В новом отчете, опубликованном в npj Microgravity, Захари Эстлак и исследовательская группа в области машиностроения и космических наук из Университета Юты и Калифорнийского университета в Беркли разработали микрофлюидный органический анализатор для обнаружения сигнатур жизни за пределами Земли и для клинического мониторинга здоровье космонавта. Команда провела обширные экологические испытания в различных гравитационных атмосферах, чтобы подтвердить функциональность анализатора и уровень его технологической готовности.
Ученые -планетологи смоделировали лунные, марсианские, нулевые и гипергравитационные условия, обычно встречающиеся во время параболического полета , чтобы подтвердить функциональность микрофлюидного анализатора. Результаты исследования открывают путь к интеграции микрофлюидных инструментов в ряд возможностей космических миссий.
Микрофлюидика в космосе
Микрофлюидика представляет собой крупную техническую инновацию для биомедицинских исследований in vitro . Эта концепция также подходит в астробиологии для анализа биологических признаков во время космических полетов путем регулирования объемов жидкости в нано-/микромасштабе для высокочувствительных биохимических исследований при сохранении незначительного физического воздействия. В результате миниатюрные инструменты особенно привлекательны для анализа биологических отпечатков внеземной жизни.
Ученые-планетологи уже собрали и глубоко изучили образцы льда со спутников Сатурна и Юпитера Энцелада и Европы с помощью микрожидкостных устройств. Такие аналитические приборы также полезны для контроля за состоянием здоровья летного экипажа. Хотя системы микрофлюидного биоанализа все еще находятся в стадии разработки, биоинженеры стремятся улучшить их гравитационную чувствительность и энергоэффективность для реконфигурируемых и компактных исследований космоса на месте.
Конфигурация устройства
Эстлак и его коллеги разработали систему микрофлюидного органического анализатора (MOA) со встроенной программируемой микроволновой матрицей (PMA) вместе со стеклянными микроканалами и системой обнаружения лазерно-индуцированной флуоресценции (LIF) . Во время разработки органического анализатора они сосредоточились на приборной системе формата полета уровня технологической готовности, чтобы оценить зрелость устройства для коммерциализации, подходящего для космического полета, для определения интересующих аналитов.
Эта работа проливает свет на результаты первых двух полетов из пяти полетов в условиях микрогравитации, чтобы оценить эффективность микрофлюидики в условиях микрогравитации. Массивы микрожидкостных клапанов помогли подготовить и отрегулировать образцы в приборе, автоматически маркировать, инкубировать и доставлять образцы на встроенный чип капиллярного электрофореза и обнаруживать лазерно-индуцированную флуоресценцию в той же установке. В целом, прибор интегрировал микрофлюидный органический анализатор, массив анализаторов с микроклапанами, содержащий встроенный чип для обнаружения лазерно-индуцированной флуоресценции, и набор датчиков.
Тестирование устройства при моделировании параболических полетов
Исследовательская группа изучила общие функциональные параметры во время полета, чтобы убедиться, что все условия тестирования отслеживаются и регулируются. По мере того, как симуляция самолета поднималась, давление падало, что приводило к общему падению температуры, что влияло на микрофлюидный инструмент. Однако изменения рабочих параметров оказали минимальное влияние на общую производительность прибора.
Эстлак и его команда провели анализ скорости потока во время лунного, марсианского и гипергравитационного периодов полета. Они отметили изменения исходного обратного потока и пиковой скорости потока при увеличении силы тяжести. Результаты моделирования показали, что гравитационная среда оказывает минимальное влияние на работу прибора.
Рейтинг инструментов
Основываясь на возможности точного контроля объема в различных гравитационных условиях, команда провела автоматические разведения, чтобы определить производительность инструментов для будущего тестирования массива биомаркеров. Они выполнили три этапа последовательности разведения и записали их во время полета.
На первых двух этапах они переносили буфер и флуорофор в лунку для хранения в нужном соотношении. На заключительном этапе они загружали микрообъем разведенного флуорофора во встроенные каналы детектирования и пропускали его мимо флуоресцентного детектора с помощью вакуума. Эксперименты, проведенные в условиях микрогравитации или марсианской гравитации, соответствовали определенной последовательности разбавлений и показали небольшие изменения.
Повышение уровня технологической готовности приборов
Космические ученые и биоинженеры объединили результаты первых двух полетов, чтобы улучшить технологическую готовность микрофлюидного органического анализатора. Их успешная работа в условиях микрогравитации оправдала их включение в космические полеты. Например, при уменьшении силы тяжести насосная производительность прибора оставалась постоянной, хотя увеличение силы тяжести приводило к ухудшению работы прибора в области массива микроклапанов, тем не менее органический анализатор оставался неизменным при различных условиях.
Результаты исследования подчеркнули пригодность прибора для приложений, которые обнаруживают и определяют внеземные химические и биохимические аналиты. Нечувствительность прибора к гравитационному полю в смоделированных лабораторных условиях оправдывала его пригодность для использования в космосе.
Перспектива
Таким образом, Закари Эстлак и его коллеги изучили уровень технологической готовности микрофлюидного инструмента для космических миссий, чтобы исследовать внеземные биохимические сигнатуры и контролировать здоровье космонавтов в будущем. Уроки, извлеченные из этого первого полета , повлияют на будущие запланированные анализы в условиях микрогравитации и гипергравитации, которые включают исследования капиллярного электрофореза и мониторинг здоровья экипажа астронавтов с помощью моделируемых клинических анализов для выявления представляющих особый интерес биомаркеров.
Результаты этих исследований и планируемые будущие полеты откроют различные возможности приборов во время и после завершения запланированных космических полетов.
Теги: гравитация
