Improving Pinched Flow Fractionation through Hybrid Inlet Design for Label-Free Size-Based Separation of Microalgae
Este estudio presenta un chip microfluídico de fraccionamiento por flujo pinzado de entrada híbrida que supera la retención de partículas y la inestabilidad de enfoque para lograr una separación de microalgas basada en el tamaño, altamente eficiente, reproducible y libre de etiquetas, con tasas de clasificación superiores al 90 % y purezas por encima del 92 %.
Artículo original bajo licencia CC BY 4.0 (https://creativecommons.org/licenses/by/4.0/). Esta es una explicación generada por IA de un preprint que no ha sido revisado por pares. No es consejo médico. No tome decisiones de salud basándose en este contenido. Leer descargo de responsabilidad completo
En el mundo microscópico del agua, las diminutas plantas llamadas microalgas forman la base de la vida acuática. Estos organismos unicelulares son vitales para capturar carbono, limpiar aguas residuales y, potencialmente, alimentar el futuro, pero estudiar estas formas de vida o utilizarlas para la industria requiere un primer paso difícil: separar tipos específicos de una mezcla desordenada. Las muestras de agua naturales están pobladas por células de diferentes tamaños, formas y densidades, junto con desechos que obstruyen los filtros tradicionales o dañan las delicadas células durante el centrifugado. Los científicos han buscado durante mucho tiempo una forma de clasificar estas diminutas formas de vida sin utilizar etiquetas, productos químicos o maquinaria costosa que requiera equipos pesados. El desafío radica en crear un método que sea suave, continuo y lo suficientemente preciso como para distinguir una célula pequeña de una grande basándose únicamente en cómo se mueve a través de un fluido.
Investigadores de la Universidad Nacional Tsing Hua en Taiwán han desarrollado un nuevo enfoque para este problema utilizando una técnica llamada fraccionamiento de flujo comprimido (pinched flow fractionation). Imagine un pasillo estrecho donde una multitud de personas es empujada contra una pared por una corriente de aire rápida; las personas que están más cerca de la pared están apretadas, mientras que aquellas que están unos pasos atrás tienen más espacio. En este dispositivo microfluídico, una muestra de agua que contiene algas es presionada contra el costado de un canal diminuto por una corriente más rápida de agua limpia. Debido a que las células más grandes no pueden acercarse tanto a la pared como las más pequeñas, terminan en carriles ligeramente diferentes. Cuando el canal se ensancha repentinamente, estos carriles se separan, permitiendo que los diferentes tamaños fluyan hacia salidas distintas. Si bien este concepto no es nuevo, las versiones anteriores de estos dispositivos a menudo presentaban dificultades al manejar muestras biológicas reales. Las células se quedaban atascadas en la entrada, o el flujo se volvía inestable, provocando que la clasificación fallara.
Para resolver estos problemas, el equipo diseñó un chip microfluídico con una entrada modificada. Probaron tres formas diferentes de abrir la entrada donde la muestra ingresa al dispositivo. Un diseño dejaba la abertura parcialmente bloqueada, lo que ayudaba a guiar las células pero causaba que demasiadas se atascaran. Otro diseño dejaba la abertura totalmente abierta, lo que reducía el atasco pero hacía que la posición inicial de las células fuera demasiado impredecible. Los investigadores descubrieron que un diseño "híbrido", que combinaba características de ambos, ofrecía el mejor equilibrio. Esta nueva entrada permitía que las células entraran suavemente sin obstrucciones, manteniendo al mismo tiempo su enfoque estrecho en sus carriles. También ajustaron la longitud de los tubos conectados a las salidas y añadieron una pequeña cantidad de una sustancia resbaladiza al agua para evitar que las células se pegaran a los lados del dispositivo.
El equipo probó primero su dispositivo utilizando perlas de plástico de dos tamaños distintos, que medían 3 y 15 UA. Al ajustar cuidadosamente la velocidad del flujo de la muestra en comparación con la del flujo de la vaina (sheath flow), pudieron dirigir las perlas pequeñas casi por completo a una salida y las perlas grandes a la otra. El dispositivo clasificó con éxito las perlas pequeñas con una tasa de éxito superior al 90 por ciento y recuperó casi todas las perlas del sistema, lo que significa que se perdieron muy pocas. Esto confirmó que el nuevo diseño de la entrada funcionaba según lo previsto para objetos redondos simples.
Animados por estos resultados, los investigadores pasaron a muestras biológicas reales. Seleccionaron dos tipos de microalgas: Nannochloropsis sp., que son pequeñas y aproximadamente esféricas, midiendo entre 3 y 5 UA, y Thalassiosira weissflogii, que son más grandes e irregulares, midiendo entre 11 y 16 UA. A diferencia de las perlas de plástico uniformes, estas células vivas varían en forma y pueden rotar mientras se mueven, lo que las hace más difíciles de predecir. Los investigadores descubrieron que la velocidad de flujo óptima para las algas más grandes era ligeramente diferente a la de las perlas de plástico, requiriendo una relación específica de 1 parte de muestra por 9 partes de fluido de la vaina. Bajo estas condiciones, el dispositivo clasificó con éxito las dos especies. Dirigió el 90.3 por ciento de las células pequeñas de Nannochloropsis a la salida correcta y el 92.0 por ciento de las células de Thalassiosira más grandes a la suya propia. La pureza de las muestras recolectadas fue alta, con más del 96 por ciento de las células pequeñas y el 92 por ciento de las células grandes siendo del tipo correcto.
Crucialmente, los investigadores repitieron el experimento cuatro veces para asegurar que los resultados fueran fiables. El rendimiento se mantuvo constante en todos los ensayos, con muy poca variación en el éxito de la clasificación o en el número de células recuperadas. Esta repetibilidad sugiere que el dispositivo es lo suficientemente robusto para un uso práctico. El estudio demuestra que, simplemente refinando la geometría de la entrada y las condiciones de flujo, es posible crear un sistema pasivo y sin etiquetas que separa las microalgas según su tamaño con alta eficiencia. Si bien el dispositivo actualmente depende de las diferencias de tamaño y podría tener dificultades con especies que tienen el mismo tamaño, ofrece un método sencillo, de bajo costo y suave para la preparación de muestras biológicas, lo que potencialmente podría ayudar en el monitoreo ambiental y el cultivo de algas para diversas aplicaciones industriales.
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