Microfluidica Digital é um dos ramos mais recentes para manipulação de líquidos que permitem o controle de gotas em superfícies planas através da condutividade do material que recobre as paredes do dispositivo possibilitando operações como mistura, separação, aquecimento e resfriamento.

Existem basicamente dois tipos de dispositivos na microfluídica digital: os dispositivos abertos (uma camada) e os fechados (duas camadas), sendo esse segundo grupo o mais utilizado por restringir o contato do líquido com o ar ou outros contaminantes.

Na figura abaixo vemos exemplos dos dois tipos de dispositivo.

Dispositivos Microfluidicos Digitais. Na esquerda um dispositivo de modelo aberto e na direita um dispositivo de modelo fechado. Imagem: Wheeler lab, Universidade de Toronto

Como funciona a Microfluídica Digital

O princípio fundamental da microfluídica digital está no estudo da superfície de contato. Quanto mais hidrofóbica a superfície, menor é a permeabilidade do fluído.

Essa hidrofobicidade, característica dos dispositivos, cria um campo elétrico em um processo chamado electrowetting on dielectric (EWOD).

A aplicação desse campo elétrico cria uma camada hidrofílica polarizada na superfície do líquido que achata as gotas. A localização dessa polarização é controlada para produzir um gradiente de tensão que controle a movimentação das gotas na superfície da plataforma microfluídica.

Os materiais utilizados para base na criação desses dispositivos precisam ser necessariamente materiais dielétricos, como o vidro, que é cercado por eletrodos que acumulam carga e gradientes de campo elétrico.

A parte superior do dispositivo é tipicamente uma camada hidrofóbica para criar uma baixa energia superficial no ponto de contato entre as microgotas.

Aplicações recentes da Microfluídica Digital

Entre as principais aplicações da microfluídica digital está na conexão da área com a química e a biologia para detecção de componentes em fluidos como sangue, saliva ou urina.

Um dos processos que é possível ser realizado nesse tipo de dispositivo é o PCR, devido a boa capacidade desse tipo de dispositivo de realizar manipulações e leituras de ácidos nucleicos.

Um estudo recente publicado por Jain e Muralidhar (2020) no períodico Transactions of the Indian National Academy of Enginnering mostra o desenvolvimento de um sistema microfluídico capaz de realizar o exame PCR aliado ao processo EWOD (Electrowetting-on-dielectric).

Nesse processo, o dispositivo recebe a amostra infectada e um reagente para extração de RNA. A amostra e o reagente passam por uma zona de mistura e por um tratamento térmico.

Com o RNA extraído, o fluido se movimenta para outra câmara onde se mistura com outros reagentes para conversão do RNA em cDNA em uma nova região de tratamento térmico.

Por fim, o fluido é transportado para uma terceira região para se misturar novamente com reagentes que amplificariam o DNA da amostra, passa por mais um tratamento térmico (região do PCR) e passa por um detector ótico para gerar a resposta. 

Outro avanço recente na área é o dispositivo FINDER 1.5 da Baebies. O FINDER 1.5 é uma plataforma de diagnóstico baseada na tecnologia de Microfluídica Digital – realizando testes com baixo volume de amostra com um tempo de resposta rápido.

Esta tecnologia opera com baixo volume de gotas, permitindo rápido aquecimento e resfriamento. Aquecedores e sensores estão localizados diretamente no cartucho descartável. A operação de teste é totalmente controlada por software.

Abaixo um vídeo exemplificando melhor como funciona a tecnologia.

Perspectivas

A microfluídica digital pode ter um forte impacto nos futuros dispositivos point-of-care e em outros monitoramentos de processos em tempo real.

Em tempos de pandemia, esse tipo de dispositivo pode acelerar diagnósticos e condições inflamatórias de pacientes, auxiliando em tratamentos e na escolha do procedimento a ser tomado por médicos e enfermeiros.

Dispositivos como os criados por Jain e Muralidhar, podem significar o futuro dos dispositivos biomédicos.

Referências

Jain, V.; Muralidhar, K. Electrowetting-on-Dielectric System for COVID-19 Testing. Transactions of the Indian National Academy of Enginnering, 2020.

Coelho, B., Veigas, B., Fortunato, E., Martins, R., Águas, H., Igreja, R., & Baptista, P. V. Digital Microfluidics for Nucleic Acid Amplification. Sensors, 2017

Jebrail, M.; Wheeler, A. Let’s get Digital: digitizing Chemical biology with microfluidic. Current Opinions in Chemical Biology, 2010.


Texto escrito em parceria com Johmar Souza, @johmarsouza

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Este texto foi escrito originalmente no Blog Microfluídica & Engenharia Química

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Os argumentos expressos nos posts deste especial são dos pesquisadores. Assim, os autores produzem os textos a partir de seus campos de pesquisa científica e atuação profissional. Além disso, os textos são revisados por pares da mesma área técnica-científica da Unicamp. Dessa forma, não, necessariamente, representam a visão da Unicamp. Essas opiniões não substituem conselhos médicos.


Harrson S. Santana

Harrson S. Santana obteve seu doutorado em Engenharia Química pela Universidade de Campinas em 2016. Sua tese de doutorado foi a investigação da síntese de biodiesel em microcanais, utilizando simulações numéricas e ensaios experimentais. Em 2015, ele passou vários meses na Universidade de Glasgow (Reino Unido) desenvolvendo pesquisas na área de impressão 3D. Atualmente, ele é pesquisador associado e professor colaborador da Faculdade de Engenharia Química da Unicamp, trabalhando no desenvolvimento de microplantas químicas e uso de impressoras 3D em processos químicos. Ele publicou vários artigos explorando desde simulações numéricas no desenvolvimento de microdispositivos até o uso de microfluídica em reações químicas e operações unitárias. Seu interesse científico se concentra em fenômenos de transporte em sistemas microfluídicos, impressoras 3D e sistemas robóticos aplicados a processos químicos em microescala.

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