Em um novo relatório agora publicado no npj Microgravity, Zachary Estlack e uma equipe de pesquisa em engenharia mecânica e ciências espaciais da Universidade de Utah e da Universidade da Califórnia, Berkeley, desenvolveram um analisador orgânico microfluídico para detectar assinaturas de vida além da Terra e monitorar clinicamente saúde do astronauta. A equipe realizou extensos testes ambientais em diversas atmosferas gravitacionais para confirmar a funcionalidade do analisador e seu nível de prontidão tecnológica.
Os cientistas planetários simularam ambientes de condições lunares, marcianas, zero e hipergravidade normalmente encontradas durante um voo parabólico para confirmar a funcionalidade do analisador microfluídico. Os resultados do estudo abrem caminho para integrar instrumentos microfluídicos em uma variedade de oportunidades de missões espaciais.
Microfluídica no espaço
A microfluídica apresenta uma grande inovação técnica para a pesquisa biomédica in vitro. O conceito também é adequado em astrobiologia para análises de voos espaciais de assinaturas biológicas, regulando volumes de fluido em nano/microescala em investigações bioquímicas altamente sensíveis, mantendo uma pegada física menor. Como resultado, os instrumentos em miniatura são especificamente atraentes para analisar as impressões biológicas da vida extraterrestre.
Cientistas planetários já coletaram e estudaram amostras de gelo em profundidade de Saturno e das luas de Júpiter, Encélado e Europa, com dispositivos microfluídicos. Esses instrumentos analíticos também são úteis para monitorar a saúde da tripulação de voo. Embora os sistemas de bioanálise microfluídica ainda estejam em desenvolvimento, os bioengenheiros visam melhorar sua sensibilidade gravitacional e eficiência de energia para exploração espacial in-situ reconfigurável e compacta.
Configuração do dispositivo
Estlack e seus colegas desenvolveram um sistema de analisador orgânico microfluídico (MOA) com uma matriz de microondas programável integrada (PMA) ao lado de microcanais de vidro e um sistema de detecção de fluorescência induzida por laser (LIF). Durante o desenvolvimento do analisador orgânico, eles se concentraram em um sistema de instrumentos de formato de voo de nível de prontidão tecnológica para avaliar a maturidade do dispositivo para comercialização, conforme apropriado para voos espaciais, para identificar os analitos de interesse.
Este trabalho lança luz sobre os resultados dos dois primeiros voos de uma série de cinco voos de microgravidade, para avaliar o desempenho da microfluídica sob microgravidade. As matrizes de válvulas microfluídicas ajudaram na preparação e regulação de amostras dentro do instrumento, para rotular, incubar e entregar amostras automaticamente a um chip de eletroforese capilar integrado e detectar fluorescência induzida por laser dentro da mesma configuração. No total, o instrumento integrou um analisador orgânico microfluídico, um conjunto de analisadores de microválvulas contendo um chip integrado para detecção de fluorescência induzida por laser e um conjunto de sensores.
Testando o dispositivo em voos parabólicos simulados
A equipe de pesquisa estudou os parâmetros funcionais gerais durante o voo para garantir que todos os ambientes de teste fossem monitorados e regulados. À medida que a simulação do avião subia, a pressão caía e resultava em uma queda geral na temperatura, o que influenciava o instrumento microfluídico. As mudanças nos parâmetros operacionais, no entanto, tiveram impacto mínimo no desempenho geral do instrumento.
Estlack e a equipe conduziram análises de taxa de fluxo durante os períodos lunares, marcianos e de hipergravidade do voo. Eles observaram mudanças no refluxo inicial e na taxa de pico de fluxo com o aumento da gravidade. Os resultados das simulações mostraram que o ambiente gravitacional teve uma contribuição mínima no desempenho do instrumento.
Avaliação do desempenho dos instrumentos
Com base na capacidade de controle de volume preciso sob uma variedade de condições gravitacionais, a equipe realizou diluições automatizadas para determinar o desempenho dos instrumentos para futuros testes de matriz de biomarcadores. Eles completaram três estágios da sequência de diluição e os registraram durante o voo.
Durante as duas primeiras etapas, eles transferiram um tampão e um fluoróforo para um poço de armazenamento nas proporções desejadas. Durante o estágio final, eles carregaram um microvolume do fluoróforo diluído em canais de detecção embutidos e o transferiram para o detector de fluorescência via vácuo. Os experimentos realizados em microgravidade ou gravidade marciana corresponderam a uma sequência de diluição específica e apresentaram pouca variação.
Aprimorando o nível de prontidão tecnológica nos instrumentos
Os cientistas espaciais e os bioengenheiros integraram os resultados dos dois primeiros voos para melhorar a prontidão tecnológica do analisador orgânico microfluídico. Seu desempenho bem-sucedido sob microgravidade justificou sua inclusão em missões espaciais. Por exemplo, com a diminuição da gravidade, o desempenho de bombeamento do instrumento permaneceu constante, embora o aumento da gravidade tenha prejudicado o instrumento na região do arranjo de microválvulas, no entanto, o analisador orgânico permaneceu inalterado em várias condições.
Os resultados do estudo destacaram a adequação do instrumento para aplicações que detectam e determinam analitos químicos e bioquímicos extraterrestres. A insensibilidade do instrumento a um campo gravitacional em condições simuladas em laboratório justificou sua adequação para implantação espacial.
Panorama
Desta forma, Zachary Estlack e seus colegas estudaram o nível de prontidão tecnológica de um instrumento microfluídico para missões espaciais para explorar assinaturas bioquímicas extraterrestres e monitorar a saúde dos astronautas no futuro. As lições aprendidas com este primeiro voo afetarão futuras análises planejadas sob microgravidade e hipergravidade, que incluem investigações de eletroforese capilar e monitoramento da saúde da tripulação de astronautas por meio de ensaios clínicos simulados para revelar biomarcadores de interesse específico.
Os resultados desses estudos e os voos futuros planejados revelarão a capacidade diversa dos instrumentos durante e após a conclusão das missões espaciais planejadas.
Publicado em 19/06/2023 15h44
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