Biotecnología

 

Aplicaciones de microfluídica en bioseparaciones

 

Microfluidics applications in bioseparations

 

B.H. Lapizco–Encinas

 

Departamento de Biotecnología e Ingeniería de Alimentos y Centro de Biotecnología Tecnológico de Monterrey, Campus Monterrey. Ave. Eugenio Garza Sada 2501 Sur, Monterrey, NL 64849, México.

 

Recibido 29 de Mayo 2008
Aceptado 26 de Agosto 2008

 

Resumen

Los microsistemas para análisis conocidos como laboratorios montados en un microdispositivo (lab–on–a–chip) están tomando cada vez mayor importancia en la industria biotecnológica y farmacéutica, ya sea en aplicaciones analíticas o preparativas (alta producción). Las ventajas que ofrecen estos microdispositivos son mayor rapidez y menor consumo de reactivos. Los avances en microfluídica, ciencia que estudia el manejo de fluidos en microescala (10^–9 a 10^–18 litros), han permitido el desarrollo de los microdispositivos con aplicación en bioseparaciones. Las técnicas de bioseparación más aplicables en microescala son cromatografía, electroforesis y dielectroforesis, las cuales han sido utilizadas exitosamente para la separación y concentración de variedad biopartículas, desde proteínas hasta parásitos.

Este artículo presenta un análisis de los avances en el área de bioseparaciones en microescala, es decir las aplicaciones de microfluídica en bioseparaciones, el objetivo es proveer al lector con información sobre el estado del arte en este campo de la ciencia. Además, se presenta el panorama del desarrollo de este campo de investigación en México, donde incluye información sobre los investigadores e instituciones mexicanas que están realizando estudios sobre bioseparaciones en microescala.

Palabras clave: microfluídica, bioseparaciones, dielectroforesis, electroforesis, cromatografía.

 

Abstract

Microsystems for analysis, also known as lab–on–a–chip devices, are becoming increasingly important for the biotechnological and pharmaceutical industries, in analytical or preparative (high production) applications. The advantages that microdevices offer are shorter time and lower reagent consumption. The advances in microfluidics, the science that studies the handling of fluids on microscale (10^–9 to 10^–18 liters), have allowed the development of microdevices with applications in bioseparations. Chromatography, electrophoresis y dielectrophoresis are the bioseparation techniques more applicable on microscale, these techniques have been successfully utilized for the separation and concentration of a wide variety of bioparticles, ranging from proteins to parasites. The present paper presents an analysis of the advances in the field of microscale bioseparations, i.e. the application of microfluidics in bioseparations, the objective is to provide the reader with information on the state of the art in this field. Furthermore, an overview of the development of this research field in Mexico is presented, where information about the mexican researchers and institutions working in this field is included.

Keywords: microfluidics, bioseparation, dielectrophoresis, electrophoresis, chromatography.

 

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Agradecimientos

La autora agradece el apoyo económico proporcionado por la Cátedra de Investigación Bioingeniería y Nanobiopartículas (CAT161) del Tecnológico de Monterrey, así como el apoyo económico proporcionado por CONACYT, proyecto número CONACYT–CB–2006–53603.

 

Referencias

Andersson, H. y van den Berg, A. (2003). Microfluidic devices for cellomics: A review. Sensors and Actuators B–Chemical 92(3), 315–325.         [ Links ]

Andersson, H. y van den Berg, A. (2004). Microtechnologies and nanotechnologies for single–cell analysis. Current Opinion in Biotechnology 15(1), 44–49.         [ Links ]

Armstrong, D.W., Schulte, G., Schneiderheinze, J.M. y Westenberg, D.J. (1999). Separating microbes in the manner of molecules. 1. Capillary electrokinetic approaches. Analytical Chemistry 71(24), 5465–5469.         [ Links ]

Burns, M.A., Johnson, B.N., Brahmasandra, S.N., Handique, K., Webster, J.R., Krishnan, M., Sammarco, T.S., Man, P.M., Jones, D., Heldsinger, D., Mastrangelo, C.H. y Burke, D.T. (1988). An integrated nanoliter DNA analysis device. Science 282, 484–487.         [ Links ]

Castellanos, A., DuPont, S.J., Heim, A.J., Matthews, G., Stroot, P.G., Moreno, W. y Toomey, R.G. (2007a). Size–exclusion "capture and release" separations using surface–patterned poly(n–isopropylacrylamide) hydrogels. Langmuir 23, 6391–6395.         [ Links ]

Castellanos, A., Toomey, R.G. y Moreno, W. (2007b). Non–conventional biomems for biosamples manipulation. XIII Taller IBERCHIP, Lima, Perú, Marzo 14–16.         [ Links ]

Durán, R., Ramírez, A. y Zehe, A. (2005). A nano–rotor driven by the electrokinetic effect acting on a bioparticle. Transactions on Biology and Biomedicine 2(3), 294–298.         [ Links ]

Effenhauser, C.S. (2006). Analytical mycrosystems: A bird's eye view. En Separation methods in microanalytical systems. (J. P. Kutter and Y. Fintschenko, eds.), Pp. 1–18, CRC Press, Boca Raton, FL.         [ Links ]

Flores, F., Artigas, J., Marty, J.L. y Valdés, F. (2003). Development of an enfet for the detection of organophosphorous and carbamate insecticides. Analytical and Bioanalytical Chemistry 376(4), 476–480.         [ Links ]

FUMEC (2008). Programa para el desarrollo del sector de microsistemas. Accesado 08/08/2008. (http://fumec.org.mx/v4/index.php?option=com_content & task=view & id=37 & Itemid=88 & lang=es)        [ Links ]

Hughes, M.P. (2003). Nanoelectromechanics in engineering and biology. Boca Ratón, FL, CRC Press.         [ Links ]

Hildera, E.F., Svec, F., y Fréchet, J.M.J. (2004). Latex–functionalized monolithic columns for the separation of carbohydrates by micro anion–exchange chromatography. Journal of Chromatography A 1053, 101–106.         [ Links ]

Ibañez–García, N., Martínez–Cisneros, C.S., Valdés, P. y Alonso, J. (2008). Green–tape ceramics. New technological approach for integrating electronics and fluidics in microsystems. Trends in Analytical Chemistry 27(1), 24–33.         [ Links ]

Jacobson, S.C., Hergenroder, R., Koutny, L.B. y Ramsey, M. (1994). Open channel electrochromatography on a microchip. Analytical Chemistry 66(14), 2369–2373.         [ Links ]

Karniadakis, G., Beskok, A. y Aluru, N. (2005). Microflows and nanoflows: Fundamentals and simulation. New York, NY, Springer.         [ Links ]

Kutter, J.P., Jacobson, S.C. y Ramsey, M. (1997). Integrated microchip device with electrokinetically controlled solvent mixing for isocratic and gradient elution in micellar electrokinetic chromatography. Analytical Chemistry 69, 5165–5171.         [ Links ]

Lam, P., Kumar, K., Wnek, G.E. y Przybycien, T.M. (1999). A prototype electrochemical chromatographic column for use with proteins. Analytical Chemistry 71(19), 4272-4277.         [ Links ]

Lapizco–Encinas, B.H. (2008). Comunicación personal. Tecnológico de Monterrey, Campus Monterrey.         [ Links ]

Lapizco–Encinas, B.H., Ozuna–Chacón, S. y Rito–Palomares, M. (2008). Protein manipulation with insulator–based dielectrophoresis and direct current electric fields. Journal of Chromatography A 1206(1), 45–51.         [ Links ]

Martínez–Chapa, S.O. (2008). Comunicación personal. Tecnológico de Monterrey, Campus Monterrey.         [ Links ]

Martínez–Cisneros, C.S., Ibañez–García, N., Valdés, P. y Alonso, J. (2007a). LTCC microflow analyzers with monolithic integration of termal control. Sensors and Actuators A–Physical 138, 63–70.         [ Links ]

Martínez–Cisneros, C.S., Ibañez–García, N., Valdés, P. y Alonso, J. (2007b). Miniaturizad total análisis systems: Integration of electronics and fluidics using the low–temperature co–fired ceramics. Analytical Chemistry 79(21), 8376–8380.         [ Links ]

Morales–Villagran, A. (2008). Comunicación personal. Universidad de Guadalajara.         [ Links ]

Morales–Villagran, A., Medina–Ceja, L. y Lopez–Perez, S.J. (2008a). Simultaneous glutamate and eeg activity measurements during seizures in rat hippocampal region with the use of an electrochemical biosensor. Journal of Neuroscience Methods 168(1), 48–53.         [ Links ]

Morales–Villagran, A., Sandoval–Salazar, C. y Medina–Ceja, L. (2008b). An analytical flow injection system to measure glutamate in microdialysis samples based on an enzymatic reaction and electrochemical detection. Neurochemical Research 33(8), 1592–1598.         [ Links ]

Morgan, H., Hughes, M.P. y Green, N.G. (1999). Separation of submicron bioparticles by dielectrophoresis. Biophysical Journal 77(1), 516–525.         [ Links ]

Nikolajsen, R.P.H., Chirica, G.S., Fintschenko, Y. y Kutter, J.P. (2006). Electro–driven separation methods on chips. En Separation methods in microanalytical systems. (J. P. Kutter and Y. Fintschenko, eds.), Pp. 261–317, CRC Press, Boca Raton, FL.         [ Links ]

Ozuna–Chacón, S., Lapizco–Encinas, B.H., Rito–Palomares, M., Martínez–Chapa, S.O. y Reyes–Betanzo, C. (2008). Performance characterization of an insulator–based dielectrophoretic microdevice. Electrophoresis 29(15), 3115–3122.         [ Links ]

Ramírez, A. y Zehe, A. (2005). Forced low–frequency cell oscillations in human blood suspensions. En Recent advances in multidisciplinary applied physics. (A. Méndez–Vilas, eds.), Pp. 203–208, Elsevier Science, Amsterdam.         [ Links ]

Rheea, M. y Burns, M.A. (2008). Microfluidic assembly blocks. Lab on a Chip 8, 13651373.         [ Links ]

Sánchez, A. y Zehe, A. (2003). El potencial del virus mosaico de tabaco (tmv) como bionanosistema en la electrónica molecula. Internet Electronic Journal Nanociencia et Moletrónica 1(12), 100–111.         [ Links ]

Sánchez Chávez, I.Y., Martínez Chapa, S.O. y Peppas , N.A. (2008). Computer evaluation of hydrogel–based systems for diabetes closed loop treatment. AIChE Journal 54(7), 1901-1911.         [ Links ]

Sánchez–Chávez, I.Y., Martínez–Chapa, S.O. y Morales–Menéndez, R. (2008). Glucose optimal control system in diabetes treatment. Applied Mathematics and Computation doi:10.1016/j.amc.2008.06.030.         [ Links ]

Santana–Solano, J. (2008). Comunicación personal. CINVESTAV, Unidad Monterrey.         [ Links ]

Santana–Solano, J., Wu, D.T. y Marr, D.W.M. (2006). Direct measurement of colloidal particle rotation and field dependence in alternating current electrohydrodynamic flows. Langmuir 22(13), 5932–5936.         [ Links ]

Terry, S.C., Jerman, J.H. y Angell, J.B. (1979). A gas chromatographic air analyzer fabricated on a silicon wafer. Electron Devices, IEEE Transactions on 26(12), 1880–1886.         [ Links ]

Valdés–Perezgasga, F. (2008). Comunicación personal. Instituto Tecnológico de la Laguna.         [ Links ]

Vargas–Bernal, R. (2006). Choosing materials for designing drug delivery systems based on mems. Proceedings of the XV International Materials Research Congress: Biomaterials Symposium, Cancún, Quintana Roo, México, August 2006 20–24.         [ Links ]

Vargas–Bernal, R. (2007a). Consideraciones de diseño de micro–mezcladores involucrando enzimas. IEEE 5to Congreso Internacional sobre Innovación y Desarrollo Tecnológico (CIINDET 2007), Cuernavaca, Morelos, México, October 2007, 1, 10–12.         [ Links ]

Vargas–Bernal, R. (2007b). Topologies based on microfluidics of pesticides biosensors. Proceedings of the Electronics, Robotics and Automotive Mechanics Conference (CERMA 2007), Cuernavaca, Morelos, México, 25–28 September 2007 608–613.         [ Links ]

Whitesides, G.M. (2006). The origins and the future of microfluidics. Nature 442, 368–373.         [ Links ]

Yang, C. (2002). Transpor ot liquid in rectangular microchannels by electroosmotic flow. En Microfluidics and biomems applications. (F. E. H. Tay, eds.), Pp. 265–285, Kluwer Academic Publishers, Netherlands.         [ Links ]

Zehe, A. y Ramírez, A. (2004). Vibration of eukariotic cells in suspension induced by a low–frequency electric field: Mathematical Modelling. WSEAS Transactions on Biology and Biomedicine 1(1), 55–59.         [ Links ]

Zehe, A., Ramírez, A. y Cid, A. (2004). Efectos electrocinéticos de células biológicas y partículas coloidales en la espectroscopía dieléctrica a baja frecuencia. Revista Mexicana de Ingeniería Biomédica 25(1), 16-24.         [ Links ]

Zehe, A., Ramírez, A. y Starostenko, O. (2006). Size–selective dielectrophoretic force on linear erythrocyte aggregates. Biophysics 51(4), 645–653.         [ Links ]