Laboratorio en un chip - Lab-on-a-chip

Este artículo trata sobre la tecnología. Para la revista, consulte Lab on a Chip (revista) .

Un lab-on-a-chip ( LOC ) es un dispositivo que integra una o varias funciones de laboratorio en un solo circuito integrado (comúnmente llamado "chip") de solo milímetros a unos pocos centímetros cuadrados para lograr la automatización y el cribado de alto rendimiento . Los LOC pueden manejar volúmenes de fluido extremadamente pequeños hasta menos de pico litros . Los dispositivos Lab-on-a-chip son un subconjunto de dispositivos de sistemas microelectromecánicos (MEMS) y, a veces, se denominan "micro sistemas de análisis total" (µTAS). Los LOC pueden utilizar la microfluídica , la física, la manipulación y el estudio de cantidades mínimas de fluidos. Sin embargo, "lab-on-a-chip" estrictamente considerado indica generalmente el escalado de procesos de laboratorio únicos o múltiples hasta el formato de chip, mientras que "µTAS" se dedica a la integración de la secuencia total de procesos de laboratorio para realizar análisis químicos. El término "laboratorio en un chip" se introdujo cuando resultó que las tecnologías µTAS eran aplicables para más que solo propósitos de análisis.

Historia

Chip de sistemas microelectromecánicos, a veces llamado "laboratorio en un chip"

Después de la invención de la microtecnología (1954) para realizar estructuras semiconductoras integradas para chips microelectrónicos, estas tecnologías basadas en la litografía pronto se aplicaron también en la fabricación de sensores de presión (1966). Debido al mayor desarrollo de estos procesos generalmente limitados de compatibilidad con CMOS , también se puso a disposición una caja de herramientas para crear estructuras mecánicas de tamaño micrométrico o submicrométrico en obleas de silicio : había comenzado la era de los sistemas microelectromecánicos ( MEMS ).

Junto a los sensores de presión, los sensores de airbag y otras estructuras mecánicamente móviles, se desarrollaron dispositivos de manipulación de fluidos. Algunos ejemplos son: canales (conexiones capilares), mezcladores, válvulas, bombas y dosificadores. El primer sistema de análisis LOC fue un cromatógrafo de gases, desarrollado en 1979 por SC Terry en la Universidad de Stanford. Sin embargo, solo a finales de la década de 1980 y principios de la de 1990 la investigación LOC comenzó a crecer seriamente, ya que algunos grupos de investigación en Europa desarrollaron microbombas, sensores de flujo y los conceptos para tratamientos de fluidos integrados para sistemas de análisis. Estos conceptos de µTAS demostraron que la integración de los pasos de pretratamiento, generalmente realizados a escala de laboratorio, podría extender la funcionalidad del sensor simple hacia un análisis de laboratorio completo, incluyendo pasos adicionales de limpieza y separación.

Un gran impulso en la investigación y el interés comercial se produjo a mediados de la década de 1990, cuando las tecnologías µTAS resultaron proporcionar herramientas interesantes para aplicaciones genómicas , como electroforesis capilar y microarrays de ADN . Un gran impulso en el apoyo a la investigación también provino de los militares, especialmente de DARPA (Agencia de Proyectos de Investigación Avanzada de Defensa), por su interés en los sistemas portátiles de detección de agentes de guerra bioquímica. El valor agregado no solo se limitó a la integración de los procesos de laboratorio para el análisis, sino también a las posibilidades características de los componentes individuales y la aplicación a otros procesos de laboratorio que no son de análisis. Por lo tanto, se introdujo el término "laboratorio en un chip".

Aunque la aplicación de LOCs es todavía novedosa y modesta, se observa un interés creciente de empresas y grupos de investigación aplicada en diferentes campos como el análisis (por ejemplo, análisis químico, monitoreo ambiental, diagnóstico médico y celómica) pero también en química sintética (por ejemplo, detección rápida y microrreactores para productos farmacéuticos). Además de los desarrollos de aplicaciones adicionales, se espera que la investigación en sistemas LOC se extienda hacia la reducción de escala de las estructuras de manejo de fluidos también, mediante el uso de nanotecnología . Los canales submicrométricos y nanométricos, los laberintos de ADN, la detección y el análisis de células individuales y los nanosensores podrían ser factibles, permitiendo nuevas formas de interacción con especies biológicas y moléculas grandes. Se han escrito muchos libros que cubren varios aspectos de estos dispositivos, incluido el transporte de fluidos, las propiedades del sistema, las técnicas de detección y las aplicaciones bioanalíticas.

Materiales de viruta y tecnologías de fabricación

La base de la mayoría de los procesos de fabricación de LOC es la fotolitografía . Inicialmente, la mayoría de los procesos se realizaban en silicio, ya que estas tecnologías bien desarrolladas se derivaban directamente de la fabricación de semiconductores . Debido a las demandas de, por ejemplo, características ópticas específicas, compatibilidad biológica o química, menores costos de producción y creación de prototipos más rápida, se han desarrollado nuevos procesos como el grabado , deposición y unión de vidrio, cerámica y metal , procesamiento de polidimetilsiloxano (PDMS) (por ejemplo, litografía blanda ), Procesamiento de polímeros de tiol-eno fuera de estequiometría (OSTEmer), impresión 3D basada en película gruesa y estereolitografía , así como métodos de replicación rápida mediante galvanoplastia , moldeo por inyección y estampado . La demanda de prototipos LOC baratos y fáciles dio como resultado una metodología simple para la fabricación de dispositivos de microfluidos PDMS: ESCARGOT (tecnología abierta de eliminación de andamios integrados). Esta técnica permite la creación de canales de microfluidos, en un solo bloque de PDMS, a través de un andamio soluble (hecho, por ejemplo, mediante impresión 3D ). Además, el campo LOC supera cada vez más las fronteras entre la tecnología de microsistemas basada en litografía, la nanotecnología y la ingeniería de precisión.

Ventajas

Los LOC pueden ofrecer ventajas específicas para su aplicación. Las ventajas típicas son:

  • bajo consumo de volumen de fluido (menos desperdicio, menores costos de reactivos y menos volúmenes de muestra necesarios para el diagnóstico)
  • análisis y tiempos de respuesta más rápidos debido a distancias de difusión cortas, calentamiento rápido, relaciones de superficie a volumen elevadas, capacidades de calor pequeñas.
  • mejor control del proceso debido a una respuesta más rápida del sistema (por ejemplo, control térmico para reacciones químicas exotérmicas)
  • compacidad de los sistemas debido a la integración de mucha funcionalidad y pequeños volúmenes
  • paralelización masiva debido a la compacidad, lo que permite un análisis de alto rendimiento
  • costos de fabricación más bajos, lo que permite chips desechables rentables, fabricados en producción en masa
  • la calidad de la pieza se puede verificar automáticamente
  • plataforma más segura para estudios químicos, radioactivos o biológicos debido a la integración de funcionalidad, volúmenes de fluidos más pequeños y energías almacenadas

Desventajas

Las desventajas más destacadas de labs-on-chip son:

  • El proceso de micro-fabricación requerido para hacerlos es complejo y laborioso, requiriendo tanto equipos costosos como personal especializado. Puede ser superado por el reciente avance tecnológico en la impresión 3D de bajo costo y el grabado láser .
  • La compleja red de actuación fluídica requiere múltiples bombas y conectores, donde el control fino es difícil. Puede superarse mediante una simulación cuidadosa, una bomba intrínseca, como un chip de inserción de bolsa de aire, o mediante el uso de una fuerza centrífuga para reemplazar el bombeo, es decir, un biochip microfluido centrífugo .
  • La mayoría de los LOC son aplicaciones novedosas de prueba de concepto que aún no están completamente desarrolladas para un uso generalizado. Se necesitan más validaciones antes del empleo práctico.
  • En la escala de microlitros que tratan los LOC, los efectos dependientes de la superficie como las fuerzas capilares, la rugosidad de la superficie o las interacciones químicas son más dominantes. Esto a veces puede hacer que la replicación de procesos de laboratorio en LOC sea bastante desafiante y más compleja que en el equipo de laboratorio convencional.
  • Es posible que los principios de detección no siempre se reduzcan de manera positiva, lo que conduce a relaciones bajas de señal a ruido .

Salud global

La tecnología Lab-on-a-chip pronto puede convertirse en una parte importante de los esfuerzos para mejorar la salud global , particularmente a través del desarrollo de dispositivos de prueba en el punto de atención . En países con pocos recursos sanitarios, las enfermedades infecciosas que serían tratables en una nación desarrollada suelen ser mortales. En algunos casos, las clínicas de atención médica deficientes tienen los medicamentos para tratar una determinada enfermedad, pero carecen de las herramientas de diagnóstico para identificar a los pacientes que deben recibir los medicamentos. Muchos investigadores creen que la tecnología LOC puede ser la clave para nuevos y poderosos instrumentos de diagnóstico. El objetivo de estos investigadores es crear chips de microfluidos que permitan a los proveedores de atención médica en clínicas mal equipadas realizar pruebas de diagnóstico como ensayos de cultivo microbiológico , inmunoensayos y ensayos de ácido nucleico sin apoyo de laboratorio.

Desafíos globales

Para que los chips se utilicen en áreas con recursos limitados, se deben superar muchos desafíos. En los países desarrollados, los rasgos más valorados de las herramientas de diagnóstico incluyen la velocidad, la sensibilidad y la especificidad; pero en los países donde la infraestructura sanitaria está menos desarrollada, también deben tenerse en cuenta atributos como la facilidad de uso y la vida útil. Los reactivos que vienen con el chip, por ejemplo, deben diseñarse para que sigan siendo efectivos durante meses, incluso si el chip no se mantiene en un ambiente con clima controlado . Los diseñadores de chips también deben tener en cuenta el costo , la escalabilidad y la reciclabilidad al elegir qué materiales y técnicas de fabricación utilizar.

Ejemplos de aplicación LOC global

Uno de los dispositivos LOC más destacados y conocidos que ha llegado al mercado es el kit de prueba de embarazo en el hogar, un dispositivo que utiliza tecnología de microfluidos basada en papel . Otra área activa de la investigación de LOC involucra formas de diagnosticar y manejar enfermedades infecciosas comunes causadas por bacterias , p. Ej. bacteriuria o virus , p. ej. influenza . Un estándar de oro para diagnosticar bacteriuria ( infecciones del tracto urinario ) es el cultivo microbiano . Un estudio reciente basado en la tecnología lab-on-a-chip, Digital Dipstick, miniaturizó el cultivo microbiológico en un formato de tira reactiva y permitió su uso en el punto de atención . Cuando se trata de infecciones virales, las infecciones por VIH son un buen ejemplo. En la actualidad, alrededor de 36,9 millones de personas están infectadas por el VIH en el mundo y el 59% de estas personas reciben tratamiento antirretroviral . Solo el 75% de las personas que viven con el VIH conocían su estado serológico. Medir la cantidad de linfocitos T CD4 + en la sangre de una persona es una forma precisa de determinar si una persona tiene VIH y de seguir el progreso de una infección por VIH. Por el momento, la citometría de flujo es el estándar de oro para obtener recuentos de CD4, pero la citometría de flujo es una técnica complicada que no está disponible en la mayoría de las áreas en desarrollo porque requiere técnicos capacitados y equipos costosos. Recientemente, se desarrolló un citómetro de este tipo por solo $ 5. Otra área activa de la investigación LOC es la separación y mezcla controladas. En tales dispositivos es posible diagnosticar rápidamente y potencialmente tratar enfermedades. Como se mencionó anteriormente, una gran motivación para el desarrollo de estos es que potencialmente se pueden fabricar a muy bajo costo. Un área más de investigación que se está estudiando con respecto a LOC es la seguridad del hogar. El monitoreo automatizado de compuestos orgánicos volátiles (COV) es una funcionalidad deseada para LOC. Si esta aplicación se vuelve confiable, estos microdispositivos podrían instalarse a escala mundial y notificar a los propietarios de viviendas sobre compuestos potencialmente peligrosos.

Ciencias de las plantas

Los dispositivos de laboratorio en un chip podrían usarse para caracterizar la guía del tubo polínico en Arabidopsis thaliana . Específicamente, plant on a chip es un dispositivo miniaturizado en el que los tejidos de polen y los óvulos podrían incubarse para estudios de ciencias de las plantas.

Ver también

Referencias

Otras lecturas

Libros