O laboratório principal conduziu uma revisão da literatura

Feb 29, 2024

Instituto de Tecnologia de Pequim Press Co., Ltd

imagem: Microválvulas ativas e microválvulas passivas em chips microfluídicos. (A) Estrutura típica de microválvula ativa: braço deslizante. As estruturas PDMS contêm um canal guia e um canal fluídico e foram ligadas a uma superfície plana de PDMS. (B) Princípio de funcionamento da válvula de mangote. (C) Princípio de funcionamento da microválvula de mudança de fase. (D) Princípio de funcionamento da microválvula de bolha quente.Veja mais

Crédito: Espaço: Ciência e Tecnologia

A utilização do ambiente espacial para realizar pesquisas em ciências da vida é de grande importância para questões que afetam a ocorrência e o desenvolvimento da vida na Terra por meio de voos espaciais e do ambiente espacial; no entanto, existem limitações na manipulação complexa, modelos de pesquisa baseados em experimentos de cultura de células de mamíferos e 2D, etc. Os chips microfluídicos, também conhecidos como "lab-on-chip (LOC)", integram as funções relacionadas dos laboratórios tradicionais em um mícron. chip de nível com baixo consumo de energia, alto rendimento e automação, que pode realizar operação experimental de longo prazo e gravação e transmissão remota de dados, superando assim os desafios dos ambientes espaciais, os escassos recursos experimentais e os problemas de operação não tripulada para alguns extensão. Para realizar pesquisas relacionadas com chips microfluídicos, a atuação e o controle da microfluídica são muito importantes. Em um artigo de revisão publicado recentemente na Space: Science & Technology, pesquisadores do Laboratório Chave de Pequim para Separação e Análise em Biomedicina e Produtos Farmacêuticos, Escola de Ciências da Vida, Instituto de Tecnologia de Pequim, discutiram e resumiram de forma abrangente o progresso dos sistemas microfluídicos atuados e controlados e a aplicação potencial e os desafios na ciência espacial.

Em primeiro lugar, é resumido o desenvolvimento atual de tecnologias microfluídicas atuadas e controladas. No chip microfluídico, as microbombas que desempenham o papel de transmissão e distribuição do fluxo de fluido são divididas principalmente em duas categorias, a microbomba mecânica (atuando em alguma estrutura do chip) e as microbombas não mecânicas (acionando diretamente o fluido). As microbombas mecânicas transferem e controlam microfluidos pelas partes móveis mecânicas, cujos representantes são microbomba de diafragma, microbomba de pistão, microbomba de engrenagem planetária, microbomba pneumática, microbomba elétrica, microbomba piezoelétrica e microbomba acionada opticamente, simples em design e operação, mas limitada por deformação e fragilidade do filme, processo de fabricação complexo, alto custo, baixa confiabilidade e difícil integração. As microbombas não mecânicas dependem de vários efeitos físicos ou químicos para converter parte da energia não mecânica em energia cinética para conduzir o fluido, cujos representantes são microbomba eletroosmótica, microbomba magnetohidrodinâmica, microbomba tipo bolha, microbomba capilar e onda acústica de superfície (SAW ) microbomba, com certo grau de estabilidade durante a fabricação, mas exigindo circuitos de acionamento complexos, equipamentos externos e energia extra durante a operação. A microválvula é um elemento de controle de chave para o fluxo de fluido, que geralmente está localizado na frente do nó de entrada do sistema e do nó do canal. A microválvula é dividida em válvula ativa e válvula passiva aqui. A válvula ativa não depende da conversão de energia, mas atua diretamente na troca do fluido, como a parede deslizante e as válvulas de mangote. A microválvula passiva é afetada principalmente pela frequência de ação da câmara da bomba, para controlar a direção do fluxo e a pressão do fluido, como microválvula de mudança de fase, microválvula de bolha quente e microválvula de fluido magnético. Nos últimos anos, tem sido dada cada vez mais atenção à combinação de diferentes métodos para superar as deficiências de um único mecanismo microfluídico acionado ou controlado.

Em seguida, foram brevemente discutidas aplicações de chips ou sistemas microfluídicos sob condições espaciais de simulação ou alguma área aeroespacial específica. Sob microgravidade simulada, Michel et al. indicaram que a plataforma LOC totalmente em vidro pode ser implementada com sucesso para o cultivo de células formadoras de queratina humana e células de melanoma da pele, Yang et al. descobriram que no estágio inicial da germinação das sementes, a resposta do fator de crescimento foi significativamente reduzida após a suspensão das sementes, Wang et construíram uma análise de danos por microgravidade em Cryptobacterium hidradenum, e Yew et al. desenvolveu um sistema de clinorotação LOC para atender à necessidade de rastreamento de respostas celulares de curto prazo e o estabelecimento de ambientes fluídicos dinâmicos. Alguns países têm realizado sucessivamente projectos de investigação em ciências da vida espaciais baseados em chips microfluídicos, como a missão STS-116 (lançamento do primeiro microchip capaz de detectar bactérias Gram-negativas no espaço), a nave espacial "Foton-M3" (baixa testes de órbita terrestre), rHEALTH (projetando um dispositivo de chip microfluídico reutilizável chamado para monitorar a saúde dos astronautas durante voos longos no espaço), CubeSat (uma validação significativa não apenas de sistemas LOC, mas também de centrífugas g variáveis ​​​​em miniatura operando em CubeSat de vôo livre ), o primeiro órgão espacial em chip financiado pelos Institutos Nacionais de Saúde, BioSentinel (um exemplo de microssistemas bioanalíticos autônomos) e a carga útil modular de chip de laboratório da ISRO. Enquanto isso, a equipe de pesquisa vem conduzindo pesquisas em ciências da vida espacial com base em chips microfluídicos há mais de 10 anos e conseguiu vários lançamentos espaciais com sucesso. Resumindo, a pesquisa em ciências da vida espacial requer plataformas de detecção altamente integradas, automatizadas e funcionalmente diversas, e os chips microfluídicos têm vantagens únicas.