Aparato utilizado para las pruebas de vuelo del analizador de compuestos orgánicos microfluídicos (MOA) que consiste en el chip PMA-µCE, su hardware operativo y el conjunto de sensores. A) Vista del instrumento principal, que muestra la ubicación de los componentes internos, incluida la placa del sensor, el sensor de caudal y el NI DAQ que se utilizan para obtener información ambiental y experimental. B) El chip PMA-µCE se probó con secciones etiquetadas: un almacén de reactivos para la incubación y el almacenamiento de productos químicos durante el análisis, un procesador de microfluidos que maneja la entrega de fluidos alrededor del chip y canales de detección donde se extraen tintes fluorescentes a través del LIF para la medición. C) Vista aérea del equipo de prueba operado y monitoreado durante la exposición a microgravedad. Ambas personas en la foto han dado su consentimiento para su uso. D) Esquema del sistema de sensores, control y dispositivos auxiliares. Préstamo: por ejemplo, microgravedad (2023). DOI: 10.1038/s41526-023-00290-3
En un nuevo informe publicado en por ejemplo, microgravedad, Zachary Estlack y un equipo de investigación de ingeniería mecánica y ciencia espacial de la Universidad de Utah y la Universidad de California, Berkeley, desarrollaron un analizador orgánico de microfluidos para detectar firmas de vida extraterrestre y monitorear clínicamente la salud de los astronautas. El equipo realizó extensas pruebas ambientales en varias atmósferas de gravedad para validar la funcionalidad y la preparación tecnológica del analizador.
Los científicos planetarios simularon los entornos lunares, marcianos, de gravedad cero e hipergravedad que se encuentran típicamente durante las operaciones aéreas. vuelo parabolico para confirmar la funcionalidad del analizador de microfluidos. Los resultados de la investigación allanan el camino para la integración de instrumentos de microfluidos en una variedad de oportunidades de misiones espaciales.
Microflujos en el espacio
La microfluídica representa una importante innovación técnica en la investigación biomédica in vitro. El concepto también se presta a la astrobiología para el análisis de firmas biológicas durante los vuelos espaciales al ajustar el volumen de fluidos a escala nano/micro en estudios bioquímicos altamente sensibles mientras se mantiene una huella física pequeña. Como resultado, los instrumentos en miniatura son particularmente atractivos para analizar rastros biológicos de vida extraterrestre.
Los científicos planetarios ya han recolectado y estudiado minuciosamente muestras de hielo de las lunas de Saturno y Júpiter. Encelado y Europa con dispositivos microfluídicos. Dichos instrumentos analíticos también son útiles para monitorear la salud de la tripulación de vuelo. Si bien los sistemas de bioanálisis de microfluidos aún están en desarrollo, los bioingenieros se esfuerzan por mejorar su sensibilidad gravitacional y eficiencia energética para reconfigurables y compactos in-situ. exploración espacial.
Configuración del dispositivo
Estlack y sus colegas desarrollaron un sistema analizador orgánico de microfluidos (MOA) con una matriz de microondas programable integrada (PMA) junto con microcanales de vidrio y sistema de detección de fluorescencia inducida por láser (LIF).. Durante el desarrollo del analizador orgánico, se centraron en el sistema de instrumentos de formato de vuelo en el nivel de preparación tecnológica para evaluar la madurez del dispositivo para la comercialización, apropiado para vuelos espaciales, para identificar analitos de interés.
Este trabajo arroja luz sobre los resultados de los dos primeros vuelos de una serie de cinco vuelos en microgravedad para evaluar el rendimiento de la microfluídica en condiciones de microgravedad. Los kits de válvulas microfluídicas ayudaron en la preparación y ajuste de muestras de instrumentos para etiquetar, incubar y entregar muestras automáticamente a un chip de electroforesis capilar integrado y detectar la fluorescencia inducida por láser en la misma configuración. En general, el instrumento integró un analizador de materia orgánica microfluídica, una matriz de analizador de microválvulas que contenía un chip integrado para detectar la fluorescencia inducida por láser y un conjunto de sensores.
Prueba del dispositivo en vuelos parabólicos simulados
El equipo de investigación estudió los parámetros funcionales generales durante el vuelo para garantizar que todos los entornos de prueba estén monitoreados y regulados. A medida que la simulación del avión ascendía, la presión descendía, lo que provocaba un descenso general de la temperatura que afectaba al instrumento de microfluidos. Sin embargo, los cambios en los parámetros operativos tuvieron un impacto mínimo en el rendimiento general del instrumento.
Estlack y su equipo realizaron análisis de caudal durante los períodos de vuelo lunar, marciano y de hipergravedad. Notaron cambios en el flujo de retorno inicial y la tasa de flujo máximo a medida que aumentaba la gravedad. Los resultados de la simulación mostraron que el entorno de gravedad tuvo un efecto mínimo en el rendimiento del instrumento.
Evaluación del desempeño de los instrumentos
Basándose en la capacidad de controlar con precisión el volumen en diversas condiciones de gravedad, el equipo realizó diluciones automatizadas para determinar el rendimiento del instrumento para futuros ensayos de matriz de biomarcadores. Completaron tres pasos de la secuencia de dilución y los registraron durante el vuelo.
Durante los dos primeros pasos, transfirieron el tampón y el fluoróforo al pozo de almacenamiento en las proporciones deseadas. Como paso final, cargaron un microvolumen de fluoróforo diluido en los canales de detección incorporados y lo movieron a través de un detector de fluorescencia usando vacío. Los experimentos realizados en microgravedad o gravedad marciana siguieron una secuencia de dilución específica y mostraron poca variabilidad.
Aumentar el nivel de preparación tecnológica en los instrumentos.
Los científicos espaciales y los bioingenieros combinaron los resultados de los dos primeros vuelos para mejorar la preparación tecnológica de un analizador de microfluidos orgánicos. Sus exitosos resultados en condiciones de microgravedad justificaron su inclusión en misiones espaciales. Por ejemplo, con la disminución de la gravedad, la capacidad de bombeo del instrumento permaneció constante, aunque el aumento de la gravedad debilitó el instrumento en el área del sistema de microválvulas, sin embargo, el analizador de orgánicos permaneció intacto en diversas condiciones.
Los resultados del estudio subrayaron la idoneidad del instrumento para aplicaciones que detectan y etiquetan analitos químicos y bioquímicos de origen extraterrestre. La insensibilidad del instrumento al campo gravitatorio en condiciones de laboratorio simuladas justificó su idoneidad para su uso en el espacio.
-
Conjunto de chips PMA-µCE. (A) Vista detallada de las capas del chip PMAµCE (capa líquida (verde), capa neumática (azul) y chip µCE (rojo)). Las capas superior e intermedia se producen utilizando PDMS y litografía blanda convencional, y la capa inferior es de vidrio y se produce mediante grabado y unión de vidrio. La capa superior tiene un grosor de 4,5 mm con canales neumáticos de 80 µm de grosor que dirigen la presión aplicada o el vacío a la microválvula deseada. La capa intermedia tiene un grosor de 250 µm con canales de fluido de 50 µm de alto y 250 µm de ancho con membranas y compuertas de microválvulas. Responden a condiciones de presión o vacío abriendo o cerrando cada microválvula en el chip. Los canales de fluido tienen 250 µm de ancho para reducir los efectos de la resistencia del fluido y permitir una operación más rápida. La capa inferior es el chip µCE que se utiliza como canal de detección en estos experimentos. El canal µCE tiene 30 µm de alto y 110 µm de ancho. Las tres capas se integran a través de la exposición al plasma de oxígeno, con una alineación precisa que garantiza que las tres capas se unan correctamente. (B) Sección transversal de la capa líquida (verde) y cómo interactúa con la capa neumática (azul) y el chip µCE (rojo) tanto en presión como en vacío. Con esta sencilla configuración de bombeo, el PMA puede producir hasta 850 nL por ciclo de flujo directo neto en condiciones normales de uso. Préstamo: por ejemplo, microgravedad (2023). DOI: 10.1038/s41526-023-00290-3
-
Rutas de flujo para cada uno de los experimentos realizados mientras volaba en microgravedad. (A) Secuencia utilizada en el experimento de caudal, extrayendo de un pozo de almacenamiento y bombeando a otro que está conectado a un sensor de caudal. (B) Secuencia utilizada para probar diferentes proporciones de mezcla, divididas en tres componentes principales: suministro de tampón, suministro de resorufina y carga y detección de muestra de dilución. Préstamo: por ejemplo, microgravedad (2023). DOI: 10.1038/s41526-023-00290-3
-
Calendario de pruebas de vuelo. Las regiones verdes representan períodos de alternancia de baja gravedad e hipergravedad. El amarillo es el período (~3 min) de vuelo nivelado entre períodos de parábola de baja gravedad. La línea en la parte superior de cada vuelo representa el perfil de vuelo aproximado y las condiciones de gravedad están marcadas en la parte inferior. (Arriba) El vuelo 1 estaba probando tasas de flujo bajo la gravedad lunar y marciana solo porque un problema mecánico con el avión obligó a que el vuelo terminara antes de tiempo. Esto permitió cambios en el plan del experimento de re-vuelo. (Abajo) El lote 2 se centró en las características de mezcla, el chip mezcló, administró y detectó secuencialmente las mezclas designadas de tampón de borato y resorufina. Entre P2.1 y P2.2 y después de P2.4, se extrajo el volumen de la mezcla remanente en los pozos de almacenamiento correspondientes para la posterior verificación de las mediciones del suelo. Préstamo: por ejemplo, microgravedad (2023). DOI: 10.1038/s41526-023-00290-3
perspectivas
Por lo tanto, Zachary Estlack y sus colegas examinaron el nivel de preparación tecnológica del instrumento de microfluidos para misiones espaciales para estudiar firmas bioquímicas extraterrestres y monitorear la salud de los astronautas en el futuro. Las lecciones aprendidas de este primer vuelo informarán futuros estudios planificados en microgravedad e hipergravedad, que incluyen estudios de electroforesis capilar y monitoreo de la salud de la tripulación de astronautas con pruebas clínicas simuladas para revelar biomarcadores de particular interés.
Los resultados de estos estudios y los vuelos futuros planificados revelarán las diversas capacidades de los instrumentos durante y después de las misiones espaciales planificadas.
© 2023 Ciencia X Red