Microfluidica nello spazio per rilevare le firme della vita extraterrestre e monitorare la salute degli astronauti.

15 Giugno 2023 feature

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di Thamarasee Jeewandara, su Phys.org

In un nuovo rapporto ora pubblicato in npj Microgravity, Zachary Estlack e un team di ricerca in ingegneria meccanica e scienze spaziali all'Università dello Utah e all'Università della California, Berkeley, hanno sviluppato un analizzatore organico microfluidico per rilevare segni di vita al di là della Terra e monitorare clinicamente la salute degli astronauti. Il team ha effettuato ampi test ambientali attraverso diverse atmosfere gravitazionali per confermare la funzionalità dell'analizzatore e il suo livello di preparazione tecnologica.

Gli scienziati planetari hanno simulato ambienti di condizioni di gravità lunare, marziana, zero e ipergravità tipicamente incontrati durante un volo parabolico per confermare la funzionalità dell'analizzatore microfluidico. I risultati dello studio aprono la strada all'integrazione di strumenti microfluidici in una serie di opportunità di missioni spaziali.

Le microflussimetriche rappresentano una grande innovazione tecnica per la ricerca biomedica in vitro. Il concetto è anche adatto in astrobiologia per analisi di volo spaziale di segni biologici regolando i volumi di fluido a livello nano/micro su indagini biochimiche altamente sensibili, mantenendo al contempo una piccola impronta fisica. Di conseguenza, gli strumenti in miniatura sono particolarmente interessanti per analizzare impronte biologiche di vita extraterrestre.

Gli scienziati planetari hanno già raccolto e studiato campioni di ghiaccio in profondità dai satelliti di Saturno e Giove, Encelado ed Europa, con dispositivi microfluidici. Tali strumenti analitici sono anche utili per monitorare la salute dell'equipaggio di volo. Sebbene i sistemi di bioanalisi microfluidici siano ancora in fase di sviluppo, i bioingegneri mirano a migliorarne la sensibilità gravitazionale e l'efficienza energetica per l'esplorazione spaziale in situ riconfigurabile e compatta.

Estlack e colleghi hanno sviluppato un sistema analizzatore organico microfluidico (MOA) con un array di microonde programmabile integrato (PMA) insieme a microcanali in vetro e un sistema di rilevamento di fluorescenza indotta da laser (LIF). Durante lo sviluppo dell'analizzatore organico, si sono concentrati su un sistema di strumenti di formato di volo di livello di preparazione tecnologica per valutare la maturità del dispositivo per la commercializzazione, come appropriato per il volo spaziale, per identificare gli analiti di interesse.

Questo lavoro fa luce sui risultati dei primi due voli in una serie di cinque voli a gravità zero, per valutare le prestazioni delle microflussimetro sotto la gravità zero. Le matrici di valvole microfluidiche hanno assistito nella preparazione e regolazione dei campioni all'interno dello strumento, per etichettare automaticamente, incubare e consegnare campioni a un chip di elettroforesi capillare integrato e rilevare la fluorescenza indotta da laser all'interno della stessa configurazione. Nel complesso, lo strumento ha integrato un analizzatore organico microfluidico, un array di analizzatori di valvole microfluidiche contenenti un chip integrato per la rilevazione della fluorescenza indotta dal laser e un insieme di sensori.

Il team di ricerca ha studiato i parametri funzionali generali durante il volo per garantire che tutti gli ambienti di test fossero monitorati e regolati. Man mano che la simulazione di volo saliva, la pressione diminuiva, risultando in una diminuzione complessiva della temperatura, che influenzava lo strumento microfluido. I cambiamenti nei parametri operativi, tuttavia, avevano un impatto minimo sulle prestazioni complessive dello strumento.

Estlack e il team hanno condotto analisi del flusso durante i periodi di gravità lunare, marziana e ipergravità del volo. Hanno notato cambiamenti nel flusso di ritorno iniziale e nel picco di flusso con l'aumento della gravità. I risultati delle simulazioni hanno mostrato che l'ambiente gravitazionale aveva un impatto minimo sulle prestazioni dello strumento.

Sulla base della capacità di controllo preciso del volume in una varietà di condizioni gravitazionali, il team ha effettuato diluizioni automatiche per determinare le prestazioni degli strumenti per future prove di biomarcatori. Hanno completato tre fasi della sequenza di diluizione e le hanno registrate durante il volo.

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 Science

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