Progresos en chips de microfluidos
Los chips analíticos de microfluidos, originalmente un complemento de la revolución nanotecnológica, finalmente se comercializaron después de un período de exageración y negligencia. Los chips de análisis de microfluidos se denominaron originalmente "laboratorios en un chip" en los Estados Unidos y "sistemas de análisis micrototal" en Europa. Ahora son cada vez más populares en las industrias de ciencia de materiales y fabricación de micronano. Con avances en la ciencia de los materiales, la tecnología de micronanofabricación y la tecnología microelectrónica, el desarrollo de chips de microfluidos está cambiando cada día que pasa, pero es mucho menor que la velocidad de desarrollo de semiconductores predicha por la Ley de Moore. Hoy en día, los obstáculos que obstaculizan el desarrollo de la tecnología de microfluidos siguen siendo los problemas de fabricación, procesamiento y aplicación que limitaron su desarrollo en los primeros días. Hay problemas con la interacción remota del chip con cualquier cosa, y mucho menos con la integración de microfluidos, detección y preparación de muestras con todas las funciones en el mismo sustrato. Debido a que los chips de microfluidos tienen canales muy pequeños y requieren muy pocos componentes, los problemas de muestreo que se encuentran al diseñar chips de microfluidos son más difíciles que para la cromatografía líquida a gran escala. La tecnología de microfluidos también logró grandes avances desde finales de los 80 hasta finales de los 90, especialmente después del estudio de la ciencia de los materiales en sustratos de chips y el desarrollo de la tecnología de movimiento de fluidos por microcanales. Para adaptarse a las necesidades de los tiempos, la investigación actual se centra en la integración, especialmente la investigación sobre biosensores, y el desarrollo y fabricación de chips multifuncionales con capacidades superoperativas. Hsueh-Chia Chang, Ph.D., de la Universidad de Notre Dame, ha colaborado con microbiólogos y expertos en inmunoensayos en investigaciones para mejorar la velocidad y sensibilidad de los dispositivos de análisis de microfluidos utilizados para detectar células y biomoléculas. Al mismo tiempo, Chang también realizó mejoras en la dinámica de CA porque creía que la CA podría convertirse en la plataforma elegida para conducir fluidos a través de analizadores de microfluidos utilizados en medicina e investigación. El mecanismo impulsor inicial del analizador de microfluidos es la electrodinámica de CC tradicional, pero la electrodinámica de CC es propensa a generar burbujas y provocar reacciones químicas de sustancias en los electrodos. Estas deficiencias limitan el uso de la electrodinámica de CC, además, para garantizar su caudal. Para un control preciso, el electrodo de CC debe colocarse en el depósito y no conectarse directamente al circuito.
Tres factores
La Dra. Andrea Chow de Caliper Life Sciences en Estados Unidos dijo que el éxito de la tecnología de microfluidos depende de la combinación, la tecnología y la aplicación, y estos tres están interrelacionados. "Para formar un consorcio, probamos todas las aplicaciones posibles que alcanzaran un cierto nivel de complejidad", dijo. "Adoptamos una visión rigurosa y a largo plazo de las mejoras y descubrimos que muchas aplicaciones eran de gran valor sin una integración compleja, como por ejemplo. Válvulas mecánicas y Sistemas Microelectromecánicos (MEMS)". La tecnología de microfluidos mejorada se usa comúnmente para la electroforesis de proteínas o genes y, a menudo, puede reemplazar la electroforesis en gel de poliacrilamida. Se pueden utilizar micromatrices más desarrolladas para ensayos enzimáticos y celulares, lo que las hace útiles para el desarrollo de nuevos fármacos. Otros productos incluyen la identificación genética, que se puede combinar con un tratamiento previo de muestras, como una reacción de polimerización basada en microarrays (PCR). Estos chips de microfluidos automatizados y semiautomáticos se han utilizado ampliamente en el descubrimiento y desarrollo temprano de fármacos debido a su alta reproducibilidad y bajo consumo de muestras o reactivos. El modelo de negocio de Caliper, que trata el chip como un producto de consumo junto con componentes electrónicos y ópticos costosos, ha sido adoptado de forma independiente por varias empresas. La operación experimental de un día cuesta alrededor de $ 5 por chip, mientras que las aplicaciones de alto rendimiento cuestan entre cientos y miles de dólares, pero se espera que se reutilicen cientos o miles de veces, lo que hace que el costo del chip sea incomparable con los costos de análisis de cámara típicos. , incluidos los costos de tiempo y los costos de reactivos para un solo análisis. Los productos estrella de Caliper son el sistema de descubrimiento de fármacos LabChip 3000, que puede analizar la composición de microfluidos de hasta 100.000 muestras, y el sistema de electroforesis LabChip 90 para análisis genéticos y de proteínas de alto rendimiento. Según Caliper, el 75% de las grandes empresas farmacéuticas y biotecnológicas utilizan sistemas LabChip 3000. Agilent Technologies, con sede en California, y Caliper Technologies firmaron un acuerdo de colaboración formal que comenzó en 1998 y finalizó el año pasado. Las ventajas de Agilent como fabricante de instrumentos, combinadas con su experiencia en cartuchos de inyección de tinta, constituyeron una visión única del mercado de microfluidos cuando la tecnología de microfluidos aún no estaba madura. La impresión por inyección de tinta es el primer producto del mercado de microfluidos con más aplicaciones tecnológicas y con un valor de 10 dólares. mil millones en uso anualmente.
Agilent ya tiene experiencia con instrumentación, prefiere utilizar instrumentos más prácticos y aplica esta experiencia al desarrollo de tecnología de microfluidos. El Dr. Kevin Killen, director de proyectos de microfluidos y biosensores, dijo en una entrevista que el objetivo de Agilent es reducir la carga para los usuarios finales y "permitir que los no profesionales operen equipos profesionales a través de sistemas apropiados de ensamblaje de productos de instrumentos". "Para los biólogos, los microfluidos serán valiosos en este sentido", añadió Killeen. Los microfluidos también tendrán que demostrar su utilidad y fiabilidad a su debido tiempo; por ejemplo, el electrospray a nanoescala. El espectrómetro de masas (nanoelectrospray MS) no tiene por qué considerar el cierre de su punta y expansión de las bandas laterales. "Los tres productos principales de Agilent en la plataforma de microfluidos son el bioanalizador Agilent 2100/5100 Automated Lab-on-a-Chip (lanzado en noviembre de 2004) y el chip HPLC (lanzado en marzo de 2005). Chip HPLC para identificación de proteínas. Integra enriquecimiento de muestras. y capacidades de separación al tiempo que reducen la configuración del equipo a la mitad que la de un sistema LC/MS. Agilent dice que estas características reducen las fugas y el volumen muerto, y el chip utiliza tecnología de identificación por radiofrecuencia para el control experimental. Actualmente, los problemas no resueltos son la fuerza impulsora y la forma de controlar. Los investigadores creen que, en algún momento, los microactuadores podrían alimentar y regular los microfluidos, pero este no es el caso. La Dra. Chia Chang cree que el uso de sistemas microelectromecánicos (MEMS) como actuadores de microfluidos aún no es posible porque ". todavía no se han diseñado tales MEMS", y al menos hasta ahora, la gente ha estado aplicando actuadores fluídicos no mecánicos. Las tecnologías emergentes incluyen la síntesis a gran escala de factores de control de microfluidos desarrollados por el grupo de investigación de Stephen Quick en la Universidad de Stanford, y sistemas controlados por láser. Válvulas desarrolladas por la empresa suiza Spinx Technologies. Investigadores de la Universidad de Monash en Melbourne, Australia, están desarrollando la polarización del plasma. Este método puede absorber, mezclar y concentrar muestras de análisis en microcanales. El plasma genera "empuje" sin entrar en contacto con el fluido de trabajo. que puede mantener un flujo estable del fluido, no es sensible a la solución de electrolito y no se verá afectado por la contaminación de la solución de electrolito. David Juncker del Instituto Federal Suizo de Tecnología en Zurich cree que los fluidos impulsores. No requiere tecnología tan avanzada, y el efecto capilar simple se puede utilizar para impulsar fluidos a través de microcanales, dijo el Dr. Juncker. Los fluidos impulsados por fuerza capilar tienen ventajas únicas: autónomos, escalables, sin volumen muerto, prediseñados y. Las aplicaciones incluyen inmunoensayos y pruebas de diagnóstico en el lugar de atención para el desarrollo de fármacos. Recientemente, el Dr. Juncker y sus colegas han desarrollado detectores de microfluidos que permiten la detección de gradientes de proteínas grandes y la detección de células individuales. "Una nueva clase de espacio experimental combinando tecnologías de escaneo y microfluidos", dijo Juncker. Estos detectores también están previstos para su uso en biología celular y descubrimiento de fármacos. Otro obstáculo aún por superar relacionado con los microfluidos es el "problema del punto de inflexión de rendimientos decrecientes a medida que el tamaño del dispositivo se reduce" a medida que los sistemas se reducen al rango de micrones o incluso nanoescala. Para los chips de microfluidos, los materiales deben entrar y salir de los microcanales, y se deben obtener señales confiables a partir de caudales a escala nanométrica. Los fluidos se "combinan" -- Los "fluidos intermedios" están miniaturizados y conectados a dispositivos de tamaño mediano que pueden concentrar muestras para una detección más fácil. Los biólogos también están limitados por la geometría de las microplacas que utilizan, Caliper Inc. y otros están desarrollando sistemas para cargar muestras directamente desde ellos. microplacas en chips, pero esto es un desafío. Según el Dr. Po Ki Yuen de Corning, será muy difícil convencer a los fabricantes de trasladar su tecnología de producción a una plataforma completamente diferente porque no se ha demostrado que dicha plataforma reduzca los costos. Las áreas de investigación del grupo de investigación del Dr. Yuan incluyen sistemas microelectromecánicos, óptica y microfluidos, y el grupo actualmente está desarrollando sistemas de detección sin calibración para nuevos medicamentos.
Comparación con chips Cali Sartor de Cascade Microtech en Estados Unidos cree que la tecnología de microfluidos actual en el campo de las ciencias biológicas es similar a la tecnología de semiconductores en el campo industrial hace 20 años.
Los desarrolladores de chips de computadora finalmente han resuelto los problemas de integración, diseño y mayor complejidad, y los desarrolladores de microfluidos están utilizando microfluidos para superar estos problemas en todos los sentidos. Cascade se comercializó para desarrollar sistemas iniciales de detección y análisis para la industria de fabricación de semiconductores y ahora busca hacer la transición a nuevos mercados con la Serie L, una plataforma de modelado y caracterización de microfluidos. La serie incluye una rigurosa plataforma mecánica que integra técnicas de microscopía, microposicionamiento y metrología. Como subproducto de su desarrollo (un micropotenciómetro que se puede aplicar a campos eléctricos en un chip), la Serie L está diseñada para abordar verdaderamente un desafío que enfrentan los desarrolladores de dispositivos de microfluidos: la necesidad de construir de forma independiente un sistema en un chip. y proporcionar utilidad, dijo Sartor. "Se necesita mucho tiempo y muchas pruebas para unir un sustrato a un chip. Los diseñadores que quieran cambiar la ruta del fluido tienen que empezar desde cero", dijo Sartor. El conjunto de pruebas de la Serie L hace que sea más fácil. probar nuevos diseños en circuito y experimentos hipotéticos simplemente intercambiando chips. Actualmente, los dispositivos de la serie L solo pueden funcionar en modo manual, con un solo chip funcionando a la vez. El desarrollo de dispositivos que pueden ejecutar varios chips en paralelo. Cascade tiene dos usuarios de prueba: el Laboratorio de Microfluidos del Profesor Don DeVoe en la Universidad de Maryland y el Laboratorio de Microfluidos del Profesor Carl Meinhart en la Universidad de California. La empresa alemana ThinXXS ha desarrollado otro dispositivo de análisis de fluidos. El dispositivo está disponible como un kit de construcción que consta de una plataforma de ensamblaje de placa de microrreactor, soportes de módulos, conectores y tubos. ThinXXS también fabrica chips especializados para la producción de microfluidos y equipos y componentes ópticos, y brinda servicios relacionados. ThinXXS dijo que a pesar del alto costo y el riesgo de la creación de prototipos, la tecnología de microfluidos ya no es el principal obstáculo para la producción comercial de productos de microfluidos en 6. En marzo, lanzó un nuevo producto de microchip, QPlate, que, según afirmó, era el primero en combinar La tecnología de microprocesadores de silicio, microfusión y placas de circuito impreso se desarrolló en colaboración con la empresa danesa Sophion Bioscience y forma parte del sistema QPatch-16, que permite medir simultáneamente 16 canales de iones celulares.