Lab-on-a-chip - Lab-on-a-chip

Este artigo é sobre a tecnologia. Para o diário, consulte Lab on a Chip (diário) .

Um lab-on-a-chip ( LOC ) é um dispositivo que integra uma ou várias funções de laboratório em um único circuito integrado (comumente chamado de "chip") de apenas alguns milímetros a alguns centímetros quadrados para alcançar automação e triagem de alto rendimento . LOCs podem lidar com volumes de fluido extremamente pequenos até menos de pico-litros . Dispositivos Lab-on-a-chip são um subconjunto de dispositivos de sistemas microeletromecânicos (MEMS) e às vezes chamados de "sistemas de análise total micro" (µTAS). LOCs podem usar microfluídica , a física, manipulação e estudo de pequenas quantidades de fluidos. No entanto, estritamente considerado "lab-on-a-chip" indica geralmente a escala de um ou vários processos de laboratório até o formato de chip, enquanto "µTAS" é dedicado à integração da sequência total de processos de laboratório para realizar análises químicas. O termo "lab-on-a-chip" foi introduzido quando se descobriu que as tecnologias µTAS eram aplicáveis ​​para mais do que apenas fins de análise.

História

Chip de sistemas microeletromecânicos, às vezes chamado de "laboratório em um chip"

Após a invenção da microtecnologia (~ 1954) para a realização de estruturas semicondutoras integradas para chips microeletrônicos, essas tecnologias baseadas em litografia foram logo aplicadas na fabricação de sensores de pressão (1966) também. Devido ao desenvolvimento desses processos geralmente limitados de compatibilidade com CMOS , uma caixa de ferramentas tornou-se disponível para criar estruturas mecânicas de tamanho micrométrico ou submicrométrico em pastilhas de silício também: a era dos sistemas microeletromecânicos ( MEMS ) havia começado.

Ao lado de sensores de pressão, sensores de airbag e outras estruturas mecanicamente móveis, foram desenvolvidos dispositivos de manuseio de fluidos. Exemplos são: canais (conexões capilares), misturadores, válvulas, bombas e dispositivos dosadores. O primeiro sistema de análise LOC foi um cromatógrafo de gás, desenvolvido em 1979 por SC Terry na Universidade de Stanford. No entanto, apenas no final da década de 1980 e início da década de 1990 a pesquisa LOC começou a crescer seriamente, à medida que alguns grupos de pesquisa na Europa desenvolveram microbombas, sensores de fluxo e os conceitos para tratamentos integrados de fluidos para sistemas de análise. Esses conceitos µTAS demonstraram que a integração das etapas de pré-tratamento, geralmente feita em escala de laboratório, pode estender a funcionalidade do sensor simples para uma análise laboratorial completa, incluindo etapas adicionais de limpeza e separação.

Um grande impulso na pesquisa e no interesse comercial veio em meados da década de 1990, quando as tecnologias µTAS acabaram por fornecer ferramentas interessantes para aplicações genômicas , como eletroforese capilar e microarranjos de DNA . Um grande impulso no apoio à pesquisa também veio dos militares, especialmente da DARPA (Agência de Projetos de Pesquisa Avançada de Defesa), por seu interesse em sistemas portáteis de detecção de agentes de guerra bioquímica. O valor agregado não se limitou apenas à integração de processos de laboratório para análise, mas também às possibilidades características de componentes individuais e à aplicação a outros processos de laboratório não analíticos. Portanto, o termo "lab-on-a-chip" foi introduzido.

Embora a aplicação de LOCs ainda seja nova e modesta, um interesse crescente de empresas e grupos de pesquisa aplicada é observado em diferentes campos, como análise (por exemplo, análise química, monitoramento ambiental, diagnóstico médico e celomática), mas também em química sintética (por exemplo, triagem rápida e microrreatores para produtos farmacêuticos). Além de outros desenvolvimentos de aplicação, a pesquisa em sistemas LOC deve se estender para a redução de escala de estruturas de manuseio de fluidos também, usando nanotecnologia . Canais submicrométricos e nanométricos, labirintos de DNA, detecção e análise de células únicas e nanossensores podem se tornar viáveis, permitindo novas formas de interação com espécies biológicas e moléculas grandes. Muitos livros foram escritos que cobrem vários aspectos desses dispositivos, incluindo o transporte de fluidos, propriedades do sistema, técnicas de detecção e aplicações bioanalíticas.

Materiais de chip e tecnologias de fabricação

A base para a maioria dos processos de fabricação LOC é a fotolitografia . Inicialmente, a maioria dos processos eram em silício, já que essas tecnologias bem desenvolvidas eram derivadas diretamente da fabricação de semicondutores . Devido às demandas por, por exemplo, características ópticas específicas, compatibilidade bio ou química, custos de produção mais baixos e prototipagem mais rápida, novos processos foram desenvolvidos, como vidro, cerâmica e gravação em metal , deposição e colagem, processamento de polidimetilsiloxano (PDMS) (por exemplo, litografia suave ), Processamento de polímeros de tioleno fora da estequiometria (OSTEmer), impressão 3D baseada em filme espesso e estereolitografia , bem como métodos de replicação rápida por galvanoplastia , moldagem por injeção e gravação em relevo . A demanda por prototipagem LOC barata e fácil resultou em uma metodologia simples para a fabricação de dispositivos microfluídicos PDMS: ESCARGOT (Embedded SCAffold RemovinG Open Technology). Essa técnica permite a criação de canais microfluídicos, em um único bloco de PDMS, por meio de um andaime solúvel (feito, por exemplo, por impressão 3D ). Além disso, o campo LOC cada vez mais excede as fronteiras entre a tecnologia de microssistemas baseada em litografia, nanotecnologia e engenharia de precisão.

Vantagens

Os LOCs podem oferecer vantagens, que são específicas para sua aplicação. As vantagens típicas são:

  • baixo consumo de volumes de fluido (menos desperdício, menores custos de reagentes e menos volumes de amostra necessários para diagnósticos)
  • análise e tempos de resposta mais rápidos devido a distâncias de difusão curtas, aquecimento rápido, altas proporções entre superfície e volume, pequenas capacidades de calor.
  • melhor controle do processo devido a uma resposta mais rápida do sistema (por exemplo, controle térmico para reações químicas exotérmicas)
  • compactação dos sistemas devido à integração de muitas funcionalidades e pequenos volumes
  • paralelização massiva devido à compactação, o que permite a análise de alto rendimento
  • custos de fabricação mais baixos, permitindo chips descartáveis ​​de baixo custo, fabricados em produção em massa
  • a qualidade da peça pode ser verificada automaticamente
  • plataforma mais segura para estudos químicos, radioativos ou biológicos devido à integração da funcionalidade, menores volumes de fluidos e energias armazenadas

Desvantagens

As desvantagens mais proeminentes do labs-on-chip são:

  • O processo de microfabricação necessário para fabricá-los é complexo e trabalhoso, exigindo equipamentos caros e pessoal especializado. Isso pode ser superado pelo recente avanço da tecnologia em impressão 3D de baixo custo e gravação a laser .
  • A complexa rede de atuação fluídica requer várias bombas e conectores, onde o controle preciso é difícil. Ele pode ser superado por simulação cuidadosa, uma bomba intrínseca, como chip embutido de air-bag, ou usando uma força centrífuga para substituir o bombeamento, ou seja, biochip micro-fluídico centrífugo .
  • A maioria dos LOCs é uma nova aplicação de prova de conceito que ainda não foi totalmente desenvolvida para uso generalizado. Mais validações são necessárias antes do emprego prático.
  • Na escala de microlitros com que lidam os LOCs, os efeitos dependentes da superfície, como forças capilares, rugosidade da superfície ou interações químicas são mais dominantes. Isso às vezes pode tornar a replicação de processos de laboratório em LOCs bastante desafiadora e mais complexa do que em equipamentos de laboratório convencionais.
  • Os princípios de detecção nem sempre podem ser reduzidos de forma positiva, levando a baixas taxas de sinal para ruído .

Saúde global

A tecnologia Lab-on-a-chip pode em breve se tornar uma parte importante dos esforços para melhorar a saúde global , particularmente por meio do desenvolvimento de dispositivos de teste de ponto de atendimento . Em países com poucos recursos de saúde, as doenças infecciosas que seriam tratáveis ​​em um país desenvolvido costumam ser mortais. Em alguns casos, clínicas de saúde precárias têm medicamentos para tratar uma determinada doença, mas não possuem ferramentas de diagnóstico para identificar os pacientes que devem receber os medicamentos. Muitos pesquisadores acreditam que a tecnologia LOC pode ser a chave para novos instrumentos de diagnóstico poderosos. O objetivo desses pesquisadores é criar chips microfluídicos que permitirão aos profissionais de saúde em clínicas mal equipadas realizar testes de diagnóstico, como ensaios de cultura microbiológica , imunoensaios e ensaios de ácido nucléico, sem suporte laboratorial.

Desafios globais

Para que os chips sejam usados ​​em áreas com recursos limitados, muitos desafios devem ser superados. Em nações desenvolvidas, as características mais valorizadas para ferramentas de diagnóstico incluem velocidade, sensibilidade e especificidade; mas em países onde a infraestrutura de saúde é menos desenvolvida, atributos como facilidade de uso e prazo de validade também devem ser considerados. Os reagentes que acompanham o chip, por exemplo, devem ser projetados de forma que permaneçam eficazes por meses, mesmo que o chip não seja mantido em um ambiente climatizado . Os projetistas de chips também devem manter o custo , a escalabilidade e a reciclabilidade em mente ao escolher quais materiais e técnicas de fabricação usar.

Exemplos de aplicação global de LOC

Um dos dispositivos LOC mais proeminentes e conhecidos a chegar ao mercado é o kit de teste de gravidez em casa, um dispositivo que utiliza tecnologia de microfluídica baseada em papel . Outra área ativa da pesquisa LOC envolve maneiras de diagnosticar e gerenciar doenças infecciosas comuns causadas por bactérias , por exemplo. bacteriúria ou vírus , por exemplo. influenza . Um padrão ouro para o diagnóstico de bacteriúria ( infecções do trato urinário ) é a cultura microbiana . Um estudo recente baseado na tecnologia lab-on-a-chip, Digital Dipstick, miniaturizou a cultura microbiológica em um formato de vareta e permitiu que ela fosse usada no ponto de atendimento . Quando se trata de infecções virais, as infecções por HIV são um bom exemplo. Cerca de 36,9 milhões de pessoas estão infectadas com o HIV no mundo hoje e 59% dessas pessoas recebem tratamento anti-retroviral . Apenas 75% das pessoas que vivem com HIV sabiam seu status sorológico. Medir o número de linfócitos T CD4 + no sangue de uma pessoa é uma maneira precisa de determinar se uma pessoa tem HIV e acompanhar o progresso de uma infecção por HIV. No momento, a citometria de fluxo é o padrão ouro para a obtenção da contagem de CD4, mas a citometria de fluxo é uma técnica complicada que não está disponível na maioria das áreas em desenvolvimento porque requer técnicos treinados e equipamentos caros. Recentemente, esse citômetro foi desenvolvido por apenas US $ 5. Outra área ativa da pesquisa LOC é para separação e mistura controladas. Em tais dispositivos, é possível diagnosticar rapidamente e potencialmente tratar doenças. Como mencionado acima, uma grande motivação para o desenvolvimento destes é que eles podem ser potencialmente fabricados a um custo muito baixo. Mais uma área de pesquisa que está sendo investigada em relação ao LOC é a segurança doméstica. O monitoramento automatizado de compostos orgânicos voláteis (VOCs) é uma funcionalidade desejada para LOC. Se este aplicativo se tornar confiável, esses microdispositivos podem ser instalados em uma escala global e notificar os proprietários de casas sobre compostos potencialmente perigosos.

Ciências da planta

Dispositivos Lab-on-a-chip podem ser usados ​​para caracterizar a orientação do tubo polínico em Arabidopsis thaliana . Especificamente, planta em um chip é um dispositivo miniaturizado no qual tecidos de pólen e óvulos podem ser incubados para estudos de ciências vegetais.

Veja também

Referências

Leitura adicional

Livros