p Dispositivos microfluídicos são sistemas minúsculos com canais microscópicos que podem ser usados ​​para testes e pesquisas químicas ou biomédicas. Em um avanço potencialmente revolucionário, Os pesquisadores do MIT agora incorporaram sistemas microfluídicos em fibras individuais, tornando possível processar volumes muito maiores de fluido, de maneiras mais complexas. Num sentido, o avanço abre uma nova era "macro" da microfluídica. p Dispositivos microfluídicos tradicionais, desenvolvido e usado extensivamente nas últimas décadas, são fabricados em estruturas semelhantes a microchip e fornecem formas de mistura, separando, e teste de fluidos em volumes microscópicos. Os exames médicos que requerem apenas uma pequena gota de sangue, por exemplo, muitas vezes confiam na microfluídica. Mas a escala diminuta desses dispositivos também apresenta limitações; por exemplo, eles geralmente não são úteis para procedimentos que precisam de grandes volumes de líquido para detectar substâncias presentes em quantidades mínimas.

p Uma equipe de pesquisadores do MIT encontrou uma maneira de contornar isso, fazendo canais microfluídicos dentro das fibras. As fibras devem ser feitas o tempo que for necessário para acomodar maior rendimento, e oferecem grande controle e flexibilidade sobre as formas e dimensões dos canais. O novo conceito é descrito em artigo publicado esta semana na revista. Anais da Academia Nacional de Ciências , escrito pelo estudante de graduação do MIT Rodger Yuan, professores Joel Voldman e Yoel Fink, e quatro outros.

p Uma abordagem multidisciplinar

p O projeto surgiu como resultado de um evento "speedstorming" (um amálgama de brainstorming e speed dating, uma ideia iniciada pelo professor Jeffrey Grossman) que foi instigada por Fink quando ele era diretor do Laboratório de Pesquisa de Eletrônica do MIT. Os eventos têm como objetivo ajudar os pesquisadores a desenvolver novos projetos colaborativos, por ter pares de alunos e pós-docs brainstorm por seis minutos de cada vez e apresentar centenas de ideias em uma hora, que são classificados e avaliados por um painel. Nesta sessão particular de speedstorming, alunos de engenharia elétrica trabalharam com outros em ciência de materiais e tecnologia de microssistemas para desenvolver uma nova abordagem para a classificação de células usando uma nova classe de fibras multimateriais.

p Yuan explica isso, embora a tecnologia microfluídica tenha sido amplamente desenvolvida e amplamente utilizada para processar pequenas quantidades de líquido, ele sofre de três limitações inerentes relacionadas ao tamanho geral dos dispositivos, seus perfis de canal, e a dificuldade de incorporação de materiais adicionais, como eletrodos.

p Porque eles são normalmente feitos usando métodos de fabricação de chips, dispositivos microfluídicos são limitados ao tamanho das bolachas de silício usadas em tais sistemas, que não têm mais do que cerca de 20 centímetros de diâmetro. E os métodos de fotolitografia usados ​​para fazer esses chips limitam as formas dos canais; eles só podem ter seções transversais quadradas ou retangulares. Finalmente, quaisquer materiais adicionais, como eletrodos para detectar ou manipular o conteúdo dos canais, deve ser colocado individualmente na posição em um processo separado, limitando severamente sua complexidade.

p "A tecnologia de chip de silício é realmente boa para fazer perfis retangulares, mas qualquer coisa além disso requer técnicas realmente especializadas, "diz Yuan, que realizou o trabalho como parte de sua pesquisa de doutorado. "Eles podem fazer triângulos, mas apenas com certos ângulos específicos. "Com o novo método baseado em fibra que ele e sua equipe desenvolveram, uma variedade de formas de seção transversal para os canais podem ser implementadas, incluindo estrela, cruzar, ou formas de gravata borboleta que podem ser úteis para aplicações específicas, como a classificação automática de diferentes tipos de células em uma amostra biológica.

p Além disso, para microfluídica convencional, elementos como sensores ou fios de aquecimento, ou dispositivos piezoelétricos para induzir vibrações nos fluidos amostrados, deve ser adicionado em um estágio posterior de processamento. Mas eles podem ser completamente integrados aos canais no novo sistema baseado em fibra.

p Um perfil encolhendo

p Como outros sistemas de fibra complexos desenvolvidos ao longo dos anos no laboratório do co-autor Yoel Fink, professor de ciência e engenharia de materiais e chefe do consórcio Advanced Functional Fabrics of America (AFFOA), essas fibras são feitas começando com um cilindro de polímero superdimensionado chamado de pré-forma. Essas pré-formas contêm a forma exata e os materiais desejados para a fibra final, mas em uma forma muito maior - o que os torna muito mais fáceis de fazer em configurações muito precisas. Então, a pré-forma é aquecida e carregada em uma torre de queda, onde é lentamente puxado através de um bico que o restringe a uma fibra estreita que tem um quadragésimo do diâmetro da pré-forma, preservando todas as formas e arranjos internos.

p No processo, o material também é alongado por um fator de 1, 600, de modo que uma pré-forma de 100 milímetros (4 polegadas de comprimento), por exemplo, torna-se uma fibra de 160 metros de comprimento (cerca de 525 pés), superando assim dramaticamente as limitações de comprimento inerentes aos dispositivos microfluídicos atuais. Isso pode ser crucial para alguns aplicativos, como a detecção de objetos microscópicos que existem em concentrações muito pequenas no fluido - por exemplo, um pequeno número de células cancerosas entre milhões de células normais.

p "Às vezes você precisa processar muito material porque o que você está procurando é raro, "diz Voldman, professor de engenharia elétrica com especialização em microtecnologia biológica. Isso torna esta nova tecnologia de microfluídica baseada em fibra especialmente apropriada para tais usos, ele diz, porque "as fibras podem ser feitas arbitrariamente longas, "permitindo mais tempo para o líquido permanecer dentro do canal e interagir com ele.

p Embora os dispositivos de microfluídica tradicionais possam criar canais longos fazendo um loop para frente e para trás em um pequeno chip, as voltas e reviravoltas resultantes mudam o perfil do canal e afetam a forma como o líquido flui, enquanto na versão de fibra, eles podem ser feitos pelo tempo que for necessário, sem mudanças na forma ou direção, permitindo fluxo ininterrupto, Yuan diz.

p O sistema também permite que componentes elétricos, como fios condutores, sejam incorporados à fibra. Eles podem ser usados, por exemplo, para manipular células, usando um método chamado dieletroforese, em que as células são afetadas de forma diferente por um campo elétrico produzido entre dois fios condutores nas laterais do canal.

p Com esses fios condutores no microcanal, pode-se controlar a voltagem para que as forças estejam "empurrando e puxando as células, e você pode fazer isso em altas taxas de fluxo, "Voldman diz.

p Como demonstração, a equipe fez uma versão do dispositivo de fibra de canal longo projetado para separar células, separando as células mortas das vivas, e comprovou sua eficiência na realização desta tarefa. Com mais desenvolvimento, eles esperam ser capazes de realizar uma discriminação mais sutil entre os tipos de células, Yuan diz.

p "Para mim, este foi um exemplo maravilhoso de como a proximidade entre grupos de pesquisa em um laboratório interdisciplinar como o RLE leva a pesquisas inovadoras, iniciado e liderado por um aluno de pós-graduação. Nós, o corpo docente, fomos essencialmente arrastados por nossos alunos, "Fink diz.

p Os pesquisadores enfatizam que não vêem o novo método como um substituto para a microfluídica atual, que funcionam muito bem para muitas aplicações. "Não se destina a substituir; se destina a aumentar" os métodos atuais, Voldman diz, permitindo algumas novas funções para usos específicos que não eram possíveis anteriormente.