Laboratorio clave realizó una revisión de la literatura.

Feb 29, 2024

Instituto de Tecnología de Beijing Press Co., Ltd

Imagen: Microválvulas activas y microválvulas pasivas en chips de microfluidos. (A) Estructura típica de microválvula activa: brazo deslizante. Las estructuras de PDMS contienen un canal guía y un canal fluídico y se unieron a una superficie plana de PDMS. (B) Principio de funcionamiento de la válvula de manguito. (C) Principio de funcionamiento de la microválvula de cambio de fase. (D) Principio de funcionamiento de la microválvula de burbuja caliente.ver más

Crédito: Espacio: ciencia y tecnología

El uso del entorno espacial para llevar a cabo investigaciones en ciencias de la vida es de gran importancia para las cuestiones que afectan la aparición y el desarrollo de la vida en la Tierra mediante los vuelos espaciales y el entorno espacial; sin embargo, existen limitaciones en la manipulación compleja, modelos de investigación basados ​​en experimentos de cultivo de células 2D y de mamíferos, etc. Los chips de microfluidos, también conocidos como "lab-on-chip (LOC)", integran las funciones relacionadas de los laboratorios tradicionales en una micra. -Chip de nivel con bajo consumo de energía, alto rendimiento y automatización, que puede realizar operaciones experimentales a largo plazo y grabación y transmisión remota de datos, superando así los desafíos de los entornos espaciales, los escasos recursos experimentales y los problemas de operación no tripulada para algunos. medida. Para realizar investigaciones relacionadas con chips de microfluidos, la actuación y control de los microfluidos es muy importante. En un artículo de revisión publicado recientemente en Space: Science & Technology, investigadores del Laboratorio Clave de Separación y Análisis en Biomedicina y Productos Farmacéuticos de Beijing, Facultad de Ciencias de la Vida, Instituto de Tecnología de Beijing, discutieron y resumieron exhaustivamente el progreso de los sistemas controlados y accionados por microfluidos y la aplicación potencial y los desafíos en la ciencia espacial.

En primer lugar, se resume el desarrollo actual de tecnologías controladas y accionadas por microfluidos. En el chip de microfluidos, las microbombas que desempeñan la función de transmisión y distribución del flujo de fluido se dividen principalmente en dos categorías: la microbomba mecánica (que actúa sobre alguna estructura del chip) y las microbombas no mecánicas (que impulsan directamente el fluido). Las microbombas mecánicas transfieren y controlan microfluidos mediante piezas mecánicas móviles, entre las que se incluyen la microbomba de diafragma, la microbomba de pistón, la microbomba de engranajes planetarios, la microbomba neumática, la microbomba relacionada con la electricidad, la microbomba piezoeléctrica y la microbomba de accionamiento óptico, de diseño y funcionamiento simples pero limitadas por deformación y fragilidad de la película, proceso de fabricación complejo, alto costo, poca confiabilidad y difícil integración. Las microbombas no mecánicas dependen de varios efectos físicos o químicos para convertir parte de la energía no mecánica en energía cinética para impulsar el fluido, cuyos representantes son la microbomba electroosmótica, la microbomba magnetohidrodinámica, la microbomba de tipo burbuja, la microbomba capilar y la onda acústica de superficie (SAW). ) microbomba, que tiene un cierto grado de estabilidad durante la fabricación pero que requiere circuitos de accionamiento complejos, equipos externos y potencia adicional durante el funcionamiento. La microválvula es un elemento de control del interruptor para el flujo de fluido, que generalmente está ubicado en la parte frontal del nodo de entrada del sistema y del nodo del canal. La microválvula se divide aquí en válvula activa y válvula pasiva. La válvula activa no depende de la conversión de energía sino que actúa directamente sobre el interruptor del fluido, como la pared deslizante y las válvulas de manguito. La microválvula pasiva se ve afectada principalmente por la frecuencia de acción de la cámara de la bomba, para controlar la dirección del flujo y la presión del fluido, como la microválvula de cambio de fase, la microválvula de burbuja caliente y la microválvula de fluido magnético. En los últimos años, se ha prestado cada vez más atención a la combinación de diferentes métodos para superar las deficiencias de un único mecanismo accionado o controlado por microfluidos.

Luego, se discutieron brevemente las aplicaciones de chips o sistemas de microfluidos en condiciones espaciales de simulación o en algunas áreas aeroespaciales específicas. Bajo microgravedad simulada, Michel et al. indicó que la plataforma LOC totalmente de vidrio se puede implementar con éxito para cultivar células formadoras de queratina humana y células de melanoma de la piel, Yang et al. encontraron que en la etapa temprana de la germinación de las semillas, la respuesta del factor de crecimiento se reducía significativamente después de la suspensión de las semillas, Wang et al construyeron un análisis del daño por microgravedad en Cryptobacterium hidradenum, y Yew et al. desarrolló un sistema de clinorotación LOC para abordar la necesidad de realizar un seguimiento de las respuestas celulares a corto plazo y el establecimiento de entornos fluidos dinámicos. Algunos países han llevado a cabo sucesivamente proyectos de investigación en ciencias de la vida espacial basados ​​en chips de microfluidos, como la misión STS-116 (que lanzó el primer microchip capaz de detectar bacterias Gram negativas en el espacio), la nave espacial "Foton-M3" (de baja pruebas de órbita terrestre), rHEALTH (diseño de un dispositivo de chip de microfluidos reutilizable diseñado para monitorear la salud de los astronautas durante vuelos largos en el espacio), CubeSat (una validación significativa no solo de los sistemas LOC sino también de centrífugas en miniatura de g variable que operan en CubeSat de vuelo libre ), el primer órgano espacial en un chip financiado por los Institutos Nacionales de Salud, BioSentinel (un ejemplo de microsistemas bioanalíticos autónomos) y la carga útil modular del chip de laboratorio de ISRO. Mientras tanto, el equipo de investigación lleva más de 10 años investigando las ciencias de la vida espacial basadas en chips de microfluidos y ha realizado con éxito varios lanzamientos espaciales. En resumen, la investigación en ciencias de la vida espacial requiere plataformas de detección altamente integradas, automatizadas y funcionalmente diversas, y los chips de microfluidos tienen ventajas únicas.

Además, se analiza brevemente la perspectiva de aplicación del órgano en chip en las ciencias de la vida espacial. El órgano en chip biónico de microfluidos humanos se refiere a un dispositivo de cultivo de células de microfluidos biónicos 3D multicanal que simula las actividades, las características mecánicas y las reacciones fisiológicas relacionadas de todo el órgano o sistema de órganos en un pequeño chip mediante microprocesamiento. El desarrollo del órgano en chip apunta hacia la conexión de múltiples chips, una alta integración y automatización, por lo que se han utilizado sistemas accionados y controlados en sistemas de microfluidos. Además, como tecnología biomédica de vanguardia revolucionaria, la NASA ha incluido el órgano en un chip en el plan de la Estación Espacial Internacional.

Por último, los autores abordaron que los sistemas controlados y accionados por microfluidos siempre desempeñan un papel central, y que un diseño más flexible proporcionará herramientas más apropiadas en la investigación de las ciencias de la vida espacial.

Referencia

Autor: Yimeng Zhao, Xuefei Lv, Xiaoqiong Li, Nino Rcheulishvili, Yu Chen, Zhe Li y Yulin Deng

Título del artículo original: Sistemas controlados y accionados por microfluidos y aplicación para laboratorio en chip en ciencias biológicas espaciales

Revista: Espacio: ciencia y tecnología

Afiliaciones: Instituto de Tecnología de Beijing

Espacio: ciencia y tecnología

10.34133/espacio.0008

Sistemas controlados y accionados por microfluidos y aplicación para laboratorio en chip en ciencias de la vida espacial

9-feb-2023

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