DISPOSITIVO Y MÉTODO DE ENCAPSULADO DE SISTEMAS MICROFLUÍDICOS.

Dispositivo y método de encapsulado de sistemas microfluídicos.

La presente invención hace referencia a un dispositivo y a un método destinados al encapsulado de sistemas microfluídicos, preferentemente sistemas "laboratorio en chip". Más concretamente, la invención se refiere a un dispositivo y a un método asociado al mismo, donde el dispositivo comprende una primera pieza de soporte configurada como base del dispositivo y alojamiento de un chip de cultivo celular, una segunda pieza de llenado de líquido, y una tercera pieza de encapsulado, configurables dichas tres piezas en, al menos, dos posiciones de acoplamiento que permiten, mediante su aplicación, la eliminación de burbujas de aire en el sistema microfluídico.

Dispositivo y método de encapsulado de sistemas microfluídicos.

CAMPO DE LA INVENCIÓN

La presente invención hace referencia a un dispositivo y a un método destinados al encapsulado de sistemas microfluídicos, preferentemente utilizados en sistemas “laboratorio en chip” (también designados por su término en inglés, “lab-on-chip”) . Más concretamente, la invención propuesta por el solicitante se refiere a un dispositivo y a un método diseñados, preferentemente, para el cultivo de células y/o para la circulación de fluidos a través de cultivos celulares.

ANTECEDENTES DE LA INVENCIÓN

Es conocido en el estado de la técnica correspondiente a los sistemas “lab-on-chip” que uno de los principales problemas, relacionados con el uso de dispositivos de microfluídica, es la aparición de burbujas de aire no deseadas en los circuitos de fluido. Típicamente, los chips, tubos, elementos de control de fluidos, depósitos, etc. de dichos sistemas necesitan ser conectados entre sí para crear un sistema fluídico y, tal y como muestra la experiencia en este campo técnico, es imposible evitar la aparición de burbujas en determinados regiones de los dispositivos, tales como los elementos conectores o las entradas y salidas de los chips. En algunas aplicaciones, sí es posible evitar la presencia de burbujas, mediante la alimentación/purgado de todo el sistema una vez montado, con un volumen total de al menos dos o tres veces el volumen muerto del circuito. Sin embargo, esta solución se puede aplicar sólo si el sistema es operado en un circuito abierto, ya que para un sistema cerrado, al conectar los extremos del circuito se producen nuevas burbujas de aire.

El problema anterior implica limitaciones graves en el campo de la microfluídica, y para resolverlo se han desarrollado, en los últimos años, dispositivos capaces de impedir el paso de las burbujas a lo largo del circuito microfluídico, confinándolas en un volumen localizado del dispositivo. Si bien estos dispositivos (conocidos con el nombre de trampas de burbujas) son capaces de limitar el impacto del aire en los cultivos microfluídicos, aumentan sustancialmente la complejidad del sistema final, introduciendo componentes adicionales (lo que aumenta los tiempos de montaje y mantenimiento de los dispositivos) y aumentando el volumen muerto del sistema. Además, las trampas de burbujas no resultan de utilidad en aplicaciones donde no se permite el flujo una vez que los chips microfluídicos están montados (como es el caso en aplicaciones de cultivo celular en chips microfluídicos) , ya que cuando las células son introducidas en el chip, las entradas y las salidas de fluido están abiertas por lo que, de nuevo, es inevitable que se formen nuevas burbujas de pequeño tamaño. En estos sistemas, las burbujas de aire no pueden eliminarse mediante purgado, ya que las células necesitan tiempo para ser adheridas al sustrato de cultivo antes de aplicar cualquier flujo de líquido. Incluso esperando un tiempo suficiente para el asentamiento de las células, las burbujas crecerán continuamente si el chip no está integrado en un circuito de fluido cerrado. De nuevo, si el chip es integrado en el circuito, las pequeñas burbujas creadas durante la inserción de células dejarán de crecer, pero permanecerán en las entradas de dicho circuito. Finalmente, incluso si el flujo de purgado se aplica una vez que las células están totalmente adheridas al sustrato, es inevitable que algunas de las burbujas migren a la cámara de cultivo celular.

Es por ello que se plantea, en el estado de la técnica, la necesidad de obtener circuitos microfluídicos capaces de evitar la presencia de burbujas, tanto en la microcámara o chip destinado al cultivo celular sometido a estudio, como en el circuito microfluídico destinado a la circulación de fluidos (por ejemplo, para la alimentación de las células de cultivo) . Asimismo, otra necesidad derivada de las limitaciones técnicas de los dispositivos existentes en el estado de la técnica es la de permitir una inserción cómoda y sencilla de cualquier partícula (preferentemente, de células) o de líquidos directamente en el chip, mediante el uso de, por ejemplo, una micropipeta.

La presente invención está destinada a satisfacer dichas necesidades.

DESCRIPCIÓN BREVE DE LA INVENCIÓN

Tal y como se ha descrito en párrafos precedentes, un objeto de la presente invención se refiere a un sistema de encapsulado de un sistema microfluídico que sea capaz de proporcionar una inserción sencilla de las partículas (preferentemente, células de cultivo o nanopartículas funcionalizadas, por ejemplo nanopartículas de oro) o cualquier tipo de líquido que se dispense directamente en el chip, y que consiga, además, prevenir completamente la aparición de burbujas de aire en dicho chip. Para el contexto de la presente invención, el término “microfluídico” se interpreta como relativo a fluidos localizados en volúmenes del orden del microlitro (!l)

o inferiores, mientras que el término general “fluídico” se interpreta como relativo a fluidos localizados en canales,

cámaras o chips de cualquier volumen.

El objeto de la invención anteriormente descrito se consigue mediante un dispositivo que comprende:

- una primera pieza de soporte configurada como base del dispositivo, que comprende un medio de alojamiento y soporte del chip de cultivo celular, estando dicho chip provisto de, al menos, un canal de entrada y al menos un canal de salida de líquido;

- una segunda pieza de llenado que comprende conexiones fluídicas a los canales del chip de cultivo celular; medios internos de conexión hermética entre dichos canales del chip y las conexiones fluídicas; y sendos pozos de llenado comunicados aguas arriba con dichas conexiones fluídicas;

- una tercera pieza de encapsulado, que comprende conectores microfluídicos a un circuito fluídico o microfluídico, y una cámara de purgado conectable a los pozos de llenado de la segunda pieza, estando dicha cámara, además, conectada a un filtro permeable a gases, pero impermeable a líquidos, comunicado con el exterior; donde el dispositivo comprende, asimismo:

- medios externos de unión o acoplamiento entre la primera pieza y la segunda pieza;

- medios externos de unión o acoplamiento entre la segunda pieza y la tercera pieza;

- medios externos de cierre hermético entre la segunda pieza y la tercera pieza,

- medios internos de conexión hermética entre los canales del chip y las conexiones fluídicas de la segunda pieza;

- medios internos de conexión hermética entre los conectores microfluídicos de la tercera pieza y las conexiones fluídicas de la segunda pieza; y donde el dispositivo, a través de los medios externos e internos de las piezas segunda y tercera, comprende, al menos, dos posiciones de configuración:

- primera posición: comprende un acoplamiento y conexión externa entre la tercera pieza de encapsulado y la segunda pieza de llenado, mediante sus medios externos de unión o acoplamiento y sus medios externos de cierre hermético, pero sin existir una conexión hermética interna entre ambas piezas a través de los medios internos de conexión hermética entre los conectores microfluídicos de la tercera pieza y las conexiones fluídicas de la segunda pieza;

- segunda posición: comprende, además del acoplamiento y conexión externa entre la tercera pieza de encapsulado y la segunda pieza de llenado de la primera posición, también su conexión hermética interna entre los conectores microfluídicos de la tercera pieza y las conexiones fluídicas de la segunda pieza, a través de los medios internos de conexión hermética.

En una realización preferente de la invención, la tercera pieza de encapsulado se encuentra conectada a un circuito fluídico o microfluídico. De este modo se consigue obtener sistemas fluídicos completos libres de burbujas de aire en sus canales y/o microcanales.

En otra realización preferente de la invención, los medios externos de cierre hermético entre la segunda pieza y la tercera pieza comprenden una o más juntas herméticas de anillo. De este modo se obtiene un medio efectivo de conectar las piezas sin pérdida y/o entrada de aire/líquido en el sistema, mediante un único elemento de cierre.

En una realización preferente adicional de la invención, los medios externos de unión o acoplamiento de la primera pieza de soporte, de la segunda pieza de llenado y/o de la tercera pieza de encapsulado comprenden sistemas de cierre de tipo clip/agujero. Se consiguen, con ello, medios eficaces de acoplamiento externo que resultan, al mismo tiempo, fáciles de...

1. Dispositivo de encapsulado de un sistema microfluídico, caracterizado porque comprende:

- una primera pieza (1) de soporte configurada como base del dispositivo, que comprende un medio de alojamiento y soporte (4) de un chip (17) de cultivo celular, estando dicho chip (17) provisto de, al menos, un canal de entrada (18) y al menos un canal de salida (18’) de líquido;

- una segunda pieza (2) de llenado que comprende conexiones fluídicas (7, 7’) a los canales (18, 18’) del chip

(17) de cultivo celular; medios internos de conexión hermética (9, 9’) entre dichos canales (18, 18’) del chip (17) y las conexiones fluídicas (7, 7’) ; y sendos pozos de llenado (10, 10’) comunicados aguas arriba con dichas conexiones fluídicas (7, 7’) ;

- una tercera pieza (3) de encapsulado, que comprende conectores microfluídicos (14) a un circuito (20) fluídico o microfluídico, y una cámara de purgado (15) conectable a los pozos de llenado (10, 10’) de la segunda pieza (2) , estando dicha cámara (15) , además, conectada a un filtro (16) permeable a gases, pero impermeable a líquidos, comunicado con el exterior; donde el dispositivo comprende, asimismo:

-medios externos de unión o acoplamiento (6, 6’, 8, 8’) entre la primera pieza (1) y la segunda pieza (2) ;

- medios externos de unión o acoplamiento (11, 11’, 12) entre la segunda pieza (2) y la tercera pieza (3) ;

-medios externos de cierre hermético (11’’) entre la segunda pieza (2) y la tercera pieza (3) ,

- medios internos de conexión hermética (9, 9’) entre los canales (18, 18’) del chip (17) y las conexiones fluídicas (7, 7’) de la segunda pieza (2) ;

- medios internos de conexión hermética (13) entre los conectores microfluídicos (14) de la tercera pieza (3) y las

conexiones fluídicas (7, 7’) de la segunda pieza (2) ; y donde el dispositivo, a través de los medios externos (6, 6’, 8, 8’, 11, 11’, 11’’, 12) e internos (13) de las piezas segunda (2) y tercera (3) , comprende, al menos, dos posiciones de configuración:

- primera posición: comprende un acoplamiento y conexión externa entre la tercera pieza (3) de encapsulado y la segunda pieza (2) de llenado, mediante sus medios externos de unión o acoplamiento (11, 11’, 12) y sus medios externos de cierre hermético (11’’) , pero sin existir una conexión hermética interna entre ambas piezas (2, 3) a través de los medios internos de conexión hermética (13) entre los conectores microfluídicos (14) de la tercera pieza (3) y las conexiones fluídicas (7, 7’) de la segunda pieza (2) ;

- segunda posición: comprende, además del acoplamiento y conexión externa entre la tercera pieza (3) de encapsulado y la segunda pieza (2) de llenado de la primera posición, también su conexión hermética interna entre los conectores microfluídicos (14) de la tercera pieza (3) y las conexiones fluídicas (7, 7’) de la segunda pieza (2) , a través de los medios internos de conexión hermética (13) .

2. Dispositivo según la reivindicación anterior, donde la tercera pieza (3) de encapsulado se encuentra conectada a un circuito fluídico (20) o microfluídico.

3. Dispositivo según cualquiera de las reivindicaciones anteriores, donde los medios externos de cierre hermético (11’’) entre la segunda pieza (2) y la tercera pieza (3) comprenden una o más juntas herméticas de anillo.

4. Dispositivo según cualquiera de las reivindicaciones anteriores, donde los medios externos de unión o acoplamiento (6, 6’, 8, 8’, 11, 11’, 12) de la primera pieza (1) de soporte, de la segunda pieza (2) de llenado y/o de la tercera pieza (3) de encapsulado comprenden sistemas de cierre de tipo clip/agujero.

5. Dispositivo según cualquiera de las reivindicaciones anteriores, donde los medios internos de conexión hermética (9, 9’, 13) de la segunda pieza (2) de llenado o de la tercera pieza (3) de encapsulado comprenden juntas tóricas.

6. Dispositivo según cualquiera de las reivindicaciones anteriores, donde la primera pieza (1) de soporte comprende una ventana (5) configurada para la monitorización del chip (17) de cultivo celular mediante microscopía.

7. Método de encapsulado de sistemas microfluídicos que comprende el uso de un dispositivo según cualquiera de las reivindicaciones anteriores.

8. Método según la reivindicación anterior, que comprende los siguientes pasos:

a) se aloja un chip (17) equipado con una pluralidad de entradas/salidas (18, 18’) sobre la primera pieza (1) de soporte;

b) se acopla la segunda pieza (2) de llenado a la primera pieza (1) de soporte, conectando dichas piezas a través de medios externos de unión o acoplamiento (6, 6’, 8, 8’) de dichas piezas (1, 2) y

proporcionando una conexión hermética entre los canales de entrada/salida (18, 18’) del chip (17) y los canales fluídicos (7, 7’) de la segunda pieza (2) , a través de medios internos de conexión hermética (9,

9’) dispuestos en dicha segunda pieza (2) ;

c) se utiliza un medio de llenado de líquido (19) para el llenado del chip (17) y sus canales de entrada/salida (18, 18’) , a través de las conexiones fluídicas (7, 7’) de la segunda pieza (2) y se purga de aire tanto el chip (17) como los canales de entrada/salida (18, 18’) , hasta saturar de líquido parcial o totalmente los pozos de llenado (10, 10’) de la segunda pieza (2) ;

d) opcionalmente, una vez llenado de líquido tanto el chip (17) como los canales de entrada/salida (18, 18’) y los pozos de llenado (10, 10’) con el medio de llenado (19) , se insertan partículas y/o líquido en dicho chip (17) ; e) se conecta la tercera pieza (3) de encapsulado a un circuito fluídico (20) en el que se integra el dispositivo, a través de los conectores microfluídicos (14) de la tercera pieza (3) .

f) se conecta la tercera pieza (3) de encapsulado a la segunda pieza (2) de llenado, a través de la aplicación de los medios de cierre hermético externo (11’’) y de medios externos de acoplamiento o unión (11, 11’, 12) entre la segunda pieza (2) y la tercera pieza (3) , y configurando dichos medios externos de cierre hermético (11’’) y medios externos de acoplamiento (11, 11’, 12) en la primera posición de configuración del dispositivo, pero sin aplicar los medios internos de conexión hermética (13) entre las piezas segunda (2) y tercera (3) . g) manteniendo el dispositivo en la primera posición de configuración, se bombea líquido a través del circuito fluídico (20) , para purgarlo de aire. h) una vez que todo el aire se ha retirado del circuito (20) fluídico o microfluídico, se realiza la conexión hermética interna entre la tercera pieza (3) y la segunda pieza (2) , a través de los medios internos de conexión hermética (13) , en la segunda posición de configuración del dispositivo, cerrando el circuito fluídico completo de dicho dispositivo y trasladando el líquido que satura los pozos de llenado (10, 10’) y, opcionalmente, burbujas de aire residual en el circuito (20) , a la cámara de purgado (15) .

FIG. 1

FIG. 2

FIG. 3 FIG. 4

FIG. 5 FIG. 6a FIG. 6b FIG. 7

FIG. 8 FIG. 9

FIG. 10a FIG. 10b FIG. 11

FIG. 12a FIG. 12