Dispositivo microfluídico para la separación de líquido del mismo líquido conteniendo partículas deformables sin fuentes de energía externas.

Dispositivo microfluídico para la separación de líquido del mismo líquido conteniendo partículas deformables sin fuentes de energía externas.

El dispositivo comprende al menos un canal de transporte (1) que utiliza varios principios fluido-hidrodinámicos para incrementar la cantidad de fluido separado/obtenido; al menos un área de separación (2) que divide parte del fluido que circula por el canal de transporte hacia un como mínimo un canal de recogida (3) o cámara de reacción. El área de separación (2) puede incluir al menos una agrupación de pilares, la configuración de los cuales maximiza la cantidad extraída de fluido en el mismo tiempo. El canal de recogida (3) tiene una profundidad y un ancho adaptables según la necesidad del test que se vaya a implementar. En particular, la invención proporcionar un filtro para separar plasma de una gota de sangre con gran eficiencia, que puede ser utilizado en sistemas portátiles de análisis sanguíneo.

DISPOSITIVO MICROFLUÍDICO PARA LA SEPARACIÓN DE LÍQUIDO DEL MISMO LÍQUIDO CONTENIENDO PARTICULAS DEFORMABLES SIN FUENTES DE ENERGÍA EXTERNAS.

CAMPO DE LA INVENCIÓN

La presente invención hace referencia a un dispositivo microfluídico que separa partículas del líquido en el que están contenidas maximizando la cantidad de líquido extraído de una mezcla inicial. En concreto, puede separar plasma de una gota de sangre para formar parte de un dispositivo portable de análisis de sangre.

ESTADO DEL ARTE

Hoy en día, se ha hecho un progreso considerable dentro del campo de la microfluídica, especialmente en aplicaciones relacionadas con la química, la biología y la biomedicina. De hecho, los productos de diagnóstico portátiles no 15 podrían desarrollarse si no fuese por esta tecnología. La mayoría de intentos hechos por investigadores en estos años se han focalizado en desarrollar un chip microfluídico para la separación de plasma de la sangre, pero aunque hay muchos intentos existen aún muchos handicaps como mejorar la eficiencia (cantidad de plasma extraído) sin hemolisis (ruptura de los glóbulos rojos).

El uso de la microfluídica no solo es conveniente debido a su pequeño tamaño, sino que además hace que se puedan obtener resultados más rápidamente.

En los test tradicionales, las muestras de sangre esperan durante mucho tiempo a que todos los procesos se hayan completado. Eso aumente las posibilidades de erros y hace que la sangre no se encuentre en sus óptimas condiciones.

Los nuevos test diagnósticos pueden ser más precisos ya que el uso de la microfluídica permite utilizar una gota de sangre justo extraída, con lo que la sangre es más fresca y como no hay manipulación se minimizan los errores y los resultados se obtienen más rápido.

La sangre se utiliza en muchos análisis para detectar un amplio rango de 30 enfermedades. Pero previamente, los elementos de la sangre se separan: plasma (serum más fibrinógeno), glóbulos rojos, glóbulos blancos y plaquetas. La sangre

normal está constituida por un 45% glóbulos rojos, 1% glóbulos blancos, 0.5% plaquetas y el resto plasma. Los glóbulos rojos son células deformables con forma de disco de 8 mieras de diámetro y una altura de 2 mieras. Los glóbulos blancos tienen un diámetro entre 8 y 12 mieras y previenen de las infecciones. El otro 5 componente principal de la sangre son las plaquetas que se agregan para formar coágulos. Todas estas partículas se hallan suspendidas en el plasma, que está formado en un 90% de plasma y tiene color amarillento. A parte de agua, el plasma contiene pequeñas partículas (entre 1 y 3 mieras de diámetro) que son básicamente serum, albúmina, factores de coagulación, hormonas, dióxido de ío carbono, proteínas, electrolitos y inmunoglobulina.

Actualmente, la separación del plasma de la sangre se realiza mediante centrifugación en un laboratorio y se requieren cantidades de sangre relativamente elevadas (mililitros) o mediante sedimentación pero este proceso es muy lento.

Así pues, la minimizar errores, reducir el tiempo entre la extracción y la obtención 15 de los resultados del test, los dispositivos tipo "lab-on-a chip" (laboratorio en un chip) son atractivos para la separación del plasma de la sangre y la posterior integración del test. Los investigadores han desarrollados sistemas de separación de plasma que utilizan distintas técnicas en microfluídico, como filtración con flujo perpendicular, desplazamiento determinístico lateral, flujo estrangulado, técnicas 20 dieletroforéticas o separación biomimética. Pero la mayoría de estas técnicas necesitan una fuente de presión o bomba que puede que los usuarios de un test portátil no tengan disponible.

Hay otro grupo de científicos que se han centrado en el desarrollo de filtros microfluídico sin fuentes externas, pero el volumen de plasma extraído antes que 25 se produzca la colmatación de la entrada del canal de separación es mínimo y no suficiente para implementar análisis de sangre.

Así pues, sería deseable contar con un dispositivo que pudiera separar la máxima cantidad de líquido de un líquido que contiene partículas deformables.

Ralf-Peter Peters et al. U.S. Patent Application Publication No. US 2004/0232074, 30 patentan una microestructura que separa plasma de la sangre. La microestructura incluye un canal de transporte recto, por donde la sangre circula, un canal de

separación en una bifurcación del canal de transporte que se une perpendicularmente a este y con una altura diferente del inicial. En esta bifurcación es por donde el plasma circular. Este canal de separación tiene una microestructura que retiene las partículas grandes y ralentiza las pequeñas (efecto 5 cromatográfico, el líquido que transporta las partículas tiende a moverse más rápido que estas). Si el canal de separación tiene una altura superior a las partículas que se quieren filtrar o las partículas son deformables y pueden entrar, la cualidad del líquido filtrado no será 100% libre de partículas. Pero si la área de filtración tiene una altura menor que las partículas a ser filtradas no hay un ío mecanismo que evite el colamatamiento de la entrada, de manera que las partículas grandes taparan la entrada limitando la cantidad de fluido que se puede extraer. La alta concentración de partículas en la sangre (45% de glóbulos rojos) causa que la separación por efecto cromatográfico de lugar a una extracción de plasma muy limitada, y con muchas probabilidades no suficiente para implementar 15 test sanguíneos. Además el diseño presentado en ésta patente se basa en fabricar canales de distintas alturas en una única pieza y cubrir el canal con una tapa. Proceso de fabricación que puede ser complejo.

Jee-Hoon Seo et al. International Patent NO. WO 2005/095954, presentaron otro diseño de filtro que no utiliza membranas u otros dispositivos para separar plasma 20 de la sangre. El filtro está formado por un sustrato que incluye un canal. Este canal tiene una entrada y al menos dos salidas separadas un cierto ángulo, una de otra; y un conjunto de estructuras rectangulares (pilares) colocadas en el canal principal con un cierto ángulo las unas respecto a las otras. Las estructuras rectangulares en el canal permiten separar el plasma de la sangre según su 25 disposición. Aunque esta invención proporciona un diseño para separar plasma de la sangre, la eficiencia de separación es no es muy buena (bastante cantidad de partículas se encuentran en el canal de salida), debido a que la distancia entre pilares sea de alrededor de 10 mieras y que los glóbulos rojos pueden deformarse, éstos consiguen pasar a través de los pilares hacia la salida.

El objetivo de la presente invención es crear un chip microfluídico que pueda ser parte de un dispositivo de diagnóstico portátil (Point-of-care, POC) el cual a partir

de una gota de sangre pueda separar sin fuerzas externas una cantidad de plasma suficiente para hacer análisis de alta calidad (>90% sin células) y en un tiempo razonable (minutos).

Otro punto importante comparado con las patentes previas, consiste en maximizar 5 la cantidad de volumen extraído del volumen inicial. Esto se consigue gracias al hecho que la presente invención considera el comportamiento reológico de los glóbulos rojos dentro del canal de transporte, y retrasa la colmatación de la entrada hasta que al menos el canal/cámara de recogida está lleno. Este retraso se consigue actuando en dos puntos: primero, el canal de recogida se llena más ío rápidamente que en diseños previos, ya que la área de separación se ha diseñado como una bomba capilar de grane eficiencia, además de tener el comportamiento hidrofílico apropiado. Segundo, se minimiza la concentración de glóbulos rojos a la entrada en la zona de separación, que en lugar de estar situada solo a un lado del canal de transporte como en la patente N. US 2004/0232074, se ha situado de 15 forma simétrica a ambos lados del canal de transporte. Este hecho hace que las fuerzas capilares que actúan sobre los glóbulos rojos que circulan dentro del canal de transporte se vean compensadas, de manera que la trayectoria de éstos no se ve muy afectada y se reduce el problema de colmatación de la entrada de la zona de separación y tercero, si fuera necesario sería posible colocar unos electrodos a 20 la entrada y a la salida del canal para aplicar fuerzas electroforéticas sobre los glóbulos rojos forzándolos a alejarse de la entrada de la zona de separación.

Otro objetivo de la presente invención es presentar un dispositivo que pueda ser producido en serie utilizando distintos procesos de fabricación. Con este fin el dispositivo se ha dividido en dos partes: el canal...

1. Un dispositivo microfluídico autoaccionado (sin fuerzas externas) para separar partículas de un líquido en el que las partículas están suspendidas 5 y en particular para la separación de plasma sanguíneo , que comprende lo

siguiente:

a) Al menos un canal de transporte ( 1 ) dividido en tres regiones : 1a y 1e de la anchura w1y 1c de anchura w2 , donde w2 < w1. Estas tres regiones están conectados a través de un estrangulamiento (que puede ser curvado o no véase la figura 2 ) para transportar el líquido desde un orificio de entrada (11 ) a un puerto de salida (12 ) y evitar la obstrucción en el área de separación debido al aumento de la velocidad en la constricción.

b) Al menos una zona de separación ( 2 ), que está encima total o parcialmente del canal de transporte principal de menor anchura (1c ), actuando como punto de bifurcación para desviar el flujo parcial deseado de líquido extraído, que se coloca simétricamente a ambos lados del canal de transporte.

c) Al menos un canal de recogida ( 3 ) que puede incluir un orificio de salida ( 31 ) o una cámara de reacción.

d) El dispositivo microfluídico ( 100 ) se mecaniza en dos partes. Parte 101 contiene la zona de separación o filtro con altura menor que el tamaño de las partículas a separar (H2) y 102 que contiene el canal de transporte y el canal de recogida y/o cámara de ensayo con la altura adaptable según la prueba/análisis a realizar.

e) Ambas partes se fabrican con material hidrófilo adecuado o tratados para lograr un comportamiento hidrófilo en el material hidrofóbico.

2. El dispositivo de separación microfluídico de la reivindicación 1, en el que al

menos una microbomba incluyendo canales paralelos ( 41 ) o una colección

de micropilares ( 51 ) está conectada al final del canal principal ( 1e ) para promover el flujo.

3. El dispositivo microfluídico de la reivindicación 1 y 2, donde el canal de transporte 1 está curvada como en la figura 3 y la zona de separación se puede colocar simétricamente.

4. El dispositivo microfluídico de la reivindicación 1 y 2, donde el canal de transporte 1 está curvada como en la figura 3 y la zona de separación pude no ser simétrica.

5. El dispositivo microfluídico de la reivindicación 1 y 2 , donde el canal de transporte 1 está curvada como en la figura 4 y la zona de separación puede ser colocada simétricamente.

6. El dispositivo microfluídico de la reivindicación 1 y 2, donde el canal de transporte 1 está curvada como en la figura 4 y la zona de separación puede ser colocada no simétricamente.

7. El dispositivo de separación microfluídico de la reivindicación 1,2,3,4,5 y 6

en el que al menos dos electrodos 4 y 5 se colocan en la entrada y la salida para aplicar fuerzas electroforéticas alternas sobre las partículas.