Desarrollo y Aplicaciones de Tecnologías Microfluídicas Actudas y Controladas en Ciencia Espacial
En primer lugar, se resume el desarrollo actual de las tecnologías microfluídicas actuadas y controladas. En el chip microfluídico, las micropompas, que desempeñan el papel de transmisión y distribución del flujo de fluido, se dividen principalmente en dos categorías: micropompas mecánicas (que actúan sobre alguna estructura del chip) y micropompas no mecánicas (que impulsan directamente el fluido).
Las micropompas mecánicas transfieren y controlan los microfluidos mediante partes móviles mecánicas, siendo representativas de ellas la micropompa de diafragma, la micropompa de pistón, la micropompa de engranaje planetario, la micropompa neumática, la micropompa relacionada con la electricidad, la micropompa piezoeléctrica y la micropompa impulsada ópticamente. Estas micropompas, aunque simples en diseño y funcionamiento, se ven limitadas por la deformación y fragilidad de la película, el complejo proceso de fabricación, el alto coste, la baja fiabilidad y la difícil integración.
Por otro lado, las micropompas no mecánicas se basan en diversos efectos físicos o químicos para convertir alguna energía no mecánica en energía cinética con el fin de impulsar el fluido. Algunos ejemplos son la micropompa electroosmótica, la micropompa magnetohidrodinámica, la micropompa de tipo burbuja, la micropompa capilar y la micropompa de onda acústica superficial (SAW). Estas micropompas tienen un cierto grado de estabilidad durante la fabricación, pero requieren circuitos de accionamiento complejos, equipos externos y potencia adicional durante el funcionamiento.
La microválvula es un elemento de control de conmutación para el flujo de fluido, que suele ubicarse en el nodo de entrada y el nodo de canal del sistema. La microválvula se divide en válvula activa y válvula pasiva. La válvula activa no depende de la conversión de energía, sino que actúa directamente sobre la conmutación del fluido, como la pared deslizante y las válvulas de apriete. La microválvula pasiva se ve afectada principalmente por la frecuencia de acción de la cámara de la bomba, para controlar la dirección del flujo y la presión del fluido, como la microválvula de cambio de fase, la microválvula de burbuja caliente y la microválvula de fluido magnético.
En los últimos años, se ha prestado una atención creciente a la combinación de diferentes métodos para superar los inconvenientes de un único mecanismo basado en el accionamiento o control microfluídico.
A continuación, se analizan brevemente las aplicaciones de los chips o sistemas microfluídicos en condiciones espaciales simuladas o en algunos entornos aeroespaciales específicos.
En microgravedad simulada, Michel et al. indicaron que la plataforma LOC de vidrio completo puede implementarse con éxito para el cultivo de células humanas formadoras de queratina y células de melanoma cutáneo. Yang et al. descubrieron que en las primeras etapas de la germinación de semillas, la respuesta de los factores de crecimiento se redujo significativamente después de la suspensión de las semillas. Wang et al. construyeron un análisis del daño por microgravedad en Cryptobacterium hidradenum. Yew et al. desarrollaron un sistema de clinorrotación LOC para abordar la necesidad de seguimiento de respuestas celulares a corto plazo y el establecimiento de entornos fluídicos dinámicos.
Algunos países han llevado a cabo sucesivamente proyectos de investigación en ciencias de la vida espacial basados en chips microfluídicos, como la misión STS-116 (lanzamiento del primer microchip capaz de detectar bacterias gramnegativas en el espacio), la nave espacial "Foton-M3" (pruebas en órbita terrestre baja), rHEALTH (diseño de un dispositivo de chip microfluídico reutilizable llamado para controlar la salud de los astronautas durante vuelos largos en el espacio), CubeSat (una validación significativa no solo de los sistemas LOC, sino también de las centrífugas de gravedad variable en miniatura que operan en un CubeSat de vuelo libre), el primer órgano en un chip espacial financiado por los Institutos Nacionales de Salud, BioSentinel (un ejemplo de Microsistemas bioanalíticos autónomos) y la carga útil modular de Lab-chip de ISRO.
Mientras tanto, el equipo de investigación lleva más de 10 años realizando investigaciones sobre ciencias de la vida espacial basadas en chips microfluídicos y ha logrado con éxito varios lanzamientos espaciales.
En resumen, la investigación sobre ciencias de la vida espacial requiere plataformas de detección altamente integradas, automatizadas y funcionalmente diversas, y los chips microfluídicos tienen ventajas únicas.
Por otra parte, se analiza brevemente la perspectiva de aplicación de los órganos en un chip en las ciencias de la vida espacial. Los órganos en un chip biónicos microfluídicos humanos se refieren a un dispositivo de cultivo celular 3D microfluídico multicanal que simula las actividades, las características mecánicas y las reacciones fisiológicas relacionadas de todo el órgano o sistema orgánico en un chip pequeño mediante microprocesamiento.
El desarrollo de órganos en un chip se dirige hacia la conexión multicanal, la alta integración y la automatización, por lo que se han utilizado sistemas actuados y controlados en los sistemas microfluídicos. Además, como una tecnología biomédica revolucionaria de vanguardia, los órganos en un chip se han incluido en el plan de la Estación Espacial Internacional por la NASA.
Finalmente, los autores abordan que los sistemas microfluídicos actuados y controlados siempre juegan un papel central, y un diseño más flexible proporcionará herramientas más apropiadas en la investigación sobre ciencias de la vida espacial.
