Bio-MEMS es una abreviatura de sistemas microelectromecánicos biomédicos (o biológicos) . Los Bio-MEMS tienen una superposición considerable, y a veces se consideran sinónimos, de los sistemas de análisis de laboratorio en un chip (LOC) y micro total (μTAS) . Bio-MEMS generalmente se centra más en piezas mecánicas y tecnologías de microfabricación adecuadas para aplicaciones biológicas. Por otro lado, lab-on-a-chip se ocupa de la miniaturización e integración de procesos y experimentos de laboratorio en un solo (a menudo microfluídico) papas fritas. En esta definición, los dispositivos de laboratorio en un chip no tienen estrictamente aplicaciones biológicas, aunque la mayoría las tiene o son susceptibles de ser adaptadas para propósitos biológicos. De manera similar, los sistemas de análisis micro total pueden no tener aplicaciones biológicas en mente y generalmente están dedicados al análisis químico . Se puede usar una definición amplia de bio-MEMS para referirse a la ciencia y tecnología de operar a microescala para aplicaciones biológicas y biomédicas, que pueden incluir o no funciones electrónicas o mecánicas. [2] La naturaleza interdisciplinaria de bio-MEMS combina ciencias de los materiales , ciencias clínicas , medicina , cirugía , ingeniería eléctrica ,ingeniería mecánica , ingeniería óptica , la ingeniería química y la ingeniería biomédica . [2] Algunos de sus principales aplicaciones incluyen la genómica , proteómica , diagnóstico molecular , diagnóstico de punto de atención , la ingeniería de tejidos , análisis de células individuales y microdispositivos implantables. [2]
Historia
En 1967, SB Carter informó sobre el uso de islas de paladio evaporadas en la sombra para la unión celular . [3] Después de este primer estudio de bio-MEMS, el desarrollo posterior en el campo fue lento durante unos 20 años. [3] En 1985, Unipath Inc. comercializó ClearBlue , una prueba de embarazo que todavía se usa en la actualidad y que puede considerarse el primer dispositivo de microfluidos que contiene papel y el primer producto de microfluidos en el mercado. [3] En 1990, Andreas Manz y H. Michael Widmer de Ciba-Geigy (ahora Novartis ), Suiza, acuñaron por primera vez el término micro sistema de análisis total (μTAS) en su artículo fundamental que proponía el uso de sistemas miniaturizados de análisis químico total para detección química. . [4] Ha habido tres factores de motivación principales detrás del concepto de μTAS. [3] En primer lugar, el descubrimiento de fármacos en las últimas décadas previas a la década de 1990 había sido limitado debido al tiempo y al costo de ejecutar muchos análisis cromatográficos en paralelo en equipos macroscópicos . [3] En segundo lugar, el Proyecto del Genoma Humano (HGP) , que comenzó en octubre de 1990, generó una demanda de mejoras en la capacidad de secuenciación del ADN . [3] La electroforesis capilar se convirtió así en un foco de separación química y de ADN. [3] En tercer lugar, DARPA del Departamento de Defensa de EE. UU. Apoyó una serie de programas de investigación de microfluidos en la década de 1990 después de darse cuenta de que era necesario desarrollar microsistemas desplegables en el campo para la detección de agentes químicos y biológicos que eran posibles amenazas militares y terroristas . [5] Los investigadores comenzaron a utilizar equipos de fotolitografía para la microfabricación de sistemas microeletromecánicos (MEMS) heredados de la industria de la microelectrónica . [3] En ese momento, la aplicación de MEMS a la biología era limitada porque esta tecnología estaba optimizada para obleas de vidrio o silicio y utilizaba fotorresistentes a base de solventes que no eran compatibles con material biológico. [3] En 1993, George M. Whitesides , un químico de Harvard , introdujo la microfabricación económica basada en PDMS y esto revolucionó el campo de los bio-MEMS. [3] Desde entonces, el campo de los bio-MEMS se ha disparado. Los principales logros técnicos seleccionados durante el desarrollo de bio-MEMS de la década de 1990 incluyen:
- En 1991, se desarrolló el primer chip de oligonucleótidos [6].
- En 1998, se desarrollaron las primeras microagujas sólidas para la administración de fármacos [7].
- En 1998, se desarrolló el primer chip de reacción en cadena de la polimerasa de flujo continuo [8]
- En 1999, la primera demostración de flujos laminares heterogéneos para el tratamiento selectivo de células en microcanales [9]
Hoy en día, los hidrogeles como la agarosa , los fotorresistentes biocompatibles y el autoensamblaje son áreas clave de investigación para mejorar los bio-MEMS como reemplazos o complementos del PDMS . [3]
Enfoques
Materiales
Silicio y vidrio
Técnicas de micromecanizado convencionales, tales como el grabado húmedo , grabado en seco, profundo con iones reactivos grabado, pulverización catódica , unión anódica , y la unión por fusión se han utilizado en bio-MEMS para hacer canales de flujo , sensores de flujo , detectores químicos, capilares de separación, mezcladores, filtros , bombas y válvulas. [10] Sin embargo, existen algunos inconvenientes en el uso de dispositivos basados en silicio en aplicaciones biomédicas, como su alto costo y bioincompatibilidad . [10] Debido a que son de un solo uso, más grandes que sus contrapartes MEMS y al requisito de instalaciones de sala limpia , los altos costos de material y procesamiento hacen que los bio-MEMS basados en silicio sean menos atractivos económicamente. [10] " In vivo ", los bio-MEMS basados en silicio se pueden funcionalizar fácilmente para minimizar la adsorción de proteínas , pero la fragilidad del silicio sigue siendo un problema importante. [10]
Plásticos y polímeros
El uso de plásticos y polímeros en bio-MEMS es atractivo porque se pueden fabricar fácilmente, son compatibles con los métodos de micromaquinado y prototipos rápidos , además de tener un bajo costo. [10] [11] Muchos polímeros también son ópticamente transparentes y pueden integrarse en sistemas que utilizan técnicas de detección óptica como la fluorescencia , la absorbancia UV / Vis o el método Raman . [11] Además, muchos polímeros son biológicamente compatibles , químicamente inertes a los disolventes y eléctricamente aislantes para aplicaciones donde se necesitan campos eléctricos fuertes , como la separación electroforética . [10] La química de la superficie de los polímeros también se puede modificar para aplicaciones específicas. [10] Específicamente, la superficie de los PDMS se puede irradiar con iones con elementos como magnesio , tántalo y hierro para disminuir la hidrofobicidad de la superficie , lo que permite una mejor adhesión celular en aplicaciones " in vivo ". [12] Los polímeros más comunes utilizados en bio-MEMS incluyen PMMA , PDMS , OSTEmer y SU-8 . [10]
Materiales biologicos
La manipulación a microescala y el modelado de materiales biológicos tales como proteínas , células y tejidos se han utilizado en el desarrollo de matrices basadas en células , micromatrices , ingeniería de tejidos basada en microfabricación y órganos artificiales . [11] El micropatrón biológico se puede utilizar para análisis de células individuales de alto rendimiento , [14] control preciso del microambiente celular, así como la integración controlada de células en arquitecturas multicelulares apropiadas para recapitular las condiciones in vivo . [15] La fotolitografía , la impresión por microcontacto , la administración selectiva de microfluidos y las monocapas autoensambladas son algunos métodos utilizados para modelar moléculas biológicas en superficies. [3] [15] El micropatrón celular se puede realizar utilizando el patrón de microcontacto de proteínas de la matriz extracelular , electroforesis celular , matrices de pinzas ópticas , dielectroforesis y superficies electroquímicamente activas. [dieciséis]
Papel
La microfluídica de papel (a veces llamada laboratorio sobre papel) es el uso de sustratos de papel en la microfabricación para manipular el flujo de fluidos para diferentes aplicaciones. [3] [17] Se han aplicado microfluidos de papel en electroforesis de papel e inmunoensayos , siendo el más notable la prueba de embarazo comercializada, ClearBlue. [3] Las ventajas de utilizar papel para microfluidos y electroforesis en bio-MEMS incluyen su bajo costo, biodegradabilidad y acción de absorción natural . [3] Una grave desventaja de los microfluídicos a base de papel es la dependencia de la velocidad de absorción de las condiciones ambientales como la temperatura y la humedad relativa. [18] Los dispositivos analíticos en papel son particularmente atractivos para el diagnóstico en el punto de atención en los países en desarrollo tanto por el bajo costo del material como por el énfasis en los ensayos colorimétricos que permiten a los profesionales médicos interpretar fácilmente los resultados a simple vista. [18] En comparación con los canales de microfluidos tradicionales, los microcanales de papel son accesibles para la introducción de muestras (especialmente muestras de estilo forense como fluidos corporales y tierra), así como sus propiedades de filtrado natural que excluyen los desechos celulares, la suciedad y otras impurezas en las muestras. [3] Las réplicas en papel han demostrado la misma eficacia en la realización de operaciones microfluídicas comunes como el enfoque hidrodinámico , la extracción molecular basada en el tamaño, la micromezcla y la dilución; Las microplacas comunes de 96 y 384 pocillos para la manipulación y el análisis de líquidos automatizados se han reproducido mediante fotolitografía en papel para lograr un perfil más delgado y un menor costo de material, manteniendo la compatibilidad con los lectores de microplacas convencionales . [19] [20] Las técnicas para el papel de micropatrones incluyen fotolitografía , corte por láser , impresión por chorro de tinta, tratamiento con plasma y modelado de cera. [3] [17]
Electrocinética
La electrocinética se ha aprovechado en bio-MEMS para separar mezclas de moléculas y células mediante campos eléctricos. En la electroforesis , una especie cargada en un líquido se mueve bajo la influencia de un campo eléctrico aplicado . [3] La electroforesis se ha utilizado para fraccionar iones pequeños , moléculas orgánicas cargadas, proteínas y ADN . [3] La electroforesis y la microfluídica son altamente sinérgicas porque es posible usar voltajes más altos en microcanales debido a una eliminación de calor más rápida . [3] El enfoque isoeléctrico es la separación de proteínas, orgánulos y células con diferentes puntos isoeléctricos . [3] El enfoque isoeléctrico requiere un gradiente de pH (generalmente generado con electrodos ) perpendicular a la dirección del flujo. [3] La clasificación y el enfoque de las especies de interés se logra porque una fuerza electroforética provoca una migración perpendicular hasta que fluye a lo largo de sus respectivos puntos isoeléctricos. [3] La dielectroforesis es el movimiento de partículas sin carga debido a la polarización inducida por campos eléctricos no uniformes. La dielectroforesis se puede utilizar en bio-MEMS para trampas de dielectroforesis, concentrando partículas específicas en puntos específicos de las superficies y desviando partículas de una corriente de flujo a otra para una concentración dinámica. [3]
Microfluidos
La microfluídica se refiere a sistemas que manipulan pequeñas cantidades (µL, nL, pL, fL) de fluidos en sustratos microfabricados. Los enfoques de microfluidos para bio-MEMS confieren varias ventajas:
- El flujo en microcanales es laminar, lo que permite el tratamiento selectivo de células en microcanales, [9] modelado matemático de patrones de flujo y concentraciones , así como predicciones cuantitativas del entorno biológico de las células y reacciones bioquímicas [3].
- Las características de microfluidos se pueden fabricar a escala celular o más pequeñas, lo que permite la investigación de fenómenos (sub) celulares, la siembra y clasificación de células individuales y la recapitulación de parámetros fisiológicos [3]
- La integración de microelectrónica , micromecánica y microóptica en la misma plataforma permite el control automatizado del dispositivo , lo que reduce el error humano y los costos de operación [3]
- La tecnología de microfluidos es relativamente económica debido a la fabricación por lotes y al alto rendimiento (paralelización y redundancia). Esto permite la producción de chips desechables o de un solo uso para mejorar la facilidad de uso y reducir la probabilidad de contaminación cruzada biológica , así como la creación rápida de prototipos [3] [11]
- Los dispositivos de microfluidos consumen cantidades mucho más pequeñas de reactivos , se pueden fabricar para que solo requieran una pequeña cantidad de analitos para la detección química, requieren menos tiempo para que los procesos y reacciones se completen y producen menos desechos que los dispositivos y experimentos macrofluídicos convencionales [3]
- El embalaje adecuado de los dispositivos de microfluidos puede hacerlos adecuados para aplicaciones portátiles, implantes y aplicaciones portátiles en los países en desarrollo [3].
Un enfoque interesante que combina los fenómenos electrocinéticos y la microfluídica es la microfluídica digital . En microfluídica digital, la superficie de un sustrato se micropatrona con electrodos y se activa selectivamente. [3] La manipulación de pequeñas gotas de fluido se produce a través de la electrohumectación , que es el fenómeno en el que un campo eléctrico cambia la humectabilidad de una gota de electrolito en una superficie. [3]
Control de flujo de BioMEMs
Los métodos litográficos para la fabricación de dispositivos de microfluidos son ineficaces para formar los mecanismos de tipo tornillo utilizados en las válvulas de macroescala. [23] Por lo tanto, los dispositivos de microfluidos requieren técnicas de control de flujo alternativas, algunas de las cuales son populares en la actualidad:
Válvulas de terremoto
Un método económico para producir válvulas con tiempos de actuación rápidos y restricción de flujo variable es la litografía blanda multicapa (MSL). [24] Las válvulas producidas mediante esta técnica de fabricación se denominan válvulas Quake, porque fueron creadas por primera vez en el laboratorio de Stephen Quake en la Universidad de Stanford . El esquema básico involucra dos conductos de flujo perpendiculares separados por una membrana elastomérica impermeable en su intersección. El flujo de aire controlado pasa a través de un conducto mientras que el fluido del proceso pasa por el otro. Un gradiente de presión entre los dos conductos, que se ajusta cambiando el caudal de aire de control, hace que la membrana se deforme y obstruya el flujo en el canal del proceso. [24] En MSL, los canales para el fluido de proceso y el fluido de control se extraen de un molde elastomérico , lo que lo convierte en un proceso de fabricación totalmente aditivo.
Válvulas de hielo
Las válvulas de hielo funcionan transportando el calor lejos de una sola porción de un canal de flujo, lo que hace que el fluido se solidifique y detenga el flujo a través de esa región. Las unidades termoeléctricas (TE) se utilizan para transportar el calor lejos del enchufe. [23] Debido a la diferencia de temperatura limitada que las unidades TE pueden proporcionar, a menudo se encadenan múltiples en serie para producir temperaturas bajo cero en la interfaz sustrato-fluido, lo que permite un enfriamiento más rápido. La tecnología actual de válvulas de hielo de última generación presenta tiempos de cierre cortos (0,37 sa 10 μL / min) y también funciona a velocidades de flujo altas (1150 μL / min). [23] Las válvulas de hielo se introdujeron por primera vez en 1995, donde se utilizaba dióxido de carbono líquido presurizado como agente refrigerante.
Válvulas prefabricadas
Las válvulas de tornillo mecánico y las válvulas solenoides prefabricadas no requieren procesos avanzados de microfabricación y son fáciles de implementar en materiales de sustrato blando como PDMS . [25] Las válvulas de tornillo, a diferencia de las válvulas Quake y de hielo, mantienen su nivel de restricción de flujo sin entrada de energía y, por lo tanto, son ideales para situaciones en las que la posición de la válvula puede permanecer mayormente constante y la actuación por parte de un operador humano es aceptable. [25] Las válvulas electromagnéticas de solenoide tienen tiempos de actuación similares en comparación con las válvulas Quake, pero tienen huellas más grandes y no están integradas en el sustrato del dispositivo. [25] Este es un problema cuando las dimensiones del dispositivo son un problema, como en los dispositivos implantables.
Mezcla a microescala
A pesar del hecho de que los tiempos de difusión son significativamente más altos en los sistemas de microfluidos debido a escalas de longitud pequeñas, todavía existen desafíos para eliminar los gradientes de concentración en las escalas de tiempo requeridas para las tecnologías de microfluidos. [26]
Elementos de mezcla de sonicación
La sonicación se emplea a menudo para proporcionar una mezcla local de corrientes mediante la generación de acústica de energía ultra alta. [26] Los chips de microfluidos que utilizan mezcla de sonicación pueden tener transductores ultrasónicos integrados y ubicados externamente. [27] La sonicación también se usa ampliamente para la lisis y homogeneización celular en sistemas tanto de macro como de microfluidos. El mecanismo principal de lisis celular por sonicación es un intenso calentamiento local y fuerzas de cizallamiento . [27]
Elementos de mezcla pasivos
En un elemento de mezcla pasivo, la mezcla se logra mediante la redistribución temporal y espacial del flujo laminar entrante mediante el uso de conductos paralelos de longitud y / o diámetro de trayectoria variable. [26] El resultado neto de tener una variedad de canales de flujo paralelos de longitud variable es que el material inicialmente en el borde del perfil de flujo laminar puede redistribuirse repetidamente hacia el borde opuesto, acortando así drásticamente la escala de longitud de difusión característica. [26]
Bio-MEMS como biosensores miniaturizados
Los biosensores son dispositivos que consisten en un sistema de reconocimiento biológico, llamado biorreceptor, y un transductor . [28] La interacción del analito con el biorreceptor provoca un efecto que el transductor puede convertir en una medida, como una señal eléctrica . [28] Los biorreceptores más comunes que se utilizan en la biosensores se basan en interacciones anticuerpo-antígeno , interacciones de ácidos nucleicos, interacciones enzimáticas , interacciones celulares e interacciones que utilizan materiales biomiméticos . [28] Las técnicas comunes de transductores incluyen detección mecánica, detección eléctrica y detección óptica. [11] [28]
Sensores micromecánicos
La detección mecánica en bio-MEMS se logra a través de voladizos a micro y nanoescala para detección de tensión y detección de masas, [11] o placas o membranas a micro y nanoescala. [29] En la detección de estrés, la reacción bioquímica se realiza de forma selectiva en un lado del voladizo para provocar un cambio en la energía libre de la superficie . [11] Este resultado en la flexión del voladizo que se puede medir ya sea ópticamente ( láser de reflexión en un detector quadposition) o eléctricamente ( piezo-resistencia en el borde fijo del voladizo) debido a un cambio en la tensión superficial. [11] En la detección de masas, el voladizo vibra a su frecuencia de resonancia medida eléctrica u ópticamente. [11] Cuando tiene lugar una reacción bioquímica y se captura en el voladizo, la masa del voladizo cambia, al igual que la frecuencia de resonancia. [11] Sin embargo, el análisis de estos datos puede ser un poco menos sencillo, ya que también se ha encontrado que la adsorción de la muestra al voladizo cambia el módulo de Young del voladizo. [30] Cambiar la rigidez del voladizo también cambiará su frecuencia de resonancia y, por lo tanto, el ruido en la señal de oscilación debe analizarse para determinar si la frecuencia de resonancia también es una función de la elasticidad cambiante. [30] Un uso común de esta técnica es la detección de desajustes de nucleótidos en el ADN porque la variación en la masa causada por la presencia de una base incorrecta es suficiente para cambiar la frecuencia de resonancia del voladizo y registrar una señal. [11] La detección de masas no es tan eficaz en fluidos porque la masa mínima detectable es mucho mayor en medios humedecidos . [11] Las resistencias de microcanal suspendidas son un tipo especial de diseño en voladizo que pueden evitar esta limitación utilizando canales de microfluidos dentro del voladizo. [31] Estos canales pueden mover muestras "in situ" alrededor del voladizo, sin sumergir el voladizo, con un impacto mínimo en su oscilación. Sin embargo, esta tecnología está en su infancia y todavía no se puede utilizar más allá de unas pocas aplicaciones limitadas. [31] La ventaja de utilizar sensores en voladizo es que no hay necesidad de una etiqueta detectable ópticamente en el analito o los biorreceptores. [11]
Sensores eléctricos y electroquímicos
La detección eléctrica y electroquímica se adapta fácilmente para la portabilidad y la miniaturización , especialmente en comparación con la detección óptica. [11] En amperométricos biosensores, una enzima catalizada redox reacción provoca un electrón redox corriente que se mide por un electrodo de trabajo. [11] Los biosensores amperométricos se han utilizado en bio-MEMS para la detección de glucosa , galactosa , lactosa , urea y colesterol , así como para aplicaciones en la detección de gases y la hibridación de ADN . [11] En los biosensores potenciométricos , las mediciones del potencial eléctrico en un electrodo se realizan en referencia a otro electrodo. [11] Ejemplos de biosensores potenciométricos incluyen transistores de efecto de campo sensibles a iones (ISFET) , transistores de efecto de campo químico (chem-FET) y sensores potenciométricos direccionables por luz (LAPS) . [11] En conductometricos biosensores , los cambios en la impedancia eléctrica entre dos electrodos se miden como resultado de una reacción biomolecular. [11] Las mediciones conductivas son simples y fáciles de usar porque no hay necesidad de un electrodo de referencia específico y se han utilizado para detectar bioquímicos, toxinas , ácidos nucleicos y células bacterianas . [11]
Sensores ópticos
Un desafío en la detección óptica es la necesidad de integrar detectores y fotodiodos en un formato portátil miniaturizado en los bio-MEMS. [11] La detección óptica incluye técnicas basadas en fluorescencia , técnicas basadas en quimioluminiscencia y resonancia de plasmón de superficie (SPR) . Las técnicas ópticas basadas en fluorescencia utilizan marcadores que emiten luz en longitudes de onda específicas y la presencia o mejora / reducción (por ejemplo, transferencia de energía por resonancia de fluorescencia ) en la señal óptica indica que se ha producido una reacción. [11] La detección basada en fluorescencia se ha utilizado en microarrays y PCR en dispositivos de chip. [11] La quimioluminiscencia es la generación de luz mediante la liberación de energía de una reacción química. [11] La bioluminiscencia y la electroquimioluminiscencia son subtipos de quimioluminiscencia. [11] Los sensores de resonancia de plasmón de superficie pueden ser refractómetros de película delgada o rejillas que miden el comportamiento de resonancia del plasmón de superficie en superficies metálicas o dieléctricas. [32] La resonancia cambia cuando las biomoléculas se capturan o adsorben en la superficie del sensor y depende de la concentración del analito y de sus propiedades. [32] La resonancia de plasmón de superficie se ha utilizado en análisis de calidad y seguridad de alimentos , diagnósticos médicos y monitoreo ambiental . [32]
Bio-MEMS para diagnóstico
Microarrays genómicos y proteómicos
Los objetivos de los microarrays genómicos y proteómicos son hacer que el análisis del genoma de alto rendimiento sea más rápido y económico, así como identificar genes activados y sus secuencias. [3] Hay muchos tipos diferentes de entidades biológicas que se utilizan en los microarrays, pero en general el microarray consiste en una colección ordenada de microarrays, cada uno de los cuales contiene una única especie molecular definida que interactúa con el analito para la prueba simultánea de miles de parámetros en un solo experimento. . [33] Algunas aplicaciones de los microarrays genómicos y proteómicos son el cribado neonatal , la identificación del riesgo de enfermedad y la predicción de la eficacia de la terapia para la medicina personalizada .
Chips de oligonucleótidos
Los chips de oligonucleótidos son micromatrices de oligonucleótidos . [3] Se pueden utilizar para la detección de mutaciones y el seguimiento de la expresión, y el descubrimiento y mapeo de genes. [33] Los principales métodos para crear una micromatriz de oligonucleótidos son mediante almohadillas de gel ( Motorola ), microelectrodos (Nanogen), fotolitografía ( Affymetrix ) y tecnología de inyección de tinta ( Agilent ). [33]
- Utilizando almohadillas de gel, se adhieren oligonucleótidos prefabricados a parches de poliacrilamida activada [33].
- Usando microelectrodos , el ADN cargado negativamente y las sondas moleculares se pueden concentrar en electrodos energizados para la interacción [34]
- Mediante fotolitografía, se crea un patrón de exposición a la luz sobre el sustrato utilizando una fotomáscara o fotomáscara virtual proyectada desde un dispositivo de microespejo digital . [3] [6] La luz elimina los grupos protectores fotolábiles de las áreas de exposición seleccionadas. [6] Después de la desprotección, los nucleótidos con un grupo protector fotolábil se exponen a toda la superficie y el proceso de acoplamiento químico solo ocurre donde la luz fue expuesta en el paso anterior. [6] Este proceso puede repetirse para sintetizar oligonucleótidos de longitudes relativamente cortas en la superficie, nucleótido por nucleótido. [6]
- Utilizando tecnología de inyección de tinta, los nucleótidos se imprimen gota a gota en una superficie para formar oligonucleótidos [33].
micromatriz de ADNc
Los microarrays de ADNc se utilizan a menudo para estudios de detección y expresión a gran escala. [33] En los microarrays de ADNc, el ARNm de las células se recolecta y se convierte en ADNc mediante transcripción inversa. [3] Posteriormente, las moléculas de ADNc (cada una correspondiente a un gen) se inmovilizan como puntos de ~ 100 µm de diámetro en una membrana, vidrio o chip de silicio mediante alfileres metálicos. [3] [33] Para la detección, el ADNc monocatenario marcado con fluorescencia de las células se hibrida con las moléculas de la micromatriz y se hace una comparación diferencial entre una muestra tratada (etiquetada en rojo, por ejemplo) y una muestra sin tratar (etiquetada en otro color como verde) se utiliza para el análisis. [3] Los puntos rojos significan que el gen correspondiente se expresó a un nivel más alto en la muestra tratada. Por el contrario, los puntos verdes significan que el gen correspondiente se expresó a un nivel más alto en la muestra no tratada. Los puntos amarillos, como resultado de la superposición entre los puntos rojos y verdes, significan que el gen correspondiente se expresó relativamente al mismo nivel en ambas muestras, mientras que las manchas oscuras indican una expresión nula o insignificante en cualquiera de las muestras.
Microarrays de péptidos y proteínas
La motivación para usar microarrays de péptidos y proteínas es, en primer lugar, que las transcripciones de ARNm a menudo se correlacionan mal con la cantidad real de proteína sintetizada. [35] En segundo lugar, los microarrays de ADN no pueden identificar la modificación postraduccional de proteínas, lo que influye directamente en la función de las proteínas. [35] En tercer lugar, algunos fluidos corporales como la orina carecen de ARNm . [35] Una micromatriz de proteínas consiste en una biblioteca de proteínas inmovilizada en un chip de sustrato, generalmente vidrio, silicio, poliestireno , PVDF o nitrocelulosa . [35] En general, hay tres tipos de micromatrices de proteínas: matrices de proteínas funcionales, analíticas o de captura y de fase inversa. [36]
- Las matrices de proteínas funcionales muestran proteínas plegadas y activas y se utilizan para detectar interacciones moleculares, estudiar rutas de proteínas, identificar dianas para modificaciones postraduccionales y analizar actividades enzimáticas . [36]
- Las matrices de proteínas analíticas o de captura muestran antígenos y anticuerpos para perfilar la expresión de proteínas o anticuerpos en suero. [36] Estas matrices se pueden utilizar para el descubrimiento de biomarcadores , el seguimiento de las cantidades de proteínas, el seguimiento de los estados de actividad en las vías de señalización y el perfil de los repertorios de anticuerpos en las enfermedades. [36]
- Las matrices de proteínas de fase inversa analizan réplicas de lisados celulares y muestras de suero con diferentes anticuerpos para estudiar los cambios en la expresión de proteínas específicas y modificaciones de proteínas durante la progresión de la enfermedad, así como el descubrimiento de biomarcadores . [36]
Los microarrays de proteínas tienen condiciones rigurosas de producción, almacenamiento y experimentación debido a la baja estabilidad y la necesidad de considerar el plegamiento nativo de las proteínas inmovilizadas. [37] Los péptidos, por otro lado, son más resistentes químicamente y pueden retener aspectos parciales de la función de las proteínas. [37] Como tal, las micromatrices de péptidos se han utilizado para complementar las micromatrices de proteínas en la investigación y el diagnóstico de la proteómica. Los microarrays de proteínas suelen utilizar Escherichia coli para producir proteínas de interés; mientras que los microarrays de péptidos utilizan la técnica SPOT (síntesis escalonada de péptidos en celulosa) o fotolitografía para producir péptidos. [36] [37]
Chips de PCR
La reacción en cadena de la polimerasa (PCR) es una técnica de biología molecular fundamental que permite la amplificación selectiva de secuencias de ADN , que es útil para el uso ampliado de muestras raras, por ejemplo: células madre, biopsias, células tumorales circulantes. [3] La reacción implica un ciclo térmico de la secuencia de ADN y la ADN polimerasa a través de tres temperaturas diferentes. Calentar y enfriar en los dispositivos de PCR convencionales requiere mucho tiempo y las reacciones de PCR típicas pueden tardar horas en completarse. [39] Otros inconvenientes de la PCR convencional son el alto consumo de reactivos costosos, la preferencia por amplificar fragmentos cortos y la producción de moléculas quiméricas cortas. [39] Los chips de PCR sirven para miniaturizar el entorno de reacción para lograr una transferencia de calor rápida y una mezcla rápida debido a la mayor relación superficie-volumen y distancias de difusión cortas . [39] Las ventajas de los chips de PCR incluyen un tiempo de ciclo térmico más corto, una temperatura más uniforme que mejora el rendimiento y la portabilidad para aplicaciones en el punto de atención. [39] Dos desafíos en los chips de PCR de microfluidos son la inhibición de la PCR y la contaminación debido a la gran relación superficie-volumen que aumenta las interacciones superficie-reactivo. [39] Por ejemplo, los sustratos de silicio tienen una buena conductividad térmica para un calentamiento y enfriamiento rápidos, pero pueden envenenar la reacción de la polimerasa. [3] Los sustratos de silicio también son opacos, lo que prohíbe la detección óptica de qPCR, y conductores de electricidad, lo que evita el transporte electroforético a través de los canales. [40] Mientras tanto, el vidrio es un material ideal para la electroforesis pero también inhibe la reacción. [40] Los polímeros, particularmente el PDMS , son ópticamente transparentes, no inhibidores y pueden usarse para revestir un canal de vidrio electroforético. [40] También existen varios otros tratamientos de superficie, incluido el polietilenglicol, la albúmina de suero bovino y el dióxido de silicio. [40] Existen arquitecturas de chip estacionarias (basadas en cámaras), dinámicas (basadas en flujo continuo) y microgotas ( PCR digital ). [3]
- La arquitectura de cámara es el resultado de la reducción de los reactores de PCR convencionales, que es difícil de ampliar. [3] Se ha desarrollado un dispositivo PDMS de vidrio de cuatro capas utilizando esta arquitectura que integra microválvulas, microcalentadores, sensores de temperatura, cámaras de reacción de 380 nL y canales de electroforesis capilar para la reacción en cadena de la polimerasa con transcripción inversa (RT-PCR) que tiene detección attomolar sensibilidad. [41]
- La arquitectura basada en flujo continuo mueve la muestra a través de diferentes zonas de temperatura para lograr ciclos térmicos . [39] Este enfoque utiliza menos energía y tiene un alto rendimiento, pero tiene un gran consumo de reactivo y se pueden formar burbujas de gas dentro de los canales de flujo. [3]
- La PCR digital elimina la adsorción y la contaminación de la superficie de la muestra / reactivo mediante la realización de la PCR en microgotitas o microcámaras. [39] La PCR en gotitas también previene la recombinación de fragmentos de genes homólogos, por lo que se elimina la síntesis de productos quiméricos cortos. [39]
Dispositivos de diagnóstico en el lugar de atención
La capacidad de realizar un diagnóstico médico al lado de la cama o en el punto de atención es importante en la atención de la salud, especialmente en los países en desarrollo donde el acceso a los hospitales centralizados es limitado y prohibitivamente caro. Con este fin, se han desarrollado bio-MEMS de diagnóstico en el lugar de atención para tomar muestras de saliva, sangre u orina y, en un enfoque integrado, realizar el preacondicionamiento de la muestra, el fraccionamiento de la muestra, la amplificación de la señal, la detección de analitos, el análisis de datos y la visualización de resultados. [3] En particular, la sangre es una muestra biológica muy común porque circula por el cuerpo cada pocos minutos y su contenido puede indicar muchos aspectos de la salud. [3]
Acondicionamiento de muestras
En los análisis de sangre , deben separarse los glóbulos blancos , las plaquetas , las bacterias y el plasma . [3] Los tamices, vertederos, confinamiento inercial y dispositivos de desviación de flujo son algunos de los enfoques que se utilizan en la preparación de plasma sanguíneo para análisis sin células. [3] Los tamices se pueden microfabricar con columnas o postes de alta relación de aspecto, pero solo son adecuados para cargas bajas para evitar la obstrucción con las celdas. [3] Los vertederos son secciones poco profundas en forma de mesa que se utilizan para restringir el flujo a ranuras estrechas entre capas sin postes. [3] Una ventaja de usar vertederos es que la ausencia de postes permite un reciclaje más efectivo de retenidos para que fluya a través del filtro para eliminar las celdas obstruidas. [3] Se utilizan perlas magnéticas para ayudar en la separación de analitos. Estas perlas microscópicas se funcionalizan con moléculas diana y se mueven a través de canales microfluídicos utilizando un campo magnético variable. [42] Esto sirve como un método rápido de recolectar objetivos para su análisis. Una vez que se completa este proceso, se aplica un fuerte campo magnético estacionario para inmovilizar las perlas unidas al objetivo y eliminar las perlas no unidas. [42] El filtro H es un dispositivo de microfluidos con dos entradas y dos salidas que aprovecha el flujo laminar y la difusión para separar los componentes que se difunden a través de la interfaz entre dos corrientes de entrada. [3] Al controlar la velocidad de flujo, la distancia de difusión y el tiempo de residencia del fluido en el filtro, las células se excluyen del filtrado en virtud de su velocidad de difusión más lenta. [3] El filtro H no se obstruye y puede funcionar indefinidamente, pero los analitos se diluyen en un factor de dos. [3] Para el análisis celular, las células se pueden estudiar intactas o después de la lisis . [3] Se puede introducir una corriente de tampón lítico junto con una corriente que contiene células y por difusión induce la lisis antes de un análisis adicional. [3] El análisis celular se realiza típicamente mediante citometría de flujo y se puede implementar en microfluídicos con velocidades de fluido más bajas y menor rendimiento que sus contrapartes macroscópicas convencionales. [3]
Fraccionamiento de muestras
La separación de muestras de microfluidos se puede lograr mediante electroforesis capilar o separación de flujo continuo. [3] En la electroforesis capilar, un tubo largo y delgado separa los analitos por voltaje a medida que migran por flujo electro-osmótico . [3] Para la separación de flujo continuo, la idea general es aplicar un campo en ángulo a la dirección del flujo para desviar la ruta del flujo de la muestra hacia diferentes canales. [3] Ejemplos de técnicas de separación de flujo continuo incluyen electroforesis de flujo continuo, enfoque isoeléctrico , separaciones magnéticas de flujo continuo y tamizado molecular . [3]
Desafíos pendientes
- La mayoría de los dispositivos de diagnóstico en el mercado solo pueden detectar una enfermedad. Además, la mayoría de los dispositivos tienen salida binaria (sí / no) sin información matizada sobre el estado del paciente. Así, además de desarrollar pruebas para más enfermedades, los científicos están trabajando actualmente para ampliar la complejidad de estos dispositivos, con el fin de incrementar su utilidad. [43]
- Es difícil fabricar dispositivos de diagnóstico MEMS fuera del entorno del laboratorio. Gran parte de la investigación sobre estos dispositivos se lleva a cabo en laboratorios de clima controlado, donde los dispositivos se pueden probar poco después de su fabricación. Sin embargo, como muchos de estos dispositivos se utilizan para detectar enfermedades tropicales, deben ser lo suficientemente robustos para sobrevivir en condiciones cálidas y húmedas. También deben almacenarse durante largos períodos desde el momento de la producción hasta el momento de su uso. [43]
- La financiación es escasa para la investigación de enfermedades tropicales. Además, hay muchos obstáculos regulatorios que deben superarse antes de que se apruebe un dispositivo médico, lo que puede costar decenas de millones de dólares. Por lo tanto, las empresas que se centran en las enfermedades tropicales a menudo deben combinar sus objetivos de investigación para las enfermedades tropicales con la investigación en otras áreas de investigación médica mejor financiadas. [43]
Bio-MEMS en ingeniería de tejidos
Cultivo de células
La tecnología de cultivo celular convencional es incapaz de permitir de manera eficiente pruebas combinatorias de candidatos a fármacos, factores de crecimiento , neuropéptidos , genes y retrovirus en medio de cultivo celular. [3] Debido a la necesidad de que las células se alimenten periódicamente con medio fresco y se pasen, incluso probar algunas condiciones requiere una gran cantidad de células y suministros, incubadoras costosas y voluminosas , grandes volúmenes de líquido (~ 0,1 - 2 ml por muestra) y tedioso trabajo humano. [3] El requisito de trabajo humano también limita el número y la duración entre puntos de tiempo para los experimentos. Los cultivos de células microfluídicas son potencialmente una gran mejora porque pueden automatizarse, además de producir un menor costo general, un mayor rendimiento y descripciones más cuantitativas de la variabilidad del comportamiento de una sola célula. [14] Al incluir sistemas de intercambio de gases y control de temperatura en el chip, el cultivo de células microfluídicas puede eliminar la necesidad de incubadoras y campanas de cultivo de tejidos . [3] Sin embargo, este tipo de operación continua de cultivo celular de microfluidos también presenta sus propios desafíos únicos. El control del flujo es importante cuando se siembran células en microcanales porque es necesario detener el flujo después de la inyección inicial de suspensión celular para que las células se adhieran o queden atrapadas en micropocillos, trampas dielectroforéticas, trampas micromagnéticas o trampas hidrodinámicas. [3] Posteriormente, el flujo debe reanudarse de una manera que no produzca grandes fuerzas que corten las células del sustrato. [3] La dosificación de fluidos mediante pipeteo manual o robótico se puede reemplazar con microbombas y microválvulas, donde la medición de fluidos es sencilla de determinar en contraposición a los sistemas de flujo continuo mediante micromezcladores. [3] Se ha desarrollado un sistema de cultivo de células microfluídicas totalmente automatizado para estudiar la diferenciación osteogénica de las células madre embrionarias humanas . [44] También se ha desarrollado una incubadora de cultivo celular microfluídica de mano capaz de calentar y bombear soluciones de cultivo celular. [45] Debido a la reducción de volumen en los cultivos de microfluidos , las concentraciones recolectadas son más altas para obtener mejores mediciones de la relación señal / ruido , pero la recolección y detección es correspondientemente más difícil. [3] Los ensayos de microscopía "in situ" con cultivos de células microfluídicas pueden ayudar en este sentido, pero tienen un rendimiento inherentemente menor debido a que la sonda del microscopio tiene solo un campo de visión pequeño. [3] La plataforma Berkeley Lights Beacon ha resuelto el problema de la recolección y la detección realizando un cultivo de microfluidos en una serie de fotoconductores que pueden activarse optoeléctricamente para manipular las células a través del chip. [46] Esta plataforma ha sido adoptada por Amgen y Novartis para el desarrollo de líneas celulares en la industria biofarmacéutica. Los cocultivos con micropatrones también han contribuido a los bio-MEMS para que la ingeniería de tejidos recapitule las condiciones in vivo y la estructura natural en 3D. Específicamente, los hepatocitos se han diseñado para cocultivar en densidades celulares específicas con fibroblastos para mantener funciones específicas del hígado , como la secreción de albúmina , la síntesis de urea y la desintoxicación de p450 . [47] De manera similar, la integración de microfluidos con cocultivos con micropatrones ha permitido el modelado de órganos en los que interfieren múltiples tejidos vascularizados, como la barrera hematoencefálica y los pulmones. [3] Las funciones pulmonares a nivel de órganos se han reconstituido en dispositivos de pulmón en un chip donde una membrana porosa y la capa de células epiteliales sembradas se estiran cíclicamente mediante vacío aplicado en microcanales adyacentes para imitar la inhalación . [48]
Ingeniería de células madre
El objetivo de la ingeniería de células madre es poder controlar la diferenciación y la autorrenovación de las células madre pluripotenciales para la terapia celular . La diferenciación en las células madre depende de muchos factores, incluidos los factores solubles y bioquímicos, el estrés por cizallamiento de fluidos , las interacciones célula- ECM , las interacciones célula-célula, así como la formación y organización del cuerpo embrioide . [50] Los Bio-MEMS se han utilizado para investigar cómo optimizar el cultivo y las condiciones de crecimiento de las células madre mediante el control de estos factores. [3] El análisis de las células madre y su progenie diferenciada se realiza con micromatrices para estudiar cómo los factores de transcripción y los miARN determinan el destino celular, cómo las modificaciones epigenéticas entre las células madre y sus células hijas afectan los fenotipos , así como también para medir y clasificar las células madre por su expresión de proteínas. . [50]
Factores bioquímicos
Los microfluidos pueden aprovechar su volumen microscópico y sus características de flujo laminar para el control espacio-temporal de los factores bioquímicos que se administran a las células madre. [50] Se han utilizado generadores de gradiente de microfluidos para estudiar las relaciones dosis-respuesta . [51] El oxígeno es un factor bioquímico importante a considerar en la diferenciación a través de factores de transcripción inducidos por hipoxia (HIF) y vías de señalización relacionadas, más notablemente en el desarrollo de la sangre, la vasculatura , la placenta y los tejidos óseos. [50] Los métodos convencionales para estudiar los efectos del oxígeno se basaban en configurar toda la incubadora a una concentración de oxígeno particular, lo que limitaba el análisis a comparaciones por pares entre condiciones normóxicas e hipóxicas en lugar de la caracterización deseada dependiente de la concentración. [50] Las soluciones desarrolladas incluyen el uso de gradientes axiales continuos de oxígeno [52] y matrices de cámaras de cultivo celular microfluídicas separadas por membranas delgadas de PDMS a microcanales llenos de gas . [53]
Esfuerzo cortante de fluido
El estrés por cizallamiento de fluidos es relevante en la diferenciación de las células madre de los linajes cardiovasculares, así como en la embriogénesis tardía y la organogénesis , como la asimetría izquierda-derecha durante el desarrollo. [50] Los estudios a macroescala no permiten el análisis cuantitativo del esfuerzo cortante hasta la diferenciación porque se realizan utilizando cámaras de flujo de placas paralelas o aparatos de cono giratorio solo en escenarios on-off. [50] El flujo de Poiseuille en microfluidos permite variar sistemáticamente las tensiones de cizallamiento utilizando la geometría del canal y la velocidad de flujo a través de microbombas , como se demuestra mediante el uso de matrices de cámaras de perfusión para células madre mesenquimales y estudios de adhesión de células de fibroblastos . [50] [54]
Interacciones célula-ECM
Las interacciones célula- ECM inducen cambios en la diferenciación y autorrenovación por la rigidez del sustrato a través de la mecanotransducción y diferentes integrinas que interactúan con moléculas de ECM. [50] micropatterning de ECM proteínas por impresión micro-contacto (μCP) , la impresión de inyección de tinta , y la máscara de pulverización se han utilizado en células madre - ECM de interacción estudios. [50] Se ha descubierto mediante el uso de la impresión por microcontacto para controlar el área de unión celular que ese cambio en el linaje osteogénico / adipogénico en las células madre mesenquimales humanas puede depender de la forma de la célula. [55] La microfabricación de micropostes y la medición de su deflexión pueden determinar las fuerzas de tracción ejercidas sobre las células. [50] La fotolitografía también se puede utilizar para reticular ECM fotopolimerizable de células sembradas para estudios tridimensionales. [56] El uso de microarrays ECM para optimizar los efectos combinatorios de colágeno , laminina y fibronectina en las células madre es más ventajoso que las placas de pocillos convencionales debido a su mayor rendimiento y menor requerimiento de reactivos costosos. [57]
Interacciones célula-célula
El destino celular está regulado tanto por interacciones entre células madre como por interacciones entre células madre y proteínas de membrana . [50] La manipulación de la densidad de siembra celular es una técnica biológica común para controlar las interacciones célula-célula , pero controlar la densidad local es difícil y, a menudo, es difícil desacoplar los efectos entre las señales solubles en el medio y las interacciones físicas célula-célula. [50] El micropatrón de proteínas de adhesión celular se puede utilizar para definir las posiciones espaciales de diferentes células en un sustrato para estudiar la proliferación de ESC humana. [50] Sembrar células madre en micropocillos de PDMS y voltearlas sobre un sustrato u otra capa celular es un método para lograr un control espacial preciso. [58] También se han estudiado las comunicaciones de la unión entre huecos utilizando microfluidos mediante los cuales la presión negativa generada por el flujo de fluido en los canales laterales que flanquean un canal central atrapa pares de células que están en contacto directo o separadas por un pequeño hueco. [59] Sin embargo, en general, la motilidad distinta de cero y el corto tiempo del ciclo celular de las células madre a menudo interrumpen la organización espacial impuesta por estas microtecnologías. [50]
Formación y organización del cuerpo embrioide
Los cuerpos embrioides son una prueba de pluripotencia in vitro común para las células madre y su tamaño debe controlarse para inducir la diferenciación dirigida a linajes específicos. [50] La formación de alto rendimiento de cuerpos embrioides de tamaño uniforme con micropocillos y microfluidos permite una fácil recuperación y, lo que es más importante, escalar para contextos clínicos. [50] [60] El control activo de la organización y arquitectura de las células del cuerpo embrioide también puede dirigir la diferenciación de las células madre utilizando gradientes microfluídicos de factores inductores del endodermo , mesodermo y ectodermo , así como factores de autorrenovación. [61]
Tecnologías de reproducción asistida
Las tecnologías de reproducción asistida ayudan a tratar la infertilidad y a mejorar genéticamente el ganado. [3] Sin embargo, la eficiencia de estas tecnologías en la criopreservación y la producción in vitro de embriones de mamíferos es baja. [3] Se han aplicado microfluidos en estas tecnologías para imitar mejor el microambiente in vivo con superficies topográficas y bioquímicas modeladas para una adhesión celular espacio-temporal controlada, así como para minimizar los volúmenes muertos. [3] Las microbombas y microválvulas pueden automatizar los tediosos procedimientos de dispensación de fluidos y se pueden integrar varios sensores para el control de calidad en tiempo real . Los dispositivos Bio-MEMS se han desarrollado para evaluar la motilidad de los espermatozoides , [62] realizar la selección de los espermatozoides , [63] y prevenir la poliespermia [64] en la fertilización in vitro .
Bio-MEMS en implantes médicos y cirugía
Microelectrodos implantables
El objetivo de los microelectrodos implantables es interactuar con el sistema nervioso del cuerpo para registrar y enviar señales bioeléctricas para estudiar enfermedades, mejorar las prótesis y monitorear los parámetros clínicos . [3] La microfabricación ha llevado al desarrollo de sondas Michigan y la matriz de electrodos de Utah , que han aumentado los electrodos por unidad de volumen, al tiempo que abordan los problemas de sustratos gruesos que causan daños durante la implantación y desencadenan la reacción de cuerpo extraño y la encapsulación de electrodos a través de silicio y metales en los electrodos. [3] Las sondas de Michigan se han utilizado en grabaciones a gran escala y análisis de redes de conjuntos neuronales, [65] y la matriz de electrodos de Utah se ha utilizado como una interfaz cerebro-computadora para los paralizados. [66] Se han modelado microelectrodos extracelulares en un plástico inflable en forma de hélice en implantes cocleares para mejorar la inserción más profunda y un mejor contacto electrodo-tejido para la transducción de sonidos de alta fidelidad. [67] microelectrónica Integrando sobre sustratos delgados y flexibles ha llevado al desarrollo de un parche cardiaco que se adhiere a la superficie curvilínea del corazón por tensión superficial solo para medir cardíaco electrofisiológico , [68] y los tatuajes electrónicos para la medición de la piel temperatura y bioelectricidad . [69] La grabación inalámbrica de señales electrofisiológicas es posible mediante la adición de un piezocristal a un circuito de dos electrodos de grabación y un solo transistor en un microdispositivo implantado. Un transductor externo emite pulsos de energía ultrasónica} que inciden en el piezocristal, y los cambios de voltaje extracelular son retrodispersados ultrasónicamente por el piezocristal, lo que permite la medición. [70] Una red de las llamadas motas de "polvo neural" puede mapear señales en una región del cuerpo donde se implantan los microsensores.
Microherramientas para cirugía
Bio-MEMS para aplicaciones quirúrgicas puede mejorar la funcionalidad existente, agregar nuevas capacidades para que los cirujanos desarrollen nuevas técnicas y procedimientos y mejorar los resultados quirúrgicos al reducir el riesgo y brindar retroalimentación en tiempo real durante la operación. [71] Las herramientas quirúrgicas micromaquinadas, como pinzas diminutas , matrices de microagujas y desbridadores de tejido, han sido posibles gracias a técnicas de microfabricación capa por capa de metal y cerámica para cirugía mínimamente invasiva y cirugía robótica . [3] [71] La incorporación de sensores en las herramientas quirúrgicas también permite la retroalimentación táctil para el cirujano, la identificación del tipo de tejido a través de la tensión y la densidad durante las operaciones de corte y el cateterismo de diagnóstico para medir los flujos sanguíneos , presiones, temperaturas , contenido de oxígeno y concentraciones químicas. . [3] [71]
Entrega de medicamentos
Las microagujas, los sistemas de formulación y los sistemas implantables son bio-MEMS aplicables a la administración de fármacos . [72] Las microagujas de aproximadamente 100 μm pueden penetrar la barrera cutánea y administrar fármacos a las células subyacentes y al líquido intersticial con menor daño tisular, menor dolor y sin sangrado. [3] [72] Las microagujas también se pueden integrar con microfluídicos para la carga o multiplexación automatizada de fármacos. [3] Desde el punto de vista del usuario, las microagujas pueden incorporarse en un formato de parche para la autoadministración y no constituyen un riesgo biológico de desecho agudo (si el material es polimérico ). [3] La administración de fármacos mediante microagujas incluye recubrir la superficie con agentes terapéuticos, cargar fármacos en microagujas porosas o huecas o fabricar las microagujas con fármaco y matriz de recubrimiento para una carga máxima de fármaco. [72] También se están desarrollando microagujas para la extracción de líquido intersticial, extracción de sangre y administración de genes . [3] [72] La eficacia de la administración de fármacos con microagujas sigue siendo un desafío porque es difícil determinar si las microagujas penetraron eficazmente en la piel. Algunos fármacos, como el diazepam , son poco solubles y deben aerosolizarse inmediatamente antes de la administración intranasal . [72] La tecnología Bio-MEMS que utiliza transductores piezoeléctricos para depósitos de líquido se puede utilizar en estas circunstancias para generar una distribución de tamaño estrecha de aerosoles para una mejor administración de fármacos. [72] También se han desarrollado sistemas de administración de fármacos implantables para administrar agentes terapéuticos que tienen poca biodisponibilidad o requieren liberación localizada y exposición en un sitio objetivo. [72] Los ejemplos incluyen un dispositivo de microfluidos PDMS implantado debajo de la conjuntiva para la administración de fármacos al ojo para tratar enfermedades oculares [73] y microchips con depósitos de fármacos con tapa de oro para la osteoporosis . [72] En bio-MEMS implantables para la administración de fármacos, es importante considerar la ruptura del dispositivo y el vertido de dosis , la encapsulación fibrosa del dispositivo y la explantación del dispositivo. [72] [74] La mayoría de los fármacos también deben administrarse en cantidades relativamente grandes (mililitros o incluso más), lo que dificulta la administración de fármacos bio-MEMS implantables debido a su limitada capacidad de retención de fármacos.
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