Lab-on-a-chip

Un lab-on-a-chip (LOC) é un dispositivo que integra unha ou varias funcións de laboratorio nun único circuíto integrado (normalmente chamado "chip") de só milímetros a poucos centímetros cadrados para lograr automatización e cribado de alto rendemento . Os LOC poden manexar volumes de fluído moi pequenos ata menos de pico-litros. Os dispositivos Lab-on-a-chip son un subconxunto de dispositivos de sistemas microelectromecánicos (MEMS) e ás veces chamados "sistemas de análise micro total" (µTAS). Os LOC poden usar microfluídicos, a física, a manipulación e o estudo de cantidades mínimas de fluídos. Non obstante, o "lab-on-a-chip" considerado estritamente indica xeralmente o escalado de procesos de laboratorio simples ou múltiples ata o formato chip, mentres que "µTAS" está dedicado á integración da secuencia total de procesos de laboratorio para realizar análises químicas. O termo "lab-on-a-chip" introduciuse cando resultou que as tecnoloxías µTAS eran aplicables para máis que só análises.

Historial

Despois da invención da microtecnoloxía (~ 1954) para a realización de estruturas integradas de semicondutores para chips microelectrónicos, estas tecnoloxías baseadas na litografía pronto se aplicaron tamén na fabricación de sensores de presión (1966). Debido ao desenvolvemento destes procesos normalmente limitados de compatibilidade CMOS, estivo dispoñible unha caixa de ferramentas para crear estruturas mecánicas de tamaño micrométrico ou submicrométrico nas obleas de silicio: xa comezara a era dos sistemas microeléctricos mecánicos (MEMS).

Xunto a sensores de presión, sensores de airbag e outras estruturas móbiles, desenvolvéronse dispositivos de manipulación de fluídos. Exemplos son: canles (conexións capilares), mesturadores, válvulas, bombas e dispositivos de dosificación. O primeiro sistema de análise LOC foi un cromatógrafo de gases, desenvolvido en 1979 por S.C. Terry na Universidade de Stanford. Non obstante, só a finais dos anos oitenta e comezos dos noventa a investigación do LOC comezou a crecer seriamente a medida que algúns grupos de investigación en Europa desenvolveron micropombas, sensores de fluxo e os conceptos para tratamentos integrados de fluídos para sistemas de análise. Estes conceptos µTAS demostraron que a integración dos pasos de pretratamento, normalmente feitos a escala de laboratorio, podería estender a funcionalidade do sensor simple cara a unha análise completa de laboratorio, incluíndo etapas de limpeza e separación adicionais.

Un gran impulso na investigación e o interese comercial produciuse a mediados dos anos noventa, cando as tecnoloxías µTAS resultaron proporcionar ferramentas interesantes para aplicacións de xenómica, como a electroforese capilar e os microarrays de ADN. Un gran impulso no apoio á investigación tamén chegou dos militares, especialmente da DARPA (Defense Advanced Research Projects Agency), polo seu interese nos sistemas portátiles de detección de axentes de guerra bio / química. O valor engadido non só se limitou á integración de procesos de laboratorio para a súa análise, senón tamén ás posibilidades características de compoñentes individuais e á aplicación a outros procesos de laboratorio que non son de análise. De aí que se introducise o termo "lab-on-a-chip".

Aínda que a aplicación dos LOC aínda é nova e modesta, obsérvase un crecente interese de empresas e grupos de investigación aplicada en diferentes campos como a análise (por exemplo, análise química, seguimento ambiental, diagnóstico médico e celómica) pero tamén en química sintética (por exemplo, selección rápida e microrreactores para a farmacéutica). Ademais de novos desenvolvementos de aplicacións, espérase que a investigación en sistemas LOC tamén se estenda cara á redución da escala das estruturas de manexo de fluídos mediante a nanotecnoloxía. As canles sub-micrométricas e nanométricas, os labirintos de ADN, a detección e análise de células únicas e os nanosensores, poderían ser factibles, permitindo novas formas de interacción con especies biolóxicas e grandes moléculas. Escribíronse moitos libros que abarcan diversos aspectos destes dispositivos, incluído o transporte de fluídos, as propiedades do sistema, as técnicas de detección e as aplicacións bioanalíticas.

Materiais para chips e tecnoloxías de fabricación

A base para a maioría dos procesos de fabricación de LOC é a fotolitografía. Inicialmente a maioría dos procesos estaban en silicio, xa que estas tecnoloxías ben desenvolvidas derivaban directamente da fabricación de semicondutores. Por mor das demandas por exemplo. características ópticas específicas, compatibilidade biolóxica ou química, custos de produción máis baixos e prototipado máis rápido. procesamento de polímeros de tiol-eno (OSTEmer), impresión 3D baseada en película grosa e estereolitografía, así como métodos de replicación rápida mediante galvanoplastia, moldeo por inxección e estampación. A demanda de prototipado LOC barato e sinxelo deu lugar a unha metodoloxía sinxela para a fabricación de dispositivos microfluídicos PDMS: ESCARGOT (Embedded SCAffold RemovinG Open Technology). Esta técnica permite a creación de canles microfluídicos, nun só bloque de PDMS, a través dun andamio disoluble (feito por exemplo por impresión 3D). Ademais, o campo LOC supera cada vez máis as fronteiras entre tecnoloxía de microsistemas baseada na litografía, nanotecnoloxía e enxeñaría de precisión.

Vantaxes

Os LOC poden proporcionar vantaxes específicas da súa aplicación. As vantaxes típicas son:

baixo consumo de volumes de fluído (menos residuos, custos de reactivos máis baixos e menos volumes de mostra requiridos para o diagnóstico)

análise e tempos de resposta máis rápidos debido a distancias de difusión curtas, quecemento rápido, altas relacións de superficie a volume, pequenas capacidades térmicas.

mellor control do proceso debido a unha resposta máis rápida do sistema (por exemplo, control térmico para reaccións químicas exotérmicas)

compacidade dos sistemas debido á integración de moita funcionalidade e pequenos volumes

paralelización masiva debido á compacidade, que permite a análise de alto rendemento

custos de fabricación máis baixos, permitindo chips desbotables desbotables, fabricados en produción en masa

a calidade da peza pode verificarse automaticamente

plataforma máis segura para estudos químicos, radioactivos ou biolóxicos por mor da integración da funcionalidade, volumes menores de fluídos e enerxías almacenadas

Desvantaxes

As desvantaxes máis importantes dos laboratorios en chip son:

O proceso de microfabricación necesario para fabricalos é complexo e intensivo en man de obra, requirindo equipos caros e persoal especializado. Pódese superar co recente avance tecnolóxico en impresión 3D e gravado láser de baixo custo.

A complexa rede de accionamento fluído require varias bombas e conectores, onde o control fino é difícil. Pódese superar mediante unha simulación coidadosa, unha bomba intrínseca, como o chip incorporado da bolsa de aire ou usando unha forza centrífuga para: substituír o bombeo, é dicir, un biochip micro-fluído centrífugo.

A maioría dos LOC son unha nova proba de aplicación de concepto que aínda non están completamente desenvolvidos para un uso xeneralizado. Precísanse máis validacións antes do emprego práctico.

Na escala de microlitros que tratan os LOC, os efectos dependentes da superficie como as forzas capilares, a rugosidade superficial ou as interaccións químicas son máis dominantes. Isto ás veces pode facer que a reprodución de procesos de laboratorio en LOC sexa bastante difícil e máis complexa que en equipos de laboratorio convencionais.

Os principios de detección non sempre poden reducirse de xeito positivo, o que leva a baixas relacións de sinal a ruído.

Saúde global

A tecnoloxía Lab-on-a-chip pronto pode converterse nunha parte importante dos esforzos para mellorar a saúde global, especialmente a través do desenvolvemento de dispositivos de proba para o punto de atención. Nos países con poucos recursos sanitarios, as enfermidades infecciosas que poderían tratarse nunha nación desenvolvida adoitan ser mortais. Nalgúns casos, as clínicas sanitarias pobres teñen os medicamentos para tratar unha determinada enfermidade, pero carecen das ferramentas de diagnóstico para identificar aos pacientes que deben recibir os medicamentos. Moitos investigadores cren que a tecnoloxía LOC pode ser a clave para poderosos novos instrumentos de diagnóstico. O obxectivo destes investigadores é crear chips microfluídicos que permitan aos provedores de asistencia sanitaria en clínicas mal equipadas realizar probas diagnósticas como ensaios de cultivo microbiolóxico, inmunoensaios e ensaios de ácido nucleico sen apoio de laboratorio.

Desafíos globais

Para que os chips se utilicen en áreas con escasos recursos, hai que superar moitos desafíos. Nas nacións desenvolvidas, os trazos máis valorados para as ferramentas de diagnóstico inclúen a velocidade, a sensibilidade e a especificidade; pero nos países onde a infraestrutura sanitaria está menos desenvolvida, tamén deben considerarse atributos como a facilidade de uso e a vida útil. Os reactivos que veñen co chip, por exemplo, deben estar deseñados para que permanezan efectivos durante meses aínda que o chip non se manteña nun ambiente controlado polo clima. Os deseñadores de chips tamén deben ter en conta o custo, a escalabilidade e a reciclabilidade mentres elixen que materiais e técnicas de fabricación usar.

Exemplos de aplicación LOC global

Un dos dispositivos LOC máis prominentes e coñecidos para chegar ao mercado é o kit de proba de embarazo na casa, un dispositivo que utiliza tecnoloxía de microfluídica baseada en papel. Outra área activa de investigación LOC implica formas de diagnosticar e xestionar enfermidades infecciosas comúns causadas por bacterias, por exemplo. bacteriuria ou virus, por exemplo. gripe. Un patrón de ouro para diagnosticar a bacteriuria (infeccións do tracto urinario) é o cultivo microbiano. Un estudo recente baseado na tecnoloxía lab-on-a-chip, Digital Dipstick, miniaturizou o cultivo microbiolóxico nun formato destick e permitiu o seu uso no punto de atención. Cando se trata de infeccións virais, as infeccións polo VIH son un bo exemplo. Ao redor de 36,9 millóns de persoas están infectadas polo VIH no mundo hoxe e o 59% destas persoas reciben tratamento antirretroviral. Só o 75% das persoas que viven co VIH coñecían o seu estado de VIH. Medir o número de linfocitos T CD4 + no sangue dunha persoa é un xeito preciso de determinar se unha persoa ten VIH e de seguir o progreso dunha infección polo VIH. Polo momento, a citometría de fluxo é o estándar de ouro para obter contas de CD4, pero a citometría de fluxo é unha técnica complicada que non está dispoñible na maioría das áreas en desenvolvemento porque require técnicos adestrados e equipos caros. Recentemente desenvolveuse un citómetro por só 5 dólares. Outra área activa de investigación LOC é a separación e mestura controladas. Nestes dispositivos é posible diagnosticar e tratar potencialmente enfermidades rapidamente. Como se mencionou anteriormente, unha gran motivación para o desenvolvemento destes é que potencialmente poden fabricarse a un custo moi baixo. Unha área máis de investigación que se está a estudar en relación a LOC é a seguridade na casa. O seguimento automatizado de compostos orgánicos volátiles (COV) é unha funcionalidade desexada para LOC. Se esta aplicación se converte en fiable, estes micro-dispositivos poderían instalarse a escala mundial e avisar aos propietarios de compostos potencialmente perigosos.

Ciencias vexetais

Os dispositivos Lab-on-a-chip poderían usarse para caracterizar a guía do tubo de pole en Arabidopsis thaliana. En concreto, a planta nun chip é un dispositivo miniaturizado no que se poderían incubar tecidos e óvulos de pole para estudos de ciencias vexetais.

Véxase tamén

Outros artigos

• MEMS
• Organ-on-a-chip

Ligazóns externas

• Geschke, Klank & Telleman, eds.: Microsystem Engineering of Lab-on-a-chip Devices, 1st ed, John Wiley & Sons. ISBN 3-527-30733-8.
• Herold, KE; Rasooly, A, eds. (2009). Lab-on-a-Chip Technology: Fabrication and Microfluidics. Caister Academic Press. ISBN 978-1-904455-46-2. 
• Herold, KE; Rasooly, A, eds. (2009). Lab-on-a-Chip Technology: Biomolecular Separation and Analysis. Caister Academic Press. ISBN 978-1-904455-47-9. 
• Yehya H. Ghallab; Wael Badawy (2010). Lab-on-a-chip: Techniques, Circuits, and Biomedical Applications. Artech House. pp. 220. ISBN 978-1-59693-418-4. 
• (2012) Gareth Jenkins & Colin D Mansfield (eds): Methods in Molecular Biology – Microfluidic Diagnostics, Humana Press, ISBN 978-1-62703-133-2