Pesquisadores do MIT desenvolveram hardware que usa campos elétricos para mover gotículas de soluções químicas ou biológicas em torno de uma superfície, misturá-los de maneiras que poderiam ser usadas para testar milhares de reações em paralelo.

Os pesquisadores veem seu sistema como uma alternativa aos dispositivos microfluídicos agora comumente usados ​​em pesquisas biológicas, em que as soluções biológicas são bombeadas através de canais microscópicos conectados por válvulas mecânicas. A nova abordagem, que move soluções em padrões prescritos computacionalmente, pode permitir que os experimentos sejam realizados de forma mais eficiente, de forma econômica, e em escalas maiores.

"Os sistemas microfluídicos tradicionais usam tubos, válvulas, e bombas, "diz Udayan Umapathi, um pesquisador do MIT Media Lab, que liderou o desenvolvimento do novo sistema. "Isso significa que eles são mecânicos, e eles quebram o tempo todo. Percebi esse problema há três anos, quando eu estava em uma empresa de biologia sintética onde construí alguns desses sistemas microfluídicos e máquinas mecânicas que interagem com eles. Eu tive que cuidar dessas máquinas para ter certeza de que não explodissem. "

"A biologia está se movendo em direção a processos cada vez mais complexos, e precisamos de tecnologias para manipular gotas de menor e menor volume, "Umapathi diz." Bombas, válvulas, e os tubos rapidamente se tornam complicados. Na máquina que construí, demorei uma semana para montar 100 conexões. Digamos que você vá de uma escala de 100 conexões para uma máquina com um milhão de conexões. Você não será capaz de montar isso manualmente. "

Com seu novo sistema, Umapathi explica, milhares de gotas podem ser depositadas na superfície de seu dispositivo, e eles se moveriam automaticamente para realizar experimentos biológicos.

O sistema inclui software que permite aos usuários descrever, em um alto nível de generalidade, os experimentos que desejam realizar. O software então calcula automaticamente os caminhos das gotículas na superfície e coordena o tempo de operações sucessivas.

"O operador especifica os requisitos para o experimento - por exemplo, o reagente A e o reagente B precisam ser misturados nesses volumes e incubados por este período de tempo, e depois misturado com o reagente C. O operador não especifica como as gotas fluem ou onde se misturam. Tudo é pré-computado pelo software. "

Umapathi e seus co-autores - Hiroshi Ishii, o professor Jerome B. Wiesner de artes e ciências da mídia no MIT; Patrick Shin e Dimitris Koutentakis, Alunos de graduação do MIT trabalhando no laboratório de Ishii; e Sam Gen Chin, um estudante de graduação da Wellesley no laboratório - descreva seu novo sistema em um artigo publicado este mês no jornal online MRS Advances.

Nos últimos 10 anos, outros grupos de pesquisa fizeram experiências com "microfluídica digital, "ou manipulação elétrica de gotículas, para conduzir experimentos biológicos. Mas seus chips foram fabricados usando técnicas de gravação de ponta que requerem ambientes controlados conhecidos como salas limpas. Umapathi e seus colegas se concentraram em reduzir os custos. Seu protótipo usa uma placa de circuito impresso, um dispositivo eletrônico comum que consiste em uma placa de plástico com uma fiação de cobre depositada em cima dela.

O principal desafio técnico dos pesquisadores era projetar um revestimento para a superfície da placa de circuito que reduzisse o atrito, permitindo que as gotas deslizem sobre ele, e isso impediria que moléculas biológicas ou químicas aderissem a ele, para que não contaminem experimentos futuros. A placa de circuito é padronizada com uma série de eletrodos. No protótipo, os pesquisadores revestem a placa com uma matriz muito mais densa de pequenas esferas, apenas um micrômetro de altura, feito de um material hidrofóbico (repelente de água). Gotas patinam no topo das esferas. Os pesquisadores também estão experimentando outras estruturas além de esferas, que pode funcionar melhor com materiais biológicos específicos.

Como a superfície do dispositivo é hidrofóbica, gotículas depositadas sobre ele naturalmente tentam assumir uma forma esférica. Carregar um eletrodo puxa a gota para baixo, achatando-o. Se o eletrodo abaixo de uma gota achatada for gradualmente desligado, enquanto o eletrodo próximo a ele é gradualmente ligado, o material hidrofóbico conduzirá a gota em direção ao eletrodo carregado.

O movimento das gotas requer altas tensões, algo entre 95 e 200 volts. Mas 300 vezes por segundo, um eletrodo carregado no dispositivo dos pesquisadores do MIT alterna entre uma alta tensão, sinal de baixa frequência (1 quilohertz) e um sinal de alta frequência de 3,3 volts (200 quilohertz). O sinal de alta frequência permite que o sistema determine a localização de uma gota, usando essencialmente a mesma tecnologia dos telefones com tela de toque.

Se a gota não estiver se movendo rápido o suficiente, o sistema aumentará automaticamente a tensão do sinal de baixa frequência. Do sinal do sensor, o sistema também pode estimar o volume de uma gota, que, junto com informações de localização, permite acompanhar o progresso de uma reação.

Umapathi acredita que a microfluídica digital poderia cortar drasticamente o custo de procedimentos experimentais comuns na biologia industrial. Companhias farmaceuticas, por exemplo, frequentemente conduzirá muitos experimentos em paralelo, usando robôs equipados com dezenas ou mesmo centenas de pipetas, pequenos tubos de medição que se assemelham a conta-gotas alongados.

“Se você olhar para as empresas de descoberta de medicamentos, um robô pipetador usa um milhão de pontas de pipeta em uma semana, "Umapathi diz." Isso é parte do que está impulsionando o custo da criação de novos medicamentos. Estou começando a desenvolver alguns ensaios de líquidos que podem reduzir o número de operações de pipetagem em 100 vezes. "

“Nos últimos 15, 20 anos, a tendência geral no setor farmacêutico tem sido avançar para volumes menores, porque eles têm maior capacidade de multiplexação, "diz Charles Fracchia, fundador e CEO da BioBright, uma empresa que desenvolve sistemas de informação para gerenciar a riqueza de dados gerados por modernos, experimentos biológicos de alto volume. "Quando se trata de microfluídica digital, a maneira como Uday an faz, é efetivamente uma versão mais barata, e é unilateral em vez de ser imprensado entre dois eletrodos. Eu não quero chamá-lo de bio DIY, mas é de baixo custo, instrumentação mais simples, acesso mais fácil. Ele definitivamente atingiu essa nota muito melhor do que [os sistemas anteriores]. É emocionante que ele tenha conseguido fazer isso com voltagem mais baixa, e é emocionante que ele possa fazer isso com um único eletrodo. "

Esta história foi republicada por cortesia do MIT News (web.mit.edu/newsoffice/), um site popular que cobre notícias sobre pesquisas do MIT, inovação e ensino.