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Microfluídica abierta

La microfluídica se refiere al flujo de fluidos en canales o redes con al menos una dimensión en la escala micrométrica. [ 1 ] [ 2 ] En la microfluídica abierta , también conoci...

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La microfluídica se refiere al flujo de fluidos en canales o redes con al menos una dimensión en la escala micrométrica. [ 1 ] [ 2 ] En la microfluídica abierta , también conocida como microfluídica de superficie abierta o microfluídica de espacio abierto, se elimina al menos un límite que confina el flujo de fluido de un sistema, exponiendo el fluido al aire u otra interfaz, como un segundo fluido. [ 1 ] [ 3 ] [ 4 ]

Tipos de microfluídica abierta

La microfluídica abierta se puede clasificar en varios subconjuntos. Algunos ejemplos de estos subconjuntos incluyen la microfluídica de canal abierto, la microfluídica basada en papel y la microfluídica basada en hilos. [ 1 ] [ 5 ] [ 6 ]

Microfluídica de canal abierto

En la microfluídica de canal abierto, se produce un flujo capilar impulsado por la tensión superficial, conocido como flujo capilar espontáneo (FCE). [ 1 ] [ 7 ] El FCE se produce cuando la presión en el menisco de avance es negativa. [ 1 ] Se ha demostrado que la geometría del canal y el ángulo de contacto de los fluidos producen FCE si se cumple la siguiente ecuación.

pagFpagw<doos(θ){\displaystyle {pf \over pw}<cos(\theta )}

Donde pf es el perímetro libre del canal (es decir, la interfaz que no está en contacto con la pared del canal), y pw es el perímetro mojado (es decir, las paredes en contacto con el fluido), y θ es el ángulo de contacto del fluido sobre el material del dispositivo. [ 1 ] [ 5 ]

Microfluídica basada en papel

La microfluídica basada en papel utiliza la capacidad de absorción del papel para lecturas funcionales. [ 8 ] [ 9 ] La microfluídica basada en papel es un método atractivo porque el papel es barato, fácilmente accesible y tiene un bajo impacto ambiental. El papel también es versátil porque está disponible en varios espesores y tamaños de poro. [ 8 ] Se han utilizado recubrimientos como la cera para guiar el flujo en la microfluídica de papel. [ 10 ] En algunos casos, se han utilizado barreras solubles para crear límites en el papel y controlar el flujo de fluido. [ 11 ] La aplicación del papel como herramienta de diagnóstico ha demostrado ser poderosa porque se ha utilizado con éxito para detectar niveles de glucosa, [ 12 ] bacterias, [ 13 ] virus, [ 14 ] y otros componentes en sangre completa. [ 15 ] También se han desarrollado métodos de cultivo celular dentro del papel. [ 16 ] [ 17 ] Los inmunoensayos de flujo lateral, como los que se utilizan en las pruebas de embarazo, son un ejemplo de la aplicación del papel para diagnósticos en el punto de atención o en el hogar. [ 18 ] Las desventajas incluyen la dificultad de retención de líquidos y los altos límites de detección.

Microfluídica basada en hilos

La microfluídica basada en hilos, una derivación de la microfluídica basada en papel, utiliza las mismas capacidades de absorción capilar. [ 19 ] Los materiales comunes para los hilos incluyen nitrocelulosa, rayón, nailon, cáñamo, lana, poliéster y seda. [ 20 ] Los hilos son versátiles porque se pueden tejer para formar patrones específicos. [ 21 ] Además, dos o más hilos pueden converger en un nudo, uniendo dos "corrientes" de fluido separadas como método de mezcla de reactivos . [ 22 ] Los hilos también son relativamente fuertes y difíciles de romper durante la manipulación, lo que los hace estables en el tiempo y fáciles de transportar. [ 20 ] La microfluídica basada en hilos se ha aplicado a la ingeniería de tejidos 3D y al análisis químico. [ 23 ] [ 19 ]

Filamentos capilares en microfluídica abierta

La microfluídica capilar abierta consiste en canales que exponen los fluidos al aire libre al excluir el techo y/o el suelo del canal. [ 5 ] En lugar de depender del uso de bombas o jeringas para mantener el flujo, la microfluídica capilar abierta utiliza la tensión superficial para facilitarlo. [ 24 ] La eliminación de una fuente de infusión reduce el tamaño del dispositivo y el aparato asociado, junto con otros aspectos que podrían obstaculizar su uso. La dinámica del flujo impulsado por capilaridad en la microfluídica abierta depende en gran medida de dos tipos de canales geométricos comúnmente conocidos como ranuras en U rectangulares o ranuras en V triangulares. [ 25 ] [ 24 ] La geometría de los canales determina el flujo a lo largo de las paredes interiores fabricadas con diversos procesos en constante evolución. [ 7 ]

Filamentos capilares en ranura en U

SCF en ranura en V (izquierda) Canal microfluídico abierto con ranura en V (derecha)

Las ranuras en U rectangulares de superficie abierta son el tipo de canal microfluídico abierto más fácil de fabricar. Este diseño puede mantener el mismo orden de magnitud de velocidad en comparación con la ranura en V. [ 26 ] [ 25 ] [ 27 ] Los canales están hechos de vidrio o sustitutos de vidrio de alta claridad como polimetilmetacrilato (PMMA), [ 24 ] policarbonato (PC) o copolímero de olefina cíclica (COC). [ 24 ] Para eliminar la resistencia restante después del grabado, los canales reciben un tratamiento hidrofílico utilizando plasma de oxígeno o grabado iónico reactivo profundo (DRIE). [ 28 ] [ 29 ] [ 30 ]

Filamentos capilares en ranura en V

SCF en ranura en U (izquierda) Canal microfluídico abierto en ranura en U SCF (derecha)

La ranura en V, a diferencia de la ranura en U, permite una variedad de velocidades dependiendo del ángulo de la ranura. [ 27 ] Las ranuras en V con un ángulo de ranura agudo dan como resultado la curvatura de la interfaz en las esquinas, explicada por condiciones de Concus-Finn reducidas. [ 31 ] En una esquina interior perfecta de una ranura en V, el filamento avanzará indefinidamente en la ranura, permitiendo la formación de filamentos capilares dependiendo de las condiciones de humectación. [ 32 ] El ancho de la ranura juega un papel importante en el control del flujo de fluido. Cuanto más estrecha sea la ranura en V, mejor será el flujo capilar de líquidos, incluso para líquidos altamente viscosos como la sangre; este efecto se ha utilizado para producir un ensayo autónomo. [ 5 ] [ 33 ] La fabricación de una ranura en V es más difícil que la de una ranura en U, ya que presenta un mayor riesgo de construcción defectuosa, puesto que la esquina debe estar sellada herméticamente. [ 28 ]

Ventajas

Una de las principales ventajas de la microfluídica abierta es la facilidad de acceso, que permite intervenir (es decir, añadir o eliminar reactivos) en el líquido que fluye en el sistema. [ 34 ] La microfluídica abierta también permite una fabricación sencilla, eliminando así la necesidad de unir superficies. Cuando se elimina uno de los límites de un sistema, se obtiene una interfaz líquido-gas más grande, lo que permite reacciones líquido-gas. [ 1 ] [ 35 ] Los dispositivos microfluídicos abiertos permiten una mejor transparencia óptica porque al menos un lado del sistema no está cubierto por el material, lo que puede reducir la autofluorescencia durante la obtención de imágenes. [ 36 ] Además, los sistemas abiertos minimizan y a veces eliminan la formación de burbujas, un problema común en los sistemas cerrados. [ 1 ]

En la microfluídica de sistema cerrado, el flujo en los canales es impulsado por presión a través de bombas ( bombas de jeringa ), válvulas (válvulas de disparo) o campo eléctrico. [ 37 ] Se ha descrito un ejemplo de uno de estos métodos para lograr bajas tasas de flujo utilizando evaporación controlada por temperatura para un sistema microfluídico abierto, lo que permite largas horas de incubación para aplicaciones biológicas y requiere pequeños volúmenes de muestra. [ 38 ] La microfluídica de sistema abierto permite el flujo impulsado por tensión superficial en los canales, eliminando así la necesidad de métodos de bombeo externos. [ 34 ] [ 39 ] Por ejemplo, algunos dispositivos microfluídicos abiertos constan de un puerto de depósito y un puerto de bombeo que se puede llenar con fluido usando una pipeta. [ 1 ] [ 5 ] [ 34 ] Eliminar los requisitos de bombeo externos reduce el costo y permite el uso del dispositivo en todos los laboratorios con pipetas. [ 35 ]

Soluciones de materiales

Afortunadamente, si bien el PDMS presenta muchos problemas, también se han desarrollado numerosas soluciones. Para abordar la hidrofobicidad y porosidad negativas que exhibe el PDMS, los investigadores han comenzado a utilizar recubrimientos como BSA [ 40 ] (albúmina de suero bovino) o moléculas cargadas [ 41 ] para crear una capa entre el PDMS nativo y las células. Otros investigadores han empleado con éxito varios surfactantes Pluronic [ 42 ] , un copolímero de tribloque con dos bloques hidrofílicos que rodean un núcleo hidrofóbico, utilizado frecuentemente para aumentar la hidrofilicidad de diversos sustratos, e incluso recubrimientos de vidrio de borosilicato [ 43 ] para solucionar el problema de la hidrofobicidad. Curiosamente, el tratamiento con cualquiera de los dos compuestos anteriores puede prevenir la adsorción inespecífica de proteínas, ya que estos (y otros recubrimientos) forman interacciones de adsorción estables con el PDMS, lo que ayuda a reducir la interferencia del PDMS con los medios de cultivo celular. Estos compuestos y materiales pueden afectar las propiedades de la superficie y deben probarse cuidadosamente para observar su impacto en las células cultivadas. Los investigadores desarrollaron sistemas de andamiaje 3D para imitar entornos in vivo , de modo que más células y tipos de células puedan crecer [ 44 ] en un esfuerzo por abordar el problema de que no todos los tipos de células pueden crecer en PDMS. Al igual que el recubrimiento de PDMS, los sistemas de andamiaje 3D emplean materiales alternativos como proteínas de ECM (matriz extracelular) [ 45 ], de modo que en lugar de no unirse al PDMS nativo, las células tienen más probabilidades de unirse a las proteínas. Por último, los investigadores han abordado la permeabilidad del PDMS al vapor de agua utilizando algunas soluciones elegantes. Por ejemplo, una parte del sistema microfluídico puede designarse para humidificación y moldearse en PDMS u otro material como vidrio.

Desventajas

Algunas desventajas de la microfluídica abierta incluyen la evaporación, [ 46 ] la contaminación, [ 47 ] y el caudal limitado. [ 4 ] Los sistemas abiertos son susceptibles a la evaporación, lo que puede afectar significativamente las lecturas cuando los volúmenes de fluido están en la microescala. [ 46 ] Además, debido a la naturaleza de los sistemas abiertos, son más susceptibles a la contaminación que los sistemas cerrados. [ 47 ] El cultivo celular y otros métodos donde la contaminación o las partículas pequeñas son una preocupación deben realizarse cuidadosamente para prevenir la contaminación. Por último, los sistemas abiertos tienen un caudal limitado porque no se pueden usar presiones inducidas para impulsar el flujo. [ 4 ]

Materiales

El polidimetilsiloxano (PDMS) es un material ideal para fabricar dispositivos microfluídicos para aplicaciones de cultivo celular debido a varias propiedades ventajosas como bajos costos de procesamiento, facilidad de fabricación, prototipado rápido, facilidad de modificación de superficie y no toxicidad celular. [ 48 ] [ 41 ] Si bien hay varios beneficios que surgen del uso de polidimetilsiloxano (PDMS) nativo, también hay algunos inconvenientes que los investigadores deben tener en cuenta en sus experimentos. Primero, el PDMS es tanto hidrofóbico como poroso, lo que significa que moléculas pequeñas u otras moléculas hidrofóbicas pueden adsorberse en él. [ 49 ] Dichas moléculas incluyen cualquier cosa desde moléculas que contienen metilo o alquilo, [ 50 ] e incluso ciertos colorantes como el Rojo Nilo. [ 51 ] Los investigadores identificaron en 2008 que el plasma podría usarse para reducir la hidrofobicidad del PDMS, aunque esta regresó aproximadamente dos semanas después del tratamiento. [ 52 ] Algunos investigadores postulan que la integración de andamios electrohilados a base de fibras de policaprolactona (PCL) removibles bajo tratamiento con NaOH mejora la hidrofilicidad y atenúa la hidrofobicidad, al tiempo que promueve una comunicación celular más eficiente. [ 53 ] Otro problema que surge con el PDMS es que puede interferir con el medio que circula en los canales. El curado incompleto de los canales de PDMS puede provocar la lixiviación de PDMS en el medio [ 54 ] e, incluso cuando se produce un curado completo, los componentes del medio aún pueden adherirse involuntariamente a sitios hidrofóbicos libres en las paredes de PDMS. [ 55 ] Otro problema surge con la permeabilidad a los gases del PDMS. La mayoría de los investigadores aprovechan esto para oxigenar tanto el PDMS como el medio circulante, pero esta característica también hace que el sistema microfluídico sea especialmente vulnerable a la pérdida de vapor de agua. Por último, no todos los tipos de células pueden crecer, o crecerán a los mismos niveles, en PDMS nativo. [ 56 ] Por ejemplo, ya en 1994 se observaron altos niveles de muerte celular rápida en dos tipos de fibroblastos cultivados en PDMS nativo, lo que planteó problemas para el uso generalizado de PDMS en el cultivo celular microfluídico.

Aplicaciones

Al igual que muchas tecnologías microfluídicas, la microfluídica de sistema abierto se ha aplicado a la nanotecnología , la biotecnología , las pilas de combustible y las pruebas en el punto de atención (POC). [ 1 ] [ 4 ] [ 57 ] Para estudios basados ​​en células, los dispositivos microfluídicos de canal abierto permiten el acceso a las células para el sondeo de células individuales dentro del canal. [ 58 ] Otras aplicaciones incluyen la electroforesis capilar en gel , las emulsiones de agua en aceite y los biosensores para sistemas POC. [ 3 ] [ 59 ] [ 60 ] Los dispositivos microfluídicos suspendidos, dispositivos microfluídicos abiertos donde se retira el suelo del dispositivo, se han utilizado para estudiar la difusión celular y la migración de células cancerosas. [ 5 ] La microfluídica suspendida y basada en rieles se ha utilizado para la micropatternización y el estudio de la comunicación celular. [ 1 ]

Aplicaciones de soluciones de materiales

Las aplicaciones de estas soluciones siguen vigentes hoy en día, como se observa en los siguientes ejemplos. En 2014, Lei et al. probaron la impedancia de células de cáncer oral humano en presencia de cisplatino, un fármaco anticancerígeno conocido, moldeando las células en un andamio 3D. [ 61 ] Los autores habían observado en estudios previos que la impedancia celular podía correlacionarse con la viabilidad y proliferación celular en cultivos celulares 2D y esperaban trasladar esa correlación a cultivos celulares 3D. Utilizando agarosa para crear el andamio 3D, los investigadores midieron el crecimiento y la proliferación de células de cáncer oral humano en presencia y ausencia de cisplatino mediante ensayos de ADN fluorescentes y observaron que, efectivamente, existía una correlación similar a la observada en el modelo 2D. Esto no solo demostró que los principios de los cultivos celulares 2D podían trasladarse a cultivos celulares microfluídicos abiertos 3D, sino que también sienta las bases para un plan de tratamiento más personalizado para pacientes con cáncer. Postularon que los avances futuros podrían transformar este método en un ensayo que permitiera evaluar la respuesta de las células cancerosas de los pacientes a los fármacos anticancerígenos conocidos.

Otro grupo utilizó un método similar, pero en lugar de crear un andamio 3D, emplearon varios recubrimientos de PDMS diferentes para determinar la mejor opción para estudiar las células madre cancerosas. [ 62 ] El grupo analizó la BSA y las proteínas de la ECM y descubrió que, si bien su evidencia experimental respaldaba la BSA como el mejor recubrimiento para las células cancerosas circulantes (CSC), se produjeron cambios fenotípicos en las células (es decir, elongación), pero no afectaron la capacidad de las células para realizar funciones celulares normales. Una advertencia clave a tener en cuenta aquí es que la BSA no es una solución universal que funcione para todos los tipos de células: diferentes recubrimientos funcionan mejor o peor para ciertos tipos de células [ 45 ] y estas diferencias deben considerarse al desarrollar un experimento.

Referencias

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