Los ingenieros biomédicos de la Universidad de Duke han desarrollado un enfoque completamente nuevo para construir dispositivos de diagnóstico en el punto de atención que solo usan la gravedad para transportar, mezclar y manipular las gotas de líquido involucradas. La demostración requiere solo materiales disponibles comercialmente y muy poca potencia para leer los resultados, lo que la convierte en una opción potencialmente atractiva para aplicaciones en entornos de bajos recursos.

« La elegancia de este enfoque radica en su simplicidad : puede usar cualquier herramienta que tenga para que funcione », dijo Hamed Vahabi, ex investigador postdoctoral en Duke, que ahora es ingeniero líder de análisis en GE Hitachi. « Teóricamente, incluso podría usar una sierra de mano y cortar los canales necesarios para la prueba en un trozo de madera ».

El estudio realizado en el laboratorio de Ashutosh Chilkoti, Profesor Distinguido Alan L. Kaganov de Ingeniería Biomédica en Duke, aparece en línea el 11 de julio en la revista Device.

No falta la necesidad de dispositivos de punto de atención simples y fáciles de usar. Muchas demostraciones y dispositivos comerciales buscan hacer diagnósticos o medir biomarcadores importantes utilizando solo unas pocas gotas de líquido con la menor potencia y experiencia requeridas como sea posible. Su objetivo es mejorar la atención médica para los miles de millones de personas que viven en entornos de bajos recursos lejos de los hospitales tradicionales y médicos capacitados.

Todas estas pruebas tienen los mismos requisitos básicos; deben mover, mezclar y medir pequeñas gotas que contienen muestras biológicas y los ingredientes activos que hacen posible la medición de biomarcadores específicos. Los ejemplos más caros usan pequeñas bombas eléctricas para impulsar estas reacciones. Otros usan la física de los líquidos dentro de microcanales (microfluídica) que crean una especie de efecto de succión.

Esta es la primera demostración que solo usa la gravedad. Cada enfoque ofrece habilidades útiles únicas, así como inconvenientes.

« La mayoría de los dispositivos de microfluidos necesitan algo más que fuerzas capilares para funcionar », dijo Chilkoti. « Este enfoque es mucho más simple y también permite diseñar y operar rutas de fluidos muy complejas, lo que no es fácil ni barato de hacer con la microfluídica ».

El nuevo enfoque impulsado por la gravedad se basa en un conjunto de nueve recubrimientos de superficie disponibles comercialmente que pueden modificar la humectabilidad y el deslizamiento en cualquier punto del dispositivo. Es decir, pueden ajustar la cantidad de gotas que se aplanan en panqueques o permanecen esféricas mientras les facilita o dificulta deslizarse por una pendiente.

Usados ​​juntos en combinaciones inteligentes, estos recubrimientos superficiales pueden crear todos los elementos microfluídicos necesarios en una prueba en el punto de atención. Por ejemplo, si un lugar determinado es extremadamente resbaladizo y se coloca una gota en una intersección donde un lado jala el líquido y el otro lo empuja en una bola, actuará como una bomba y acelerará la gota hacia la primera.

« Se nos ocurrieron muchos elementos diferentes para controlar el movimiento, la interacción, el tiempo y la secuencia de múltiples gotas en el dispositivo », dijo Vahabi. « Todos estos fenómenos son bien conocidos en el campo, pero nadie pensó antes en usarlos para controlar el movimiento de las gotas de forma sistemática ».

Al combinar estos elementos, los investigadores crearon una prueba prototipo para medir los niveles de lactato deshidrogenasa (LDH) en una muestra de suero humano. Esculpieron canales dentro de la plataforma de prueba para crear caminos específicos para que las gotas viajaran, cada uno cubierto con una sustancia que evita que las gotas se adhieran a lo largo de su viaje. También prepararon ubicaciones específicas con reactivos secos necesarios para la prueba, que son absorbidos por gotas de solución tampón simple a medida que viajan.

Luego, toda la prueba con forma de laberinto se tapa con una tapa que contiene un par de orificios donde se gotean la muestra y la solución tampón. Una vez cargada, la prueba se coloca dentro de un dispositivo con forma de caja con un mango que gira la prueba 90 grados para dejar que la gravedad haga su trabajo. Este dispositivo también está equipado con un LED simple y un detector de luz que puede detectar rápida y fácilmente la cantidad de azul, rojo o verde en los resultados de la prueba. Esto significa que los investigadores pueden etiquetar tres biomarcadores diferentes con diferentes colores para medirlos en varias pruebas.

En el caso de esta prueba prototipo de LDH, el biomarcador está marcado con una molécula azul. Un microcontrolador simple mide qué tan profundo se vuelve el tono azul de los resultados de la prueba y qué tan rápido cambia de color, lo que indica la cantidad y concentración de LDH en la muestra, para generar resultados.

« Eventualmente, también podríamos usar un teléfono inteligente en el futuro para medir los resultados, pero eso no es algo que exploramos en este artículo específico », dijo Jason Liu, candidato a doctorado en el laboratorio de Chilkoti.

La demostración proporciona un nuevo enfoque a tener en cuenta cuando se diseñan dispositivos de diagnóstico económicos, de bajo consumo y en el punto de atención. Si bien el grupo planea continuar desarrollando su idea, también esperan que otros se den cuenta y trabajen en pruebas similares.

« Si bien un sistema de microfluidos bien diseñado puede automatizarse por completo y ser fácil de usar por medios pasivos, el tiempo de los pasos discretos generalmente se programa en el diseño del dispositivo mismo, lo que dificulta las modificaciones al protocolo », agregó David Kinnamon, candidato a doctorado en el grupo Chilkoti. « En este trabajo, el usuario retiene un mayor control de la sincronización de los pasos y solo sacrifica modestamente la facilidad de operación. Una vez más, esta es una ventaja para los protocolos más complejos ».

Este trabajo fue apoyado por los Institutos Nacionales de Salud (R01AI159992).