Improving Pinched Flow Fractionation through Hybrid Inlet Design for Label-Free Size-Based Separation of Microalgae
Questo studio presenta un chip microfluidico a frazionamento per flusso strozzato con ingresso ibrido che supera il trattenimento delle particelle e l'instabilità del focalizzazione per ottenere una separazione basata sulle dimensioni di microalghe altamente efficiente, riproducibile e priva di marcatori, con tassi di smistamento superiori al 90% e purezze oltre il 92%.
Articolo originale sotto licenza CC BY 4.0 (https://creativecommons.org/licenses/by/4.0/). Questa è una spiegazione generata dall'IA di un preprint non sottoposto a revisione paritaria. Non è un consiglio medico. Non prendere decisioni sulla salute basandoti su questo contenuto. Leggi il disclaimer completo
Nel mondo microscopico dell'acqua, minuscole piante chiamate microalghe costituiscono la base della vita acquatica. Questi organismi unicellulari sono vitali per catturare il carbonio, pulire le acque reflue e potenzialmente alimentare il futuro, ma studiarli o utilizzarli per l'industria richiede un primo passo difficile: separare tipi specifici da una miscela disordinata. I campioni d'acqua naturali sono affollati di cellule di diverse dimensioni, forme e densità, insieme a detriti che ostruiscono i filtri tradizionali o danneggiano le cellule delicate durante la centrifugazione. Gli scienziati cercano da tempo un modo per classificare queste minuscole forme di vita senza utilizzare etichette, prodotti chimici o macchinari costosi che richiedono attrezzature pesanti. La sfida consiste nel creare un metodo che sia delicato, continuo e abbastanza preciso da distinguere una piccola cellula da una grande solo in base a come si muove attraverso un fluido.
Ricercatori della National Tsing Hua University di Taiwan hanno sviluppato un nuovo approccio a questo problema utilizzando una tecnica chiamata frazionamento a flusso pinzato (pinched flow fractionation). Immaginate un corridoio stretto dove una folla di persone viene spinta contro una parete da un flusso veloce di aria; le persone che stanno più vicine alla parete sono strette, mentre quelle che stanno qualche passo indietro hanno più spazio. In questo dispositivo microfluidico, un campione d'acqua contenente alghe viene stretto contro il lato di un minuscolo canale da un flusso più veloce di acqua pulita. Poiché le cellule più grandi non possono avvicinarsi tanto alla parete quanto quelle più piccole, finiscono in corsie leggermente diverse. Quando il canale si allarga improvvisamente, queste corsie si separano, permettendo alle diverse dimensioni di fluire in uscite separate. Sebbene questo concetto non sia nuovo, le versioni precedenti di questi dispositivi spesso faticavano a gestire campioni biologici reali. Le cellule rimanevano incastrate all'ingresso o il flusso diventava instabile, causando il fallimento della classificazione.
Per risolvere questi problemi, il team ha progettato un chip microfluidico con un ingresso modificato. Hanno testato tre modi diversi per aprire l'ingresso dove il campione entra nel dispositivo. Un design lasciava l'apertura parzialmente bloccata, il che aiutava a guidare le cellule ma causava l'incastro di troppe di esse. Un altro design lasciava l'apertura completamente ampia, il che riduceva l'incastro ma rendeva la posizione di partenza delle cellule troppo imprevedibile. I ricercatori hanno scoperto che un design "ibrido", che combinava caratteristiche di entrambi, offriva il miglior equilibrio. Questo nuovo ingresso permetteva alle cellule di entrare fluidamente senza ostruzioni, mantenendole al contempo strettamente focalizzate nelle loro corsie. Hanno anche regolato la lunghezza dei tubi collegati alle uscite e aggiunto una piccola quantità di una sostanza scivolosa all'acqua per evitare che le cellule si attaccassero ai lati del dispositivo.
Il team ha prima testato il proprio dispositivo utilizzando microsfere di plastica di due dimensioni distinte, misuranti 3 e 15 AU. Regolando attentamente la velocità del flusso del campione rispetto al flusso di guaina (sheath flow), sono stati in grado di dirigere quasi interamente le piccole sfere verso un'uscita e le grandi verso l'altra. Il dispositivo ha classificato con successo le piccole sfere con un tasso di successo superiore al 90 percento e ha recuperato quasi tutte le sfere dal sistema, il che significa che ne sono state perse pochissime. Ciò ha confermato che il nuovo design dell'ingresso funzionava come previsto per oggetti semplici e rotondi.
Incoraggiati da questi risultati, i ricercatori sono passati a campioni biologici reali. Hanno selezionato due tipi di microalghe: Nannochloropsis sp., che sono piccole e approssimativamente sferiche, misurando tra 3 e 5 AU, e Thalassiosira weissflogii, che sono più grandi e irregolari, misurando tra 11 e 16. A differenza delle uniformi microsfere di plastica, queste cellule viventi variano nella forma e possono ruotare mentre si muovono, rendendole più difficili da prevedere. I ricercatori hanno scoperto che la velocità di flusso ottimale per le alghe più grandi era leggermente diversa da quella delle sfere di plastica, richiedendo un rapporto specifico di 1 parte di campione a 9 parti di fluido di guaina. In queste condizioni, il dispositivo ha separato con successo le due specie. Ha diretto il 90,3 percento delle cellule di Nannochloropsis piccole verso l'uscita corretta e il 92,0 percento delle cellule di Thalassiosira più grandi verso la propria. La purezza dei campioni raccolti è stata alta, con oltre il 96 percento delle piccole cellule che erano del tipo corretto e il 92 percento delle grandi cellule.
Fondamentalmente, i ricercatori hanno ripetuto l'esperimento quattro volte per garantire che i risultati fossero affidabili. Le prestazioni sono rimaste costanti in tutti i tentativi, con pochissima variazione nel successo della classificazione o nel numero di cellule recuperate. Questa ripetibilità suggerisce che il dispositivo è abbastanza robusto per l'uso pratico. Lo studio dimostra che, semplicemente perfezionando la geometria dell'ingresso e le condizioni di flusso, è possibile creare un sistema passivo, senza etichette, che separa le microalghe in base alle dimensioni con alta efficienza. Sebbene il dispositivo attualmente si basi sulle differenze di dimensione e possa avere difficoltà con specie della stessa dimensione, offre un metodo semplice, a basso costo e delicato per preparare campioni biologici, potenzialmente aiutando il monitoraggio ambientale e la coltivazione di alghe per varie applicazioni industriali.
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