Los investigadores del MIT han desarrollado hardware que usa campos eléctricos para mover gotas de soluciones químicas o biológicas alrededor de una superficie, mezclándolas de manera que podrían usarse para probar miles de reacciones en paralelo.
Los investigadores ven su sistema como una alternativa a los dispositivos microfluídicos que ahora se usan comúnmente en la investigación biológica, en los 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 permitirexperimentos que se llevarán a cabo de manera más eficiente, rentable y a mayor escala.
"Los sistemas microfluídicos tradicionales usan tubos, válvulas y bombas", dice Udayan Umapathi, investigador del MIT Media Lab, que dirigió el desarrollo del nuevo sistema. "Lo que esto significa es que son mecánicos y se descomponentodo 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 a estas máquinas para asegurarme de que no explotaran"
"La biología se está moviendo hacia procesos cada vez más complejos, y necesitamos tecnologías para manipular gotas cada vez más pequeñas", dice Umapathi. "Las bombas, las válvulas y los tubos se complican rápidamente. En la máquina que construí,Me llevó una semana ensamblar 100 conexiones. Digamos que pasas de una escala de 100 conexiones a una máquina con un millón de conexiones. No podrás ensamblar eso manualmente ".
Umapathi explica que con su nuevo sistema, se podrían depositar miles de gotas en la superficie de su dispositivo, y se moverían automáticamente para llevar a cabo experimentos biológicos.
El sistema incluye un software que permite a los usuarios describir, con un alto nivel de generalidad, los experimentos que desean realizar. El software calcula automáticamente las rutas de las gotas a través de la superficie y coordina el tiempo 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 tiempo, y luego mezclarse con el reactivo C. El operador no especifica cómolas gotas fluyen o donde se mezclan. Todo está precalculado 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, estudiante de Wellesley en el laboratorio -- describa su nuevo sistema en un documento que aparece este mes en el diario en línea Avances de MRS .
En los últimos 10 años, otros grupos de investigación han experimentado con "microfluídica digital" o manipulación eléctrica de gotas para realizar experimentos biológicos. Pero sus chips fueron fabricados utilizando técnicas de grabado de alta calidad que requieren entornos controlados conocidos como salas limpias.Umapathi y sus colegas se han centrado en reducir los costos. Su prototipo utiliza una placa de circuito impreso, un dispositivo electrónico 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 ella, y que evite que las moléculas biológicas o químicas se adhieran a ella, para que ganen 't contaminan experimentos futuros. La placa de circuito está diseñada con una serie de electrodos. En el prototipo, los investigadores cubren la placa con una matriz mucho más densa de esferas pequeñas, de solo un micrómetro de alto, hechas de un material hidrófobo repelente al agua.Las gotas patinan en la parte superior de las esferas. Los investigadores también están experimentando con estructuras distintas a las esferas, que pueden funcionar mejor con materiales biológicos particulares.
Debido a que la superficie del dispositivo es hidrofóbica, las gotas depositadas encima intentan naturalmente adoptar una forma esférica. Al cargar un electrodo, la gota se tira hacia abajo y se aplana. Si el electrodo debajo de una gota aplanada se apaga gradualmente, mientras que el electrodo al ladose enciende gradualmente, el material hidrofóbico conducirá la gota hacia el electrodo cargado.
Mover gotas requiere 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 una señal de alto voltaje y baja frecuencia 1 kilohercio y un 3.3-señal de alta frecuencia de voltios 200 kilohercios. La señal de alta frecuencia permite al sistema determinar la ubicación de una gota, utilizando esencialmente la misma tecnología que 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. A partir de la señal del sensor, el sistema también puede estimar el volumen de una gota, que, junto con la información de ubicación, le permiteseguir el progreso de una reacción.
Umapathi cree que la microfluídica digital podría reducir drásticamente el costo de los procedimientos experimentales comunes en biología industrial. Las compañías farmacéuticas, por ejemplo, con frecuencia realizarán muchos experimentos en paralelo, utilizando robots equipados con docenas o incluso cientos de pipetas, pequeños tubos de medición que sonmás bien como cuentagotas alargadas.
"Si nos fijamos en las compañías de descubrimiento de medicamentos, un robot de pipeteo usa 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 algo de líquidoensayos que podrían reducir el número de operaciones de pipeteo 100 veces "
Fuente de la historia :
Materiales proporcionado por Instituto de Tecnología de Massachusetts . Original escrito por Larry Hardesty. Nota: El contenido puede ser editado por estilo y longitud.
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