I ricercatori del MIT hanno sviluppato hardware che utilizza campi elettrici per spostare goccioline di soluzioni chimiche o biologiche attorno a una superficie, mescolandoli in modi che potrebbero essere usati per testare migliaia di reazioni in parallelo.

I ricercatori vedono il loro sistema come un'alternativa ai dispositivi microfluidici ora comunemente usati nella ricerca biologica, in cui le soluzioni biologiche vengono pompate attraverso canali microscopici collegati da valvole meccaniche. Il nuovo approccio, che sposta le soluzioni in schemi computazionalmente prescritti, potrebbe consentire di condurre esperimenti in modo più efficiente, conveniente, e su scale più grandi.

"I tradizionali sistemi microfluidici utilizzano tubi, valvole, e pompe, "dice Udayan Umapathi, un ricercatore presso il MIT Media Lab, che ha guidato lo sviluppo del nuovo sistema. "Ciò significa che sono meccanici, e si rompono continuamente. Ho notato questo problema tre anni fa, quando ero in un'azienda di biologia sintetica dove ho costruito alcuni di questi sistemi microfluidici e macchine meccaniche che interagiscono con essi. Ho dovuto fare da babysitter a queste macchine per assicurarmi che non esplodessero".

"La biologia si sta muovendo verso processi sempre più complessi, e abbiamo bisogno di tecnologie per manipolare goccioline di volume sempre più piccolo, " dice Umapathi. "Pompe, valvole, e i tubi diventano rapidamente complicati. Nella macchina che ho costruito, mi ci è voluta una settimana per assemblare 100 connessioni. Supponiamo di passare da una scala di 100 connessioni a una macchina con un milione di connessioni. Non sarai in grado di assemblarlo manualmente."

Con il suo nuovo sistema, Umapati spiega, migliaia di goccioline potrebbero depositarsi sulla superficie del suo dispositivo, e si muoverebbero automaticamente per eseguire esperimenti biologici.

Il sistema include un software che consente agli utenti di descrivere, ad un alto livello di generalità, gli esperimenti che desiderano condurre. Il software calcola quindi automaticamente i percorsi delle gocce sulla superficie e coordina i tempi delle operazioni successive.

"L'operatore specifica i requisiti per l'esperimento, ad esempio il reagente A e il reagente B devono essere miscelati in questi volumi e incubati per questo lasso di tempo, e quindi miscelato con il reagente C. L'operatore non specifica come scorrono le goccioline o dove si mescolano. È tutto precalcolato dal software."

Umapathi e i suoi coautori:Hiroshi Ishii, il Jerome B. Wiesner Professor of Media Arts and Sciences al MIT; Patrick Shin e Dimitris Koutentakis, studenti del MIT che lavorano nel laboratorio di Ishii; e Sam Gen Chin, uno studente universitario di Wellesley in laboratorio:descrivi il loro nuovo sistema in un articolo apparso questo mese sulla rivista online MRS Advances.

Negli ultimi 10 anni, altri gruppi di ricerca hanno sperimentato la "microfluidica digitale, " o manipolazione elettrica delle goccioline, condurre esperimenti biologici. Ma i loro chip sono stati prodotti utilizzando tecniche di incisione di fascia alta che richiedono ambienti controllati noti come camere bianche. Umapathi ei suoi colleghi si sono concentrati sulla riduzione dei costi. Il loro prototipo utilizza un circuito stampato, un dispositivo elettronico di base che consiste in una scheda di plastica con cablaggio in rame depositato sopra di essa.

La principale sfida tecnica dei ricercatori era progettare un rivestimento per la superficie del circuito che riducesse l'attrito, permettendo alle goccioline di scivolare su di esso, e ciò impedirebbe alle molecole biologiche o chimiche di attaccarsi ad esso, in modo che non contaminino esperimenti futuri. Il circuito è modellato con una serie di elettrodi. Nel prototipo, i ricercatori rivestono il tabellone con una serie molto più densa di minuscole sfere, alto solo un micrometro, realizzato con un materiale idrorepellente (idrorepellente). Le goccioline pattinano sulla sommità delle sfere. I ricercatori stanno anche sperimentando strutture diverse dalle sfere, che può funzionare meglio con particolari materiali biologici.

Poiché la superficie del dispositivo è idrofoba, le goccioline depositate su di esso cercano naturalmente di assumere una forma sferica. Caricare un elettrodo tira la goccia verso il basso, appiattendolo. Se l'elettrodo al di sotto di una goccia appiattita viene gradualmente spento, mentre l'elettrodo accanto si accende gradualmente, il materiale idrofobo guiderà la gocciolina verso l'elettrodo carico.

Le goccioline in movimento richiedono alte tensioni, da qualche parte tra 95 e 200 volt. Ma 300 volte al secondo, un elettrodo carico nel dispositivo dei ricercatori del MIT si alterna tra un alto voltaggio, segnale a bassa frequenza (1 kilohertz) e un segnale ad alta frequenza da 3,3 volt (200 kilohertz). Il segnale ad alta frequenza consente al sistema di determinare la posizione di una goccia, utilizzando essenzialmente la stessa tecnologia utilizzata dai telefoni touch-screen.

Se la goccia non si muove abbastanza rapidamente, il sistema aumenterà automaticamente la tensione del segnale a bassa frequenza. Dal segnale del sensore, il sistema può anche stimare il volume di una goccia, quale, insieme alle informazioni sulla posizione, consente di monitorare l'andamento di una reazione.

Umapathi ritiene che la microfluidica digitale potrebbe ridurre drasticamente il costo delle procedure sperimentali comuni nella biologia industriale. Case farmaceutiche, ad esempio, condurrà frequentemente molti esperimenti in parallelo, utilizzando robot dotati di dozzine o addirittura centinaia di pipette, piccoli tubi di misurazione che sono piuttosto come contagocce allungati.

"Se guardi alle società di scoperta di farmaci, un robot pipettatore utilizza un milione di puntali in una settimana, " Umapathi dice. "Questo fa parte di ciò che sta determinando il costo della creazione di nuovi farmaci. Sto iniziando a sviluppare alcuni test liquidi che potrebbero ridurre di 100 volte il numero di operazioni di pipettaggio".

"Negli ultimi 15, 20 anni, la tendenza generale nel settore farmaceutico è stata quella di spostarsi verso volumi più piccoli, perché hanno una maggiore capacità di multiplexing, "dice Carlo Fracchia, fondatore e CEO di BioBright, una società che sviluppa sistemi informativi per gestire il patrimonio di dati generato da moderne, esperimenti biologici ad alto volume. "Quando si tratta di microfluidica digitale nel modo in cui lo fa Udayan, è effettivamente una versione più economica, ed è unilaterale invece di essere inserito tra due elettrodi. Non voglio chiamarla bio fai-da-te, ma costa meno strumentazione più semplice, accesso più facile. Ha decisamente suonato quella nota molto meglio di quanto facessero [i sistemi precedenti]. È emozionante che sia riuscito a farlo con un voltaggio più basso, ed è eccitante che possa farlo con un singolo elettrodo".

Questa storia è stata ripubblicata per gentile concessione di MIT News (web.mit.edu/newsoffice/), un popolare sito che copre notizie sulla ricerca del MIT, innovazione e didattica.