/ jueves 9 de diciembre de 2021

UG TU CONECTE CON LA CIENCIA

Laboratorios de análisis en un chip del tamaño de nuestro pulgar Lab-on-a-chip

Jonathan U. Álvarez-Martínez, Guillermo Segura-Gómez, Orlando Medina-Cázares,

Ignacio R. Rosas-Román, Misael Ruiz-Veloz, Gerardo Gutiérrez-Juárez*, R. Castro-Beltrán*

Laboratorio de Biofotoacústica

División de Ciencias e Ingenierías

Universidad de Guanajuato-Campus León


El desarrollo de laboratorios en un chip (Lab-on-a-chip o su acrónimo en inglés LOC) es un área de investigación enfocada en el desarrollo de dispositivos micrométricos para la detección e identificación de especies bioquímicas, desarrollo de miro-reactores, el seguimiento en tiempo real de mezclas a escalas de picolitros (0.000000000001 litros), microencapsulación de fármacos, enfocamiento y asilamiento de partículas, entre otras aplicaciones de vanguardia. La versatilidad en el concepto tecnológico radica en el hecho que es un área multidisciplinaria y transdiciplinaria ya que en ella convergen áreas cómo microfluídica, química, biología, mecánica estadística, óptica, fotónica, electrónica, procesamiento de imágenes, fotoacústica, etc.

Un LOC esta conformado por sistemas microfluídicos (sistemas de microcanales con diseños específicos en los que circulan volúmenes muy pequeños de líquidos) con diseños regidos por su aplicación, y detectores o técnicas de detección que cuantifican los cambios en el chip a partir de procesos ópticos, electrónicos, captura imágenes, señales acústicas producidas por excitación láser, etc., (a los cuales llamaremos transductores).

La fabricación de estos sistemas microfluídicos (chips) está asociada generalmente con técnicas de impresión láser (IL) y procesos de réplica de moldes maestros (RMM). Brevemente, para las técnicas basadas en IL, la luz de un láser imprime el diseño del chip sobre una resina o un vidrio, donde, el resultado será utilizado como molde o directamente como microcanales por donde circulará líquido. Por otro lado, la fabricación basada en RMM se basa en procesos de litografía suave (un proceso fisicoquímico en donde una resina viscosa se vierte sobre un molde y al solidificar adquiere la forma de este) para generar los moldes.

En el laboratorio de Biofotoacústica de la División de Ciencias e Ingenierías de la Universidad de Guanajuato-Campus León, se desarrollan LOCs basados en sistemas microfluídicos en donde, la impresión de los moldes se lleva a cabo por la técnica de IL y la fabricación de los LOCs a partir de procesos de litografía suave. Los proyectos en los que el laboratorio de Biofotoacústica trabaja son:


  1. Aplicación de LOCs para la detección, identificación y seguimiento de glóbulos rojos

En esta aplicación, el sistema microfluídico es un sistema en donde se generan in situ microgotas a partir de la interacción de dos líquidos inmiscibles. El concepto y la idea detrás de este tipo de diseños es simple: en uno de los líquidos estarán contenidos las células, las cuales podremos cuantificar, excitar ópticamente, detectar su respuesta acústica, tomar imágenes, etc. Actualmente, el grupo de trabajo enfocado en el desarrollo del proyecto ha presentado logros tecnológicos sorprendentes, nuestros chips generan de manera controlada, con frecuencias de repetición bien definidas y con volúmenes controlados, microgotas, las cuales, a la fecha cuantificamos, exploramos la morfología de cada uno de estas y cuantificamos la tasa de generación. Para poner esto en contexto, en un minuto de generación de microgotas, cuantificamos más de 10,000 microgotas, donde, cada gota tiene un volumen de 105 nL (1nL=0.000000001 L). A su vez, las variaciones en el contenido de las microgotas se detectan por procesos fotoacústicos en donde, la gota es ópticamente excitada por un láser, esto genera un fenómeno de propagación de ondas mecánicas (sonido) las cuales se detectan por sensores acústicos adjuntos al sistema microfluídico. De esta forma, las variaciones en el contenido de información que lleva una gota se dan a partir de un proceso dual en donde video microscopía y fotoacústica convergen en un mismo LOC. g


  1. Aplicación de LOCs para la generación de microláseres

La generación de microgotas, a partir de dos líquidos inmiscibles es sin duda, la morfología y concepción idónea de una cavidad óptica. Esto es, los dos líquidos presentan propiedades ópticas diferentes, por ejemplo, el índice de refracción (propiedad dispersiva de los materiales al interaccionar con luz), que propicia que la luz se quede atrapada dentro de la gota y que ésta a su vez, interaccione constantemente con el material que en ésta se concentra. Suponga que el material tiene la propiedad, que una vez que es ópticamente excitado con luz de un color, de emitir luz de colores diferentes a los de la luz con que fue excitado (fenómeno conocido como fluorescencia). Esta nueva luz se refleja en las paredes de la microgota muchas de veces (resonancia) hasta mejorar sus propiedades de emisión y reducir confinar ese rango de emisiones (colores) a un rango muy pequeño de estos, a este fenómeno lo llamaremos emisiones láser. Lo sorprendente de esta nueva emisión láser es precisamente que proviene de sistemas micrométricos generados por una nueva tecnología basada en microfluídica. Esta ruta de generación de microláseres, es una oportunidad única para la comunidad científica y tecnológica ya que nuevos materiales fluorescentes, diferentes concentraciones, volúmenes y configuraciones múltiples pueden ser caracterizados sin necesidad de recurrir a procedimientos sofisticados de fabricación para lograrlo. A su vez, con múltiples materiales siendo caracterizados, esto abre la posibilidad de ampliar el espectro de colores emitidos de forma simple, de bajo costo y de gran acceso tecnológico para la comunidad fotónica.


  1. Generación de microláseres y encapsulación multicelular todo en un LOC

Las dos tecnologías descritas arriba, dan pauta a que una nueva forma de excitación multicelular pueda llevarse a cabo en vista de:


  • Marcadores biológicos

  • Excitación láser localizada

El dispositivo microfluídico puede generar tanto los microláseres como encapsular, por ejemplo, glóbulos rojos. Estos dos sistemas pueden converger en un micro depósito donde ambos sistemas interactúen y puedan ser ópticamente excitados.

La generación de las microgotas, para ambos procesos, a partir de un único dispositivo microfluídico es actualmente un reto al que los integrantes del laboratorio de Biofotoacústica se enfrentan. Para ello, nuevas técnicas de video microscopía, caracterización de microláseres, simulación por elemento finito de los nuevos diseños de dispositivos microfluídicos, procesos estadísticos y desarrollo de circuitos electrónicos son algunos de los temas que un grupo de trabajo de estudiantes de licenciatura, doctorado e investigadores atienden de forma grupal.

Cualquier comentario sobre este artículo, favor de dirigirlo a eugreka@ugto.mx. Para consulta de más artículos www.ugto.mx/eugreka



Laboratorios de análisis en un chip del tamaño de nuestro pulgar Lab-on-a-chip

Jonathan U. Álvarez-Martínez, Guillermo Segura-Gómez, Orlando Medina-Cázares,

Ignacio R. Rosas-Román, Misael Ruiz-Veloz, Gerardo Gutiérrez-Juárez*, R. Castro-Beltrán*

Laboratorio de Biofotoacústica

División de Ciencias e Ingenierías

Universidad de Guanajuato-Campus León


El desarrollo de laboratorios en un chip (Lab-on-a-chip o su acrónimo en inglés LOC) es un área de investigación enfocada en el desarrollo de dispositivos micrométricos para la detección e identificación de especies bioquímicas, desarrollo de miro-reactores, el seguimiento en tiempo real de mezclas a escalas de picolitros (0.000000000001 litros), microencapsulación de fármacos, enfocamiento y asilamiento de partículas, entre otras aplicaciones de vanguardia. La versatilidad en el concepto tecnológico radica en el hecho que es un área multidisciplinaria y transdiciplinaria ya que en ella convergen áreas cómo microfluídica, química, biología, mecánica estadística, óptica, fotónica, electrónica, procesamiento de imágenes, fotoacústica, etc.

Un LOC esta conformado por sistemas microfluídicos (sistemas de microcanales con diseños específicos en los que circulan volúmenes muy pequeños de líquidos) con diseños regidos por su aplicación, y detectores o técnicas de detección que cuantifican los cambios en el chip a partir de procesos ópticos, electrónicos, captura imágenes, señales acústicas producidas por excitación láser, etc., (a los cuales llamaremos transductores).

La fabricación de estos sistemas microfluídicos (chips) está asociada generalmente con técnicas de impresión láser (IL) y procesos de réplica de moldes maestros (RMM). Brevemente, para las técnicas basadas en IL, la luz de un láser imprime el diseño del chip sobre una resina o un vidrio, donde, el resultado será utilizado como molde o directamente como microcanales por donde circulará líquido. Por otro lado, la fabricación basada en RMM se basa en procesos de litografía suave (un proceso fisicoquímico en donde una resina viscosa se vierte sobre un molde y al solidificar adquiere la forma de este) para generar los moldes.

En el laboratorio de Biofotoacústica de la División de Ciencias e Ingenierías de la Universidad de Guanajuato-Campus León, se desarrollan LOCs basados en sistemas microfluídicos en donde, la impresión de los moldes se lleva a cabo por la técnica de IL y la fabricación de los LOCs a partir de procesos de litografía suave. Los proyectos en los que el laboratorio de Biofotoacústica trabaja son:


  1. Aplicación de LOCs para la detección, identificación y seguimiento de glóbulos rojos

En esta aplicación, el sistema microfluídico es un sistema en donde se generan in situ microgotas a partir de la interacción de dos líquidos inmiscibles. El concepto y la idea detrás de este tipo de diseños es simple: en uno de los líquidos estarán contenidos las células, las cuales podremos cuantificar, excitar ópticamente, detectar su respuesta acústica, tomar imágenes, etc. Actualmente, el grupo de trabajo enfocado en el desarrollo del proyecto ha presentado logros tecnológicos sorprendentes, nuestros chips generan de manera controlada, con frecuencias de repetición bien definidas y con volúmenes controlados, microgotas, las cuales, a la fecha cuantificamos, exploramos la morfología de cada uno de estas y cuantificamos la tasa de generación. Para poner esto en contexto, en un minuto de generación de microgotas, cuantificamos más de 10,000 microgotas, donde, cada gota tiene un volumen de 105 nL (1nL=0.000000001 L). A su vez, las variaciones en el contenido de las microgotas se detectan por procesos fotoacústicos en donde, la gota es ópticamente excitada por un láser, esto genera un fenómeno de propagación de ondas mecánicas (sonido) las cuales se detectan por sensores acústicos adjuntos al sistema microfluídico. De esta forma, las variaciones en el contenido de información que lleva una gota se dan a partir de un proceso dual en donde video microscopía y fotoacústica convergen en un mismo LOC. g


  1. Aplicación de LOCs para la generación de microláseres

La generación de microgotas, a partir de dos líquidos inmiscibles es sin duda, la morfología y concepción idónea de una cavidad óptica. Esto es, los dos líquidos presentan propiedades ópticas diferentes, por ejemplo, el índice de refracción (propiedad dispersiva de los materiales al interaccionar con luz), que propicia que la luz se quede atrapada dentro de la gota y que ésta a su vez, interaccione constantemente con el material que en ésta se concentra. Suponga que el material tiene la propiedad, que una vez que es ópticamente excitado con luz de un color, de emitir luz de colores diferentes a los de la luz con que fue excitado (fenómeno conocido como fluorescencia). Esta nueva luz se refleja en las paredes de la microgota muchas de veces (resonancia) hasta mejorar sus propiedades de emisión y reducir confinar ese rango de emisiones (colores) a un rango muy pequeño de estos, a este fenómeno lo llamaremos emisiones láser. Lo sorprendente de esta nueva emisión láser es precisamente que proviene de sistemas micrométricos generados por una nueva tecnología basada en microfluídica. Esta ruta de generación de microláseres, es una oportunidad única para la comunidad científica y tecnológica ya que nuevos materiales fluorescentes, diferentes concentraciones, volúmenes y configuraciones múltiples pueden ser caracterizados sin necesidad de recurrir a procedimientos sofisticados de fabricación para lograrlo. A su vez, con múltiples materiales siendo caracterizados, esto abre la posibilidad de ampliar el espectro de colores emitidos de forma simple, de bajo costo y de gran acceso tecnológico para la comunidad fotónica.


  1. Generación de microláseres y encapsulación multicelular todo en un LOC

Las dos tecnologías descritas arriba, dan pauta a que una nueva forma de excitación multicelular pueda llevarse a cabo en vista de:


  • Marcadores biológicos

  • Excitación láser localizada

El dispositivo microfluídico puede generar tanto los microláseres como encapsular, por ejemplo, glóbulos rojos. Estos dos sistemas pueden converger en un micro depósito donde ambos sistemas interactúen y puedan ser ópticamente excitados.

La generación de las microgotas, para ambos procesos, a partir de un único dispositivo microfluídico es actualmente un reto al que los integrantes del laboratorio de Biofotoacústica se enfrentan. Para ello, nuevas técnicas de video microscopía, caracterización de microláseres, simulación por elemento finito de los nuevos diseños de dispositivos microfluídicos, procesos estadísticos y desarrollo de circuitos electrónicos son algunos de los temas que un grupo de trabajo de estudiantes de licenciatura, doctorado e investigadores atienden de forma grupal.

Cualquier comentario sobre este artículo, favor de dirigirlo a eugreka@ugto.mx. Para consulta de más artículos www.ugto.mx/eugreka