Un dispositivo para manipular y mezclar partículas magnéticas en un medio líquido y su utilización.

Dispositivo para mezclar partículas magnéticas en un medio líquido circundante y separar partículas magnéticas de un medio líquido,

que comprende:

(a) como mínimo, un par de polos electromagnéticos (1, 1') enfrentados entre sí a través de un entrehierro, divergiendo los polos enfrentados (1, 1') de forma continua desde un extremo estrecho del espacio hasta un extremo grande del espacio, los polos (1, 1') con el entrehierro son parte de un circuito electromagnético dispuesto para proporcionar un gradiente de campo magnético (5) en dicha región de entrehierro;

(b) una red microfluídica y una cámara de reacción (2) que es una parte de la red microfluídica para contener dichas partículas magnéticas en suspensión, estando la cámara de reacción (2) situada en el entrehierro de dichos polos electromagnéticos, en el que la cámara de reacción (2) tiene extremos de entrada/salida para introducir y extraer el medio líquido en la cámara de reacción y de la misma, extendiéndose la cámara de reacción entre sus extremos a lo largo de dicho entrehierro, de modo que los extremos de la cámara de reacción estén en correspondencia con los extremos estrecho y grande del entrehierro,

caracterizado porque dicha cámara de reacción (2) es una cavidad que tiene, como mínimo, una parte divergente dispuesta de forma codivergente en el entrehierro divergente entre los polos, en el que los extremos estrecho y grande de la cámara de reacción están conectados respectivamente a una entrada y una salida para suministrar líquidos al interior y desde la cámara de reacción (2).

Un dispositivo para manipular y mezclar partículas magnéticas en un medio líquido y su utilización Sector de la invención La presente invención se refiere a un dispositivo de manipulación y mezcla de partículas magnéticas dentro de una cámara de reacción que es una parte de una plataforma fluídica o microfluídica.

Descripción de la técnica relacionada Hoy en día, la de partículas (perlas) magnéticas es una tecnología estándar en ensayos bioquímicos y diagnósticos. La tecnología de partículas magnéticas es, de hecho, una tecnología robusta que permite conseguir rendimientos elevados (sensibilidad y exactitud) y también abre la posibilidad de fácil automatización de los protocolos de ensayo. Para muchas aplicaciones, la superficie de las partículas magnéticas está recubierta con un ligando o receptor adecuado, tal como anticuerpos, lectinas, oligonucleótidos u otras moléculas biorreactivas, que pueden unirse selectivamente a una sustancia diana en una mezcla con otras sustancias. Los ejemplos de pequeñas partículas o perlas magnéticas se dan a conocer en la patente de Estados Unidos 4.230.685, la patente de Estados Unidos 4.554.088 y la patente de Estados Unidos 4.628.037.

Un elemento clave en la tecnología de bioseparación y manipulación de partículas magnéticas es una eficiente mezcla para mejorar la velocidad de reacción entre las sustancias diana y las superficies de las partículas. De hecho, en lo que respecta a cualquier ensayo basado en superficie, la reacción está fuertemente limitada por el proceso de difusión natural, es necesaria una fuerte dirección y mezcla para promover la reacción de unión por afinidad entre el ligando y la sustancia diana.

Un ejemplo típico de aparato de mezcla de partículas magnéticas en medio de ensayo se da a conocer en la patente de Estados Unidos 6.231.760 y está disponible comercialmente de Sigris Research Inc con el nombre de sistema MixSep™. En esta patente y sistema, el medio de ensayo con las partículas magnéticas en un recipiente adecuado se sitúa en un gradiente de campo magnético generado por un imán externo. El concepto de mezcla se basa en el movimiento de un imán con respecto a un recipiente estacionario o el movimiento del recipiente con respecto a un imán estacionario utilizando medios mecánicos, induciendo por lo tanto un “desplazamiento relativo” de la posición del gradiente magnético dentro del recipiente. Este desplazamiento del gradiente de campo magnético inducirá, a su vez, a las partículas magnéticas a moverse continuamente con el cambio de la posición del imán (gradiente de campo magnético) , realizando de este modo la mezcla. Sin embargo, con este procedimiento, el gradiente de campo magnético atraerá y confinará a las partículas en una región de cavidad cercana a las paredes del recipiente (véase http://www.sigris.com/mixsep_technology.html) . En dicha condición, el contacto entre las partículas y el medio de ensayo está limitado a dicho espacio de cavidad, lo que reduce la eficiencia de mezcla. Aunque el “movimiento mecánico” de los imanes se reivindica como un medio de mezcla, también se describe la posibilidad de producir movimiento angular de las partículas mediante accionamiento secuencial de electroimanes dispuestos alrededor del recipiente. Sin embargo, mientras que los electroimanes proporcionan un campo magnético mucho menor en comparación con imanes permanentes, tal como se ha descrito el acoplamiento magnético entre electroimanes adyacentes repele fuertemente el flujo magnético fuera del recipiente dando como resultado una reducción adicional de la intensidad del campo magnético y la intensificación del efecto de cavidad. En dicha condición, la agitación (movimiento) y la mezcla de las partículas estarán fuertemente alteradas causando que las partículas se muevan lentamente, en su mayoría, como agregados en la región cercana al borde de las paredes.

Dentro del mismo espíritu, en la patente de Estados Unidos 6.764.859 se da a conocer un procedimiento de mezcla de partículas magnéticas en un recipiente en base al movimiento “mecánico” relativo entre el recipiente y la geometría matricial intermedia del imán. En dicha configuración, los imanes adyacentes tienen polaridad opuesta, lo que induce un cambio de la polaridad del campo magnético durante el movimiento intermedio relativo entre el recipiente y dos imanes adyacentes. En dichas condiciones, de hecho, las partículas pueden moverse mientras se separan relativamente entre sí, lo que afectará potencialmente a la mezcla. Sin embargo, en este enfoque cuando se tiene en consideración la duración completa del proceso de manipulación de partículas, el tiempo durante el cual las partículas están relativamente separadas entre sí es relativamente corto. Como consecuencia, son necesarios varios ciclos de mezcla para garantizar una mezcla eficaz. Además, durante el proceso de mezcla, las partículas no son puestas en contacto de forma homogénea con el volumen de muestra en el tubo de ensayo, lo que limita, a su vez, fuertemente la eficiencia de mezcla. Este problema es más pronunciado dado que el volumen de muestra es grande.

En consecuencia, cuando estos enfoques de mezcla mecánica se comparan con la “agitación manual de un tubo de ensayo”, el tiempo y el rendimiento de la reacción son sustancialmente similares si no más bajos, indicando que la difusión sigue siendo un importante factor limitante.

Otros aspectos para separación y resuspensión de partículas magnéticas se dan a conocer en la patente EP

0.504.192. Esta patente da a conocer la utilización de accionamiento secuencial de dos fuentes de campo magnético (electroimanes) dispuestas opuestas entre sí en las paredes de una cámara. El concepto de accionamiento

propuesto de dichos electroimanes se basa en suministro de energía (accionamiento) secuencial de los electroimanes mediante “binario” (es decir, encendido y apagado) o “analógico” en el que un primer electroimán recibe gradualmente suministro completo de energía, y a continuación su potencia se reduce, mientras que el siguiente electroimán recibe gradualmente suministro de energía, y así sucesivamente. A través de este accionamiento, las partículas serán movidas y arrastradas al volumen de la cámara de reacción y, de este modo, se resuspenderán. Mientras el concepto de utilizar (como mínimo) dos electroimanes con accionamiento “secuencial” es conceptualmente una manera evidente para resuspensión de partículas a partir de un agregado, durante su “movimiento” las partículas permanecen en su mayoría aglomeradas debido a su interacción dipolar en el campo magnético aplicado. La única manera, después de mover las partículas “superparamagnéticas” para ocupar el volumen de la cámara, de garantizar completamente resuspensión “homogénea” en la cámara es eliminar completamente el campo magnético externo y dejar la desagregación a agitadores Brownianos y térmicos. Adicionalmente, la solicitud da a conocer que suministrar y cortar la energía de forma alterna a los dos electroimanes a una velocidad suficientemente rápida mantiene a las partículas suspendidas en el centro de la cámara. Este proceso limita el movimiento de las partículas a una distancia relativamente pequeña, reduciendo significativamente la eficiencia de mezcla entre partículas y el medio líquido circundante.

En general, más allá de la limitada capacidad de mezcla de las tecnologías de partículas metálicas del estado de la técnica, basadas principalmente en el concepto de “llevar un imán a las inmediaciones de un tubo de ensayo”, la integración y la automatización de procedimientos de ensayo con partículas magnéticas son muy complejas, necesitando sistemas robóticos voluminosos. Estas limitaciones se vuelven más críticas a medida que los procedimientos de ensayo se están volviendo cada vez más complejos.

La tecnología basada en microfluídica es percibida hoy en día como una tecnología emergente con un mayor potencial que puede causar la integración más fácil de complejos procedimientos de ensayo bioquímico en un sistema automatizado fácil de usar y miniaturizado. Combinar tecnología de partículas magnéticas con microfluídica será ciertamente de gran importancia, dado que el control preciso de diferentes reactivos (permitido por la microfluídica) y la manipulación de especies biológicas y sus reacciones (permitida por partículas magnéticas) estarán integrados conjuntamente dentro de un único sistema.

Un enfoque de mezcla de partículas magnéticas en un canal microfluídico se enseña en la publicación “magnetic... [Seguir leyendo]

1. Dispositivo para mezclar partículas magnéticas en un medio líquido circundante y separar partículas magnéticas de un medio líquido, que comprende:

(a) como mínimo, un par de polos electromagnéticos (1, 1') enfrentados entre sí a través de un entrehierro, divergiendo los polos enfrentados (1, 1') de forma continua desde un extremo estrecho del espacio hasta un extremo grande del espacio, los polos (1, 1') con el entrehierro son parte de un circuito electromagnético dispuesto para proporcionar un gradiente de campo magnético (5) en dicha región de entrehierro;

(b) una red microfluídica y una cámara de reacción (2) que es una parte de la red microfluídica para contener dichas partículas magnéticas en suspensión, estando la cámara de reacción (2) situada en el entrehierro de dichos polos electromagnéticos, en el que la cámara de reacción (2) tiene extremos de entrada/salida para introducir y extraer el medio líquido en la cámara de reacción y de la misma, extendiéndose la cámara de reacción entre sus extremos a lo largo de dicho entrehierro, de modo que los extremos de la cámara de reacción estén en correspondencia con los extremos estrecho y grande del entrehierro, caracterizado porque dicha cámara de reacción (2) es una cavidad que tiene, como mínimo, una parte divergente dispuesta de forma codivergente en el entrehierro divergente entre los polos, en el que los extremos estrecho y grande de la cámara de reacción están conectados respectivamente a una entrada y una salida para suministrar líquidos al interior y desde la cámara de reacción (2) .

2. Dispositivo, según la reivindicación 1, en el que durante la utilización del dispositivo, cada uno de los polos magnéticos (1, 1') es accionado con secuencias de campo magnético que tienen una polaridad y una amplitud que varían en el tiempo para inducir variaciones en el tiempo de la posición de los máximos del gradiente de campo magnético a través de la cámara de reacción, haciendo de este modo que las partículas en utilización estén en movimiento traslacional y rotacional relativo como una niebla de partículas que cubre sustancialmente todo el volumen de la cámara de reacción.

3. Dispositivo, según la reivindicación 1 ó 2, en el que la proporción de la profundidad (H) del extremo grande con respecto a la longitud (L) de la parte divergente de la cámara de reacción (2) está entre 0, 1 y 1.

4. Dispositivo, según la reivindicación 2, en el que la secuencia magnética que varía en el tiempo tiene sustancialmente una forma rectangular, sinusoidal, de diente de sierra, triangular asimétrica o triangular simétrica; o cualquier combinación de dichas formas.

5. Dispositivo, según la reivindicación 4, en el que la frecuencia de pulsación u oscilación del campo magnético está entre 0, 1 y 1000 ciclos por segundo y preferentemente entre 1 y 500 ciclos por segundo.

6. Dispositivo, según la reivindicación 1, en el que las partículas en utilización son partículas magnéticas desimantadas que desarrollan una respuesta de histéresis ferromagnética específica a un campo magnético externo.

7. Dispositivo, según la reivindicación 6, en el que las partículas tienen un campo coercitivo entre 3, 98 y 795, 9 kA/m (50 y 10.000 Oe) , y preferentemente entre 15, 9 y 79, 6 kA/m (200 y 1000 Oe) .

8. Dispositivo, según la reivindicación 6, en el que las partículas tienen un revestimiento superficial diseñado para unirse selectivamente a la partícula, como mínimo, con una molécula diana portada a la cámara de reacción por un flujo de fluido.

9. Dispositivo, según la reivindicación 8, en el que el fluido fluye a través de la cámara de reacción (2) como un flujo oscilante o un flujo pulsado.

10. Dispositivo para mezclar partículas magnéticas en un medio líquido circundante y separar partículas magnéticas de un medio líquido, según cualquiera de las reivindicaciones anteriores, que comprende:

(a) una configuración de cuadripolo de polos magnéticos (1, 1'; 10, 10') que comprende (i) el, como mínimo, un par de polos magnéticos como un primer par de polos magnéticos (1, 1') enfrentados entre sí formando un entrehierro divergente; y (ii) un segundo par de polos magnéticos (10, 10') enfrentados entre sí formando un entrehierro divergente, con los extremos grandes de los entrehierros divergentes de los primer y segundo pares de polos enfrentados entre sí; y

(b) la cámara de reacción (2) que es parte de una red fluídica, que tiene una cavidad con partes divergentes con los extremos grandes de las partes divergentes enfrentados entre sí; en el que

(c) las partes divergentes de la cámara de reacción (2) están dispuestas de forma codivergente en los entrehierros divergentes entre los polos (1, 1'; 10, 10') .

11. Dispositivo, según cualquier reivindicación anterior en forma de un chip microfluídico que comprende:

(a) la cámara de reacción (2) para contener las partículas en suspensión, que es parte de una red microfluídica, teniendo la cámara de reacción, como mínimo, una cavidad con partes divergentes-convergentes;

(b) aberturas situadas a ambos lados de la cámara de reacción (2) para recibir polos magnéticos que son parte de un circuito magnético externo, y que cuando están recibidos en las aberturas están dispuestos geométricamente de

una manera que sean codivergentes/coconvergentes con partes divergentes-convergentes de la cámara de reacción;

(c) canales microfluídicos en el chip que proporcionan entradas-salidas en los extremos opuestos de la cámara de reacción. 5

12. Dispositivo, según la reivindicación 11, en el que el volumen de la cámara de reacción (2) está entre 0, 1 µl y 500 µl y preferentemente en el intervalo de 10 µl a 100 µl.

13. Utilización de dispositivos, según cualquier reivindicación anterior, para manipular y mezclar partículas 10 magnéticas, en ciencias de la vida o para ensayos bioquímicos.

DIBUJOS