Microfluidics im Weltraum zur Erkennung von außerirdischen Lebenszeichen und zur Überwachung der Gesundheit von Astronauten.

15. Juni 2023 Funktion

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von Thamarasee Jeewandara, Phys.org

In einem neuen Bericht, der jetzt in npj Microgravity veröffentlicht wurde, entwickelten Zachary Estlack und ein Forschungsteam der mechanischen Ingenieurwissenschaften und Raumfahrtwissenschaften an der University of Utah und der University of California, Berkeley, einen mikrofluidischen organischen Analysegerät, um Lebenszeichen jenseits der Erde zu erkennen und die Gesundheit von Astronauten klinisch zu überwachen. Das Team führte umfangreiche Umwelttests in verschiedenen Gravitationsatmosphären durch, um die Funktionalität des Analysegeräts und sein Technologieniveau zu bestätigen. 

Die Planetenwissenschaftler simulierten Umgebungen der mondhafte, Martian, Null- und Hypergravitationsbedingungen, die in der Regel während eines parabolischen Fluges auftreten, um die Funktionalität des mikrofluidischen Analysegeräts zu bestätigen. Die Studienergebnisse ebneten den Weg für die Integration von mikrofluidischen Instrumenten in eine Reihe von Raumfahrtmöglichkeiten.

Mikrofluidik stellt eine wichtige technische Innovation für die in vitro biomedizinische Forschung dar. Das Konzept eignet sich auch in der Astrobiologie für Raumfluganalysen biologischer Signaturen, indem Flüssigkeitsvolumina im Nano- / Mikromaßstab bei hochsensiblen biochemischen Untersuchungen reguliert werden, während der physikalische Fußabdruck minimiert wird. Daher sind die Miniaturinstrumente speziell geeignet, biologische Imprints außerirdischen Lebens zu analysieren.

Planetenwissenschaftler haben bereits Eisproben von den Saturn- und Jupitermonden Enceladus und Europa mit mikrofluidischen Geräten gesammelt und untersucht. Solche Analyseinstrumente sind auch nützlich, um die Gesundheit der Flugbesatzung zu überwachen. Obwohl die mikrofluidischen Bioanalyse-Systeme noch in der Entwicklung sind, zielen Bioingenieure darauf ab, die Gravitationsempfindlichkeit und Energieeffizienz für rekonfigurierbare und kompakte In-situ-Raumfahrterkundung zu verbessern.

Estlack und Kollegen entwickelten ein mikrofluidisches organisches Analysegerätsystem (MOA) mit einem integrierten programmierbaren Mikrowellenarray (PMA) neben Glas-Mikrokanälen und einem Laser-Induzierte-Fluoreszenz (LIF) -Detektionssystem. Während der Entwicklung des organischen Analysegeräts konzentrierten sie sich auf ein flugformatinstrumentalisches System auf Technologiereife-Niveau, um die Reife des Geräts für die Kommerzialisierung zu bewerten, die für Raumfahrt angemessen ist, um die interessierenden Analyte zu identifizieren.

Diese Arbeit beleuchtet die Ergebnisse der ersten beiden Flüge in einer Serie von fünf Mikrogravitationsflügen, um die Leistungsfähigkeit von Mikrofluidik unter Mikrogravitation zu bewerten. Die Mikrofluidikventilarrays erleichterten die Vorbereitung und Regulierung von Proben im Instrument zur automatischen Beschriftung, Inkubation und Bereitstellung von Proben auf einem integrierten Kapillarelektrophoresechip und zur Erkennung der Laser-induzierte Fluoreszenz innerhalb desselben Aufbaus. Insgesamt integrierte das Gerät ein mikrofluidisches organisches Analysegerät, ein Mikroventilanalyzerarray, das einen integrierten Chip für Laserinduzierte Fluoreszenzdetektion und eine Sensorsuite enthält. Das Forschungsteam untersuchte die allgemeinen Funktionsparameter während des Fluges, um sicherzustellen, dass alle Testumgebungen überwacht und reguliert wurden. Während die Simulation des Flugzeugs anstieg, sank der Druck und führte zu einem insgesamt sinkenden Temperatur, was das Mikrofluidik- Instrument beeinflusste. Die Veränderungen in den Betriebsparametern hatten jedoch nur geringen Einfluss auf die Gesamtleistung des Instruments. Estlack und das Team führten während der lunar, Martian und Hyper-Schwerkraftperioden des Fluges Flussanalysen durch. Sie bemerkten Veränderungen im anfänglichen Rückfluss und im Spitzenfluss mit zunehmender Gravitation. Die Ergebnisse der Simulationen zeigten, dass die Schwerkraftumgebung nur geringen Einfluss auf die Leistung des Instruments hatte. Auf der Grundlage der Fähigkeit zur präzisen Volumenkontrolle in verschiedenen Gravitationsbedingungen führte das Team automatisierte Verdünnungen durch, um die Leistung des Instruments für zukünftige Biomarker-Array-Tests zu bestimmen. Sie absolvierten drei Stufen der Verdünnungssequenz und zeichneten sie während des Fluges auf.

During the first two stages, they transferred a buffer and a fluorophore to a storage well in desired ratios. During the final stage, they loaded a microvolume of the diluted fluorophore into built-in detection channels and transferred it past the fluorescence detector via vacuum. The experiments performed under microgravity or Martian gravity corresponded to a specific dilution sequence and showed little variation.

The space scientists and bioengineers integrated the results from the first two flights to improve the Technology Readiness of the microfluidic organic analyzer. Their successful performance under microgravity justified their inclusion in spaceflight missions. For instance, with decreasing gravity, the pumping performance of the instrument remained constant, although increased gravity impaired the instrument in the microvalve array region, nevertheless, the organic analyzer remained unaffected throughout varying conditions.

The study outcomes highlighted the suitability of the instrument for applications that detect and determine extraterrestrial chemical and biochemical analytes. The insensitivity of the instrument towards a gravitational field under simulated conditions in the lab justified its suitability for space deployment.

In this way, Zachary Estlack and colleagues studied the technology readiness level of a microfluidic instrument for space missions to explore extraterrestrial biochemical signatures and monitor astronaut health in the future. The lessons learned from this first flight will impact future planned analyses under microgravity and hypergravity, which include investigations of capillary electrophoresis and astronaut crew health monitoring via simulated clinical assays to reveal biomarkers of specific interest.

The outcomes of these studies and the planned future flights will reveal the diverse capacity of the instruments during and after completing the planned space missions.

Journal information: Proceedings of the National Academy of Sciences

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