivo dentro del dispositivo ".

modelado del fenómeno, que el equipo denominó "autocoalescencia, "se basó en un enfoque matemático desarrollado en la década de 1950 para estudiar los flujos viscosos bidimensionales ilimitados. El trabajo se realizó utilizando técnicas de cálculo desarrolladas por Samuel Castonguay, que está completando su doctorado. en ingeniería física en la Politécnica bajo la dirección del profesor Gervais. Para armonizar los resultados del modelado con los resultados experimentales, El Sr. Castonguay fue a Zurich, trabajando durante unos meses con los investigadores de IBM.

"Nuestros modelos no solo nos han permitido dominar este nuevo tipo de flujo, pero también podemos programar con mucha precisión configuraciones espaciales y temporales de señales químicas utilizando una combinación de reactivos, con mínima dispersión, y sin necesidad de intervención del usuario, "Observa el profesor Gervais." La asociación entre nuestros dos equipos ha dado lugar a una novela, Arquitectura de pruebas bioquímicas particularmente flexible y precisa, que conserva la secuencia de uso de docenas de reactivos simultáneamente durante una prueba ".

Hacia herramientas de diagnóstico móviles específicas

El equipo de IBM también demostró que este tipo de arquitectura podría usarse para medir reacciones enzimáticas, con miras a detectar diversas enfermedades (enfermedades genéticas, por ejemplo). También mostró una prueba de concepto para un método de amplificación de ADN, una reacción utilizada para producir copias de un segmento de ADN específico a partir de una muestra, a temperatura ambiente. El método elimina la necesidad de que un técnico realice ciclos repetidos de calentamiento y enfriamiento en la muestra. Se inserta una sola gota de muestra en el dispositivo, y el análisis se realiza automáticamente. Este experimento muestra potencial para el uso futuro del proceso para realizar la secuenciación del ADN de genes asociados con patologías como el cáncer, y para detectar ciertos virus.

"Nuestra esperanza es que nuestro proceso permita a los fabricantes de laboratorio en un chip lograr un rendimiento de diagnóstico sin precedentes, con productos que son tan simples de usar como los medidores de glucosa actuales, "Dice el Dr. Delamarche.

Finalmente, dado que las señales bioquímicas registradas por este tipo de prueba probablemente podrían ser leídas por un teléfono inteligente y transmitidas a un banco de datos centralizado, Las pruebas también podrían desempeñar un papel importante en el futuro en el seguimiento de la propagación de epidemias en regiones remotas lejos de los centros médicos. y en el cribado a nivel nacional e internacional de diversas enfermedades.