Hispanopedia WikiLa electromanipulación es un método de análisis de micromateriales que se utiliza principalmente para la manipulación de células biológicas y que aprovecha las propiedades de diversos campos eléctricos . En nanotecnología , los nanomateriales son tan pequeños que resulta difícil manipularlos mecánicamente de forma directa. Por lo tanto, se les aplican campos eléctricos para inducir movimientos o deformaciones . Se trata de una tecnología de reciente desarrollo que aún se encuentra en proceso de ampliar sus aplicaciones. Los tipos de electromanipulación incluyen dielectroforesis , electrorrotación , electrodeformación, electrodisrupción, electrodestrucción, electroporación y electrofusión . Se logran diversas electromanipulaciones utilizando distintos campos eléctricos, como corriente alterna (CA) , corriente continua (CC) y campos eléctricos pulsados (que generan descargas de alta energía en periodos muy cortos). La electromanipulación de células permite diversas manipulaciones celulares con un contacto mecánico mínimo entre las células y las estructuras del dispositivo. Aunque se utiliza principalmente en células, la electromanipulación también contribuye a otros campos científicos, como la tecnología de hibridomas y el desarrollo de dispositivos nanoelectrónicos .
Tipos de electromanipulación
Existen siete tipos de electromanipulación; algunos difieren drásticamente en propósito y función, mientras que otros están estrechamente relacionados. El tipo más desarrollado y común es la dielectroforesis. Se pueden lograr diversas manipulaciones de micromateriales utilizando uno o varios de los siete tipos de electromanipulación. En ocasiones, los distintos tipos requieren diferentes campos o condiciones eléctricas.
Dielectroforesis (DEP)
Campo eléctrico aplicado: oscilante de CC o CA (en la mayoría de los casos)
Propósito: desplazamiento
Condición: medios de suspensión de baja conductividad eléctrica ; campo eléctrico espacialmente no uniforme [ 1 ]
Teoría: La fuerza DEP se produce por la polarizabilidad diferencial de las células y su medio de suspensión. Existen dos tipos de fuerza DEP: DEP positiva ( pDEP ) y DEP negativa ( nDEP ). La pDEP apunta hacia las regiones fuertes del campo eléctrico no uniforme, mientras que la nDEP apunta hacia las regiones débiles. Las células vivas pueden ser atraídas rápidamente hacia el borde del electrodo al aplicar DEP, separando así las células vivas de las muertas. Las propiedades dieléctricas de las células pueden analizarse mediante mediciones de los espectros DEP de las células. [ 2 ]
Electrorrotación (ER)
Campo eléctrico aplicado: oscilante de CA
Propósito: rotación
Condición: medio de suspensión de baja conductividad eléctrica; la frecuencia es aproximadamente la frecuencia de cruce (la fuerza DEP es despreciable).
Teoría: La ER cambia la alineación de las células no esféricas al cambiar la frecuencia del campo eléctrico oscilante. [ 2 ]
Electrodeformación (ED)
Campo eléctrico aplicado: oscilante de CA
Objetivo: deformación; comparar las propiedades viscoelásticas y de ley de potencias de las células.
Condición: medio de suspensión de baja conductividad eléctrica
Teoría: ED controla y deforma las células que son atraídas al borde del electrodo (por DEP) al aumentar el potencial de CA [ 2 ].
Electrodisrupción
Campo eléctrico aplicado: pulsado
Objetivo: alteración de las estructuras subcelulares
Condición: campo eléctrico no uniforme
Teoría: La electrodiálisis realiza una electromanipulación dentro de una célula con citoesqueletos dañados y núcleos desprendidos. Las células dañadas expulsan el contenido citosólico y se convierten en "fantasmas" (aproximadamente 1,5 veces el tamaño normal de la célula). Los fantasmas pueden ser desviados por campos pulsados e inflexionados por campos de corriente alterna. [ 2 ]
Electrodestrucción (lisis)
Campo eléctrico aplicado: pulsado
Finalidad: lisis (la desintegración de una célula por ruptura de la pared o membrana celular ).
Condición: campo eléctrico no uniforme
Teoría: La pDEP se utiliza para aumentar la frecuencia de lisis, y la nDEP para disminuirla. Las condiciones de lisis celular pueden estudiarse cambiando las amplitudes de los pulsos. [ 2 ]
Electroporación (EP) y electrofusión (EF)
Campo eléctrico aplicado: pulsado
Objetivo: Alteración de la membrana celular
Condición: campo eléctrico no uniforme; alineación dielectroforética de las células
Teoría: La ruptura de la membrana celular se puede lograr modificando la amplitud, la duración, la frecuencia y el número de pulsos del campo eléctrico pulsado. Al romperse las membranas celulares, algunas células se fusionan en una sola célula grande, que puede alcanzar un tamaño de 3 a 4 veces mayor que el de una célula normal. Existen dos tipos de EP: uno irreversible, que puede provocar citólisis (la ruptura de la membrana celular cuando hay exceso de agua en la célula); y otro reversible, que ayuda a mantener la vitalidad celular mientras transforma moléculas en células. [ 2 ] [ 1 ]
Desarrollo
A principios del siglo XX, se realizaron descubrimientos sobre la ruptura irreversible de la membrana y la dielectroforesis. Estos descubrimientos constituyen ideas fundamentales para la electromanipulación celular. A finales del siglo XX, se desarrollaron técnicas de electromanipulación celular basadas en el descubrimiento posterior de la ruptura reversible de la membrana. [ 3 ]
Dispositivos
Los dispositivos para diversos tipos de electromanipulación se actualizan constantemente; en esta sección se presentan algunos de los dispositivos electromagnéticos de reciente invención. Cada dispositivo está diseñado para realizar un tipo específico de electromanipulación.
Estructura de microelectrodos multicapa
Esta estructura de microelectrodos multicapa está diseñada para la manipulación y separación selectiva de biopartículas mediante dielectroforesis de campo viajero.
Objetivo
La estructura de microelectrodos multicapa permite que las biopartículas se muevan en un fluido de soporte estacionario, lo que da lugar a la separación estacionaria de células de levadura viables y no viables. También permite el transporte de biopartículas en mezclas en suspensión. Además, desempeña un papel importante como componente integral de la tecnología de "biofábrica en un chip" .
Estructura
Contiene una parte base y una parte superior. Cada una contiene una capa de electrodos. La parte base consta de (de abajo hacia arriba):
- Una capa de vidrio
- Una fina capa de cromo
- Una capa de oro de 0,1 μm
- Estructura del electrodo base
Después de la capa base, se aplica una capa aislante. Encima de la capa aislante se encuentra la parte superior, que consta de (de abajo hacia arriba):
- Estructura del electrodo superior
- Otra capa de cromo de 0,1 μm
- Otra capa de oro de 0,1 μm
También contiene cuatro barras conductoras eléctricas para alimentar los conjuntos de electrodos de campo móvil. Los electrodos a cada lado de un canal están alineados con ventanas entre los electrodos del lado opuesto. Los electrodos opuestos a cada lado de un canal se diseñaron con una separación entre sí.
Ventajas en comparación con dispositivos antiguos
- Minimizar el consumo de voltaje y la pérdida de calor.
- Realizar la selección de partículas en una muestra muy pequeña.
- Actúan como bloques de construcción en otras tecnologías como bioprocesadores o chips de biofábrica. [ 4 ]
Dispositivo de electroporación
En 2010, Andrew M. Hoff, Richard Gilbert, Richard Heller y Mark J. Jaroszeski, de la Universidad del Sur de Florida, inventaron un dispositivo mejorado para realizar la electroporación.
Objetivo
Este dispositivo está diseñado para introducir una molécula en un tejido mediante electroporación.
Ventajas en comparación con dispositivos antiguos
- Tiene una escala mucho menor
- Presenta un menor riesgo de daño celular; su baja energía de activación minimiza el daño tisular y las molestias para el paciente.
- Tiene menor potencia aplicada, voltaje
- Tratar múltiples tejidos objetivo al mismo tiempo.
- Incluye un reservorio de especies químicas [ 5 ]
Otras aplicaciones de la electromanipulación
Electromanipulación de nanobarras de transición de espín
Los complejos de transición de espín se forman mediante iones de metales de transición . Pueden alternar entre espín alto y bajo, lo que conlleva cambios en sus propiedades magnéticas, ópticas, mecánicas y otras. La dielectroforesis (DEP) se utiliza para realizar la conmutación del estado de espín molecular. Esta organiza nanoobjetos entre los electrodos. La fuerza DEP alinea las nanobarras de transición de espín con la dirección del campo eléctrico aplicado. La electromanipulación de nanobarras de transición de espín es un campo novedoso de la electromanipulación que ofrece posibles técnicas de bloques de construcción para dispositivos nanoelectrónicos. [ 6 ]
Electromanipulación de gotas para aplicaciones microfluídicas
La electromanipulación de gotas se refiere al uso de campos eléctricos para mover o dar forma a pequeñas cantidades de líquidos. Al aplicar un campo eléctrico de CA de baja frecuencia a una gota de líquido altamente conductora dentro de un condensador en paralelo , la gota se deforma adquiriendo una nueva forma. Mediante la realización de numerosos experimentos, se puede resumir una ecuación que describe la deformación de la gota de líquido. [ 7 ]
Referencias
- 1 2 MacQueen, Luke A.; Buschmann, Michael D.; Wertheimer, Michael R. (2008-04-01). "Administración de genes mediante electroporación tras el posicionamiento dielectroforético de células en un campo eléctrico no uniforme" . Bioelectrochemistry . 72 (2): 141– 148. doi : 10.1016/j.bioelechem.2008.01.006 . ISSN 1567-5394 . PMID 18276199 .
- 1 2 3 4 5 6 Macqueen, LA; Thibault, M.; Buschmann, MD; Wertheimer, MR (agosto de 2012). "Electromanipulación de células biológicas en microdispositivos" . IEEE Transactions on Dielectrics and Electrical Insulation . 19 (4): 1261– 1268. Bibcode : 2012ITDEI..19.1261M . doi : 10.1109/TDEI.2012.6260000 . ISSN 1558-4135 . S2CID 1451885 .
- ↑ Zimmermann, Ulrich; Neil, Garry A. (16 de febrero de 1996). Electromanipulación de células . CRC Press. ISBN 978-0-8493-4476-3.
- ↑ Talary, MS; Burt, JPH; Tame, JA; Pethig, R. (agosto de 1996). "Electromanipulación y separación de células mediante campos eléctricos viajeros" . Journal of Physics D: Applied Physics . 29 (8): 2198– 2203. Bibcode : 1996JPhD...29.2198T . doi : 10.1088/0022-3727/29/8/021 . ISSN 0022-3727 . S2CID 250767630 .
- ↑ Hoff, Andrew M.; Gilbert, Richard; Heller, Richard; y Jaroszeski, Mark J., «Dispositivo y método de electromanipulación» (2010). Patentes de la USF. 509. https://digitalcommons.usf.edu/usf_patents/509
- ↑ Rotaru, Aureliano; Dugay, Julien; Tan, Reasmey P.; Guralskiy, Ilya A.; Salmón, Lionel; Demont, Philippe; Carrey, Julián; Molnár, Gábor; Respaud, Marc; Bousseksou, Azzedine (2013). "Nanoelectromanipulación de nanobarras de cruce de espín: hacia dispositivos nanoelectrónicos conmutables" . Materiales Avanzados . 25 (12): 1745– 1749. Bibcode : 2013AdM....25.1745R . doi : 10.1002/adma.201203020 . ISSN 1521-4095 . PMID 23355030 . S2CID 39282238 .
- ↑ "Electromanipulación de gotas para aplicaciones microfluídicas" . springerprofessional.de . Consultado el 3 de noviembre de 2021 .
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