Il laboratorio chiave ha condotto una revisione della letteratura

Feb 29, 2024

Beijing Institute of Technology Press Co., Ltd

immagine: Microvalvole attive e microvalvole passive in chip microfluidici. (A) Struttura tipica della microvalvola attiva: braccio scorrevole. Le strutture PDMS contengono un canale guida e un canale fluidico e sono state incollate a una superficie planare PDMS. (B) Principio di funzionamento della valvola a manicotto. (C) Principio di funzionamento della microvalvola a cambiamento di fase. (D) Principio di funzionamento della microvalvola a bolle calde.vedere di più

Credito: Spazio: scienza e tecnologia

L'uso dell'ambiente spaziale per svolgere ricerche nel campo delle scienze della vita è di grande importanza per le questioni che influenzano la comparsa e lo sviluppo della vita sulla terra attraverso il volo spaziale e l'ambiente spaziale; tuttavia, esistono limitazioni nella manipolazione complessa, modelli di ricerca basati su esperimenti di colture cellulari 2D e di mammiferi, ecc. I chip microfluidici, noti anche come "lab-on-chip (LOC)", integrano le funzioni correlate dei laboratori tradizionali su un micron chip di livello con basso consumo energetico, elevata produttività e automazione, che può realizzare operazioni sperimentali a lungo termine e registrazione e trasmissione remota di dati, superando così le sfide degli ambienti spaziali, le scarse risorse sperimentali e i problemi di funzionamento senza pilota per alcuni estensione. Per svolgere ricerche correlate con i chip microfluidici, l'attuazione e il controllo della microfluidica sono molto importanti. In un documento di revisione recentemente pubblicato su Space: Science & Technology, i ricercatori del Beijing Key Laboratory for Separation and Analysis in Biomedicine and Pharmaceuticals, School of Life Science, Beijing Institute of Technology, hanno discusso e riassunto in modo esauriente i progressi dei sistemi azionati e controllati microfluidici e la potenziale applicazione e le sfide nella scienza spaziale.

Innanzitutto viene riassunto l’attuale sviluppo delle tecnologie attuate e controllate dal sistema microfluidico. Nel chip microfluidico, le micropompe che svolgono il ruolo di trasmissione e distribuzione del flusso di fluido sono principalmente divise in due categorie, la micropompa meccanica (che agisce su alcune strutture del chip) e le micropompe non meccaniche (che guidano direttamente il fluido). Le micropompe meccaniche trasferiscono e controllano i microfluidi mediante le parti meccaniche in movimento, tra cui micropompe a diaframma, micropompe a pistoni, micropompe a ingranaggi planetari, micropompe pneumatiche, micropompe elettriche, micropompe piezoelettriche e micropompe ad azionamento ottico, semplici nella progettazione e nel funzionamento ma limitate da deformazione e fragilità del film, processo di fabbricazione complesso, costi elevati, scarsa affidabilità e difficile integrazione. Le micropompe non meccaniche si basano su vari effetti fisici o chimici per convertire parte dell'energia non meccanica in energia cinetica per azionare il fluido, rappresentanti dei quali sono la micropompa elettroosmotica, la micropompa magnetoidrodinamica, la micropompa a bolla, la micropompa capillare e l'onda acustica superficiale (SAW) ) micropompa, avente un certo grado di stabilità durante la fabbricazione ma che richiede circuiti di pilotaggio complessi, apparecchiature esterne e potenza extra durante il funzionamento. La microvalvola è un elemento di controllo dell'interruttore per il flusso del fluido, che solitamente è posizionato nella parte anteriore del nodo di ingresso del sistema e del nodo del canale. Nel presente documento la microvalvola è divisa in valvola attiva e valvola passiva. La valvola attiva non si basa sulla conversione di energia ma agisce direttamente sull'interruttore del fluido, come le valvole a parete scorrevole e a pinza. La microvalvola passiva è influenzata principalmente dalla frequenza di azione della camera della pompa, per controllare la direzione del flusso e la pressione del fluido come la microvalvola a cambiamento di fase, la microvalvola a bolle calde e la microvalvola del fluido magnetico. Negli ultimi anni, è stata prestata crescente attenzione alla combinazione di diversi metodi per superare le carenze di un unico meccanismo microfluidico azionato o controllato.

Successivamente sono state brevemente discusse le applicazioni di chip o sistemi microfluidici nelle condizioni spaziali di simulazione o in alcuni settori aerospaziali specifici. Sotto microgravità simulata, Michel et al. hanno indicato che la piattaforma LOC interamente in vetro può essere implementata con successo per la coltura di cellule umane che formano cheratina e cellule di melanoma cutaneo, Yang et al. hanno scoperto che nella fase iniziale della germinazione dei semi, la risposta del fattore di crescita era significativamente ridotta dopo la sospensione dei semi, Wang et al hanno costruito un'analisi del danno da microgravità sul Cryptobacterium hidradenum e Yew et al. ha sviluppato un sistema di clinorotazione LOC per rispondere alla necessità di monitorare le risposte cellulari in breve tempo e di creare ambienti fluidici dinamici. Alcuni paesi hanno successivamente portato avanti progetti di ricerca nel campo delle scienze della vita spaziale basati su chip microfluidici, come la missione STS-116 (lancio del primo microchip in grado di rilevare batteri Gram-negativi nello spazio), la navicella spaziale "Foton-M3" (a bassa test sull'orbita terrestre), rHEALTH (progettazione di un dispositivo chip microfluidico riutilizzabile chiamato a monitorare la salute degli astronauti durante i lunghi voli nello spazio), CubeSat (una validazione significativa non solo dei sistemi LOC ma anche delle centrifughe miniaturizzate a g variabile che operano in CubeSat a volo libero ), il primo organo su chip spaziale finanziato dal National Institutes of Health, BioSentinel (un esempio di microsistemi bioanalitici autonomi) e il carico utile modulare del chip da laboratorio dell'ISRO. Nel frattempo, il gruppo di ricerca conduce da più di 10 anni ricerche sulle scienze della vita spaziale basate su chip microfluidici e ha effettuato con successo diversi lanci spaziali. Per riassumere, la ricerca sulle scienze della vita spaziale richiede piattaforme di rilevamento altamente integrate, automatizzate e funzionalmente diverse, e i chip microfluidici presentano vantaggi unici.