ES2258533T3

ES2258533T3 - Sistema de distribucion paralela y selectiva de micro-gotas de alto rendimiento.

Info

Publication number: ES2258533T3
Application number: ES01945453T
Authority: ES
Inventors: Moussa Hoummady
Original assignee: Individual
Current assignee: Individual
Priority date: 2000-06-15
Filing date: 2001-06-15
Publication date: 2006-09-01
Anticipated expiration: 2021-06-15
Also published as: CN1307001C; DE60117146D1; EP1289660A1; US20020121529A1; EP1289660B1; DE60117146T2; KR20030016286A; AU2001267673B2; AU6767301A; KR100780971B1; DK1289660T3; IL153216A; JP2004503389A; US6833112B2; ATE317299T1; WO2001096019A1; IL153216A0; CA2311622A1; CN1436099A

Abstract

Sistema de distribución de microgotas capaz de distribuir entre algunas decenas y algunos miles de microgotas paralelamente en una fracción de segundo, que incluye un sustrato (2) recubierto por una membrana (3) y unos medios (65, 70) de deformación de la membrana a la vertical de cada cavidad (10) formada en el sustrato (2), presentándose las cavidades, grabadas en un material que constituye el sustrato, en forma de pocillos que atraviesan el sustrato con una pared lateral continua (11) de simetría axial, desembocando cada pocillo en la cara superior y la cara inferior del sustrato según, respectivamente, un orificio de alimentación (12) y una tobera (14) abierta según un orificio de eyección (13), presentando el orificio de alimentación una abertura superior al orificio (13) de la tobera, presentando la tobera una relación entre la altura y la abertura de la base que puede ser de entre 1 y 20, habiéndose configurado los pocillos en forma matricial, con una densidad de posillos que puede alcanzar 10.000/cm2 y capaces de suministrar un caudal de por lo menos un millón de gotas por segundo, presentando la membrana o el sustrato una estructura multicapa que integra unos microcanales de alimentación de los pocillos de manera tridimensional en capas distintas, acoplándose entonces los microcanales a los pocillos mediante conexiones perpendiculares a las aberturas superiores de los pocillos.

Description

Sistema de distribución paralela y selectiva de micro-gotas de alto rendimiento.

La invención se refiere a un sistema de distribución paralela y selectiva, de alto rendimiento, de micro-gotas de volumen extremadamente reducido -del orden de un submúltiplo de nanolitro, incluso un submúltiplo de picolitro-,
de cartuchos transportables y un kit para poner en marcha dicha distribución, así como las aplicaciones de dicho sistema, especialmente en los ámbitos de la química, la biología, la biotecnología o la farmacia, -especialmente para la realización de biochips, pruebas farmacéuticas, inmunológicas o bioquímicas, el cribado de quimiotecas o serotecas, la preparación de medicamentos o su administración percutánea mediante ionoforesis, o en los ámbitos de la cosmética, para la realización de difusores de perfumes o aerosoles, la impresión con chorro de tinta o la electrónica automóvil, especialmente en los inyectores de carburante o gasóleos.

Los recientes progresos en materia de investigación genómica y proteómica permiten disponer de un considerable número de moléculas biológicas y terapéuticas por probar. Sin embargo, las escasas cantidades de productos bioquímicos disponibles, así como su elevado coste, han conducido a buscar un incremento sensible de la capacidad de experimentación mediante la optimización del rendimiento.

Para ello, se han aplicado distintas técnicas a la manipulación de líquidos bioquímicos, tales como los sistemas de transplante o micropipeteo mediante accionadores piezoeléctricos y, más recientemente, la técnica de impresión por chorro de tinta.

El objetivo de estas tecnologías es la preparación de biochips mediante la impresión de sondas biológicas (de oligonucleótidos, proteínas, péptidos, etc.) presintetizadas en la mayoría de los casos en una superficie de distintos tipos de soporte, tales como vidrio, nylon® o celulosa®.

Se conocen por ejemplo mediante los documentos US 5,053,100 o US 6,083,762, unos pipeteos que emplean un accionador piezoeléctrico en una micropipeta. Esta técnica permite la impresión de oligonucleótidos presintetizados o sintetizados in situ. Sin embargo, estos sistemas se fabrican por unidades y no son válidos para la distribución paralela de alta densidad.

En el documento US 6,028,189, la distribución de reactivos se efectúa mediante el uso de microbombas del tipo chorro de tinta, activadas por un accionador piezoeléctrico. Cada microbomba está realizada en un bloque de silicio, con canales de alimentación y eyección de las gotas. Con el fin de realizar síntesis in situ, cuatro microbombas entregan bases de ADN mediante eyección en pocillos circulares formados en un substrato de vidrio cuyo desplazamiento está comandado según dos ejes.

El artículo de la publicación Analytical Chemistry, vol. 70, nº 22, 15 de noviembre de 1998, páginas 4755 a 4760, describe un microdistribuidor de gotas en el que la deformación de un elemento biomorfo piezocerámico conlleva, por medio de bolas de flexiglass, la deformación de una membrana que produce el flujo de líquido a través de un pocillo situado enfrente. Esta técnica supone un buen control de la deformación del elemento piezoeléctrico y la membrana.

Estos sistemas no permiten realizar una impresión de muy alto rendimiento en el sentido de la presente invención, es decir entre algunos centenares y algunos miles de gotas por cm^{2}: con cuatro bombas operando a unos centenares de Hz, una máquina según el documento anterior imprimiría 100.000 gotas en unas centésimas de segundo. La síntesis de sondas de 25 oligonucleótidos requeriría entonces más de 2 horas.

La invención está orientada a permitir un incremento considerable del rendimiento de distribución selectiva de microgotas, mediante un fuerte aumento de la densidad de impresiones paralelas, comparable con las densidades obtenidas mediante la fotoquímica para la inmovilización de moléculas específicas a través de las máscaras de fotolitografía. Este método está limitado a las moléculas que pueden fijarse mediante fotoquímica y no permite fundamentalmente manipular individualmente gotas de reactivos. Además, la síntesis in situ mediante este método está limitada a alrededor de 25 mononucleótidos. Otro objeto de la invención es permitir realizar una selectividad no sólo espacial, permitiendo distribuir el reactivo en lugares predeterminados o programados, sino también dirigida, distribuyendo un reactivo seleccionado entre varios en el lugar predeterminado.

La invención pretende asimismo realizar un sistema multifuncional y fácil de adaptar en distintas formas, por ejemplo en forma de kits miniatura de análisis biológico o bioquímico para permitir un gran número de aplicaciones. Especialmente, la invención permite no limitarse a la síntesis de 25 nucleótidos por sonda, sino sintetizar sondas largas que pueden alcanzar por ejemplo 70 nucleótidos, conservando al mismo tiempo un rendimiento elevado.

Se alcanzan dichos objetivos utilizando un cabezal de impresión en el que se realiza, mediante técnicas del tipo microelectrónicas de alta densidad, una matriz de pocillo de forma particular y alimentada según una conéctica específica para una distribución selectiva de alto caudal.

Más concretamente, la invención tiene por objeto un sistema de distribución de microgotas como el definido en la reivindicación 1:

Según la invención, conviene entender por distribución la eyección o aspiración de microgotas, mediante alto rendimiento de algunas decenas a algunos miles de microgotas distribuidas paralelamente en una fracción de segundo, por pared de simetría axial una pared de revolución o cilíndrica, por ejemplo de sección cuadrada, y por relación de forma la relación entre la altura y la abertura de la tobera de salida.

Para alcanzar este tipo de rendimiento, el sustrato presenta una densidad de pocillo que puede alcanzar 10.000 por cm^{2}, con un caudal que puede sobrepasar 1 millón de gotas por segundo.

Ventajosamente, el material del sustrato se elige entre los materiales semiconductores como el silicio, el arseniuro de galio, el carburo de silicio, el germanio, los compuestos de óxidos y aislante (tales como el SOI, iniciales de silicio-óxido-aislante), los vidrios, los nitruros de silicio, el polisilicio, las cerámicas, los materiales termoplásticos, -tales como el polimetacrilato de metilo, los policarbonatos, el politetrafluoretileno, el cloruro de polivinilo o el polidimetilsiloxano, las resinas fotosensibles espesas (por ejemplo la resina "SU8")-, así como los metales, como el tungsteno o los aceros inoxidables.

De forma preferida, las técnicas de microfabricación para realizar los pocillos o los microcanales se eligen en función del material del substrato:

-: grabados químicos húmedos o secos tales como el grabado iónico reactivo (abreviatura RIE) o el grabado profundo (abreviado D-RIE) para el silicio y vidrio;

-: grabado mediante electroerosión o electroformado para los metales;

-: moldeo y polimerización para los materiales termoplásticos;

-: fotolitografía, recorte con láser, ultrasonidos, o proyección de abrasivos para la mayoría de los sustratos.

Según unos modos preferidos, el material de la membrana se elige entre el vidrio, el silicio, los elastómeros y los materiales termoplásticos; la membrana puede grabarse mediante las técnicas de grabado mencionadas anteriormente, con objeto de realizar una red de microcanales de alimentación de los pocillos, habiéndose acoplado dichos microcanales en su extremo a por lo menos un depósito de alimentación de reactivo.

En unos modos de realización particulares, los medios de deformación local de la membrana están constituidos por unos accionadores electromagnéticos, magnetoestrictivos o piezoeléctricos. También están previstos unos medios alternativos, tales como medios térmicos del tipo chorro de tinta o termoplásticos por efecto del tipo bilámina, la electrovaporización producida por un campo eléctrico localizado entre cada pocillo, o accionadores electro-
estáticos.

El conjunto de medios de deformación puede gestionarse por medio de una unidad de mando programable a través de una red de multiplexado. Dicha unidad permite activar simultáneamente o sucesivamente la aspiración o la distribución de reactivos idénticos o distintos a través de todos los pocillos, a través de los bloques de pocillos o algunos pocillos.

Según modos de realización particulares, el cabezal de impresión posee cuatro o un múltiplo de cuatro líneas y un número de columnas de pocillos adaptado a la densidad deseada, con el fin de proceder a la síntesis de sondas de ADN a partir de los cuatro monómeros de base de los nucleótidos para la preparación de biochips. Los pocillos de cada línea son alimentados por un mismo depósito a través de un microcanal formado en la membrana paralelamente a la línea de pocillos y acoplado lateralmente a la línea u ortogonalmente al plano del sustrato, grabándose los depósitos en la membrana o dispuestos a distancia y unidos a los microcanales mediante conexiones flexibles.

La invención se refiere asimismo a las aplicaciones del cabezal de impresión definido anteriormente. Para poner en marcha por lo menos algunas de ellas, es ventajoso preparar un conjunto listo para el empleo en forma de:

-: cartucho de distribución que incluye por lo menos un cabezal de impresión prellenado con reactivos y plaquetas de titración de material semiconductor o termoplástico, que puede presentar microcubetas formadas mediante grabado de tipo microelectrónico, mecanizado, moldeo, termoformado o cualquier técnica adaptada a dicha fabricación;

-: kit de distribución que incluye por lo menos un cabezal de impresión, que puede estar dotado de por lo menos una bomba de aspiración, y por lo menos una plaqueta de titración, prellenadas o no de reactivo.

Estos cartuchos o estos kits están más especialmente destinados a la preparación de biochips, mediante síntesis in situ o depósito de oligonucléidos presintetizados, al cribado colectivo o individual sobre moléculas biológicas o sobre células, a la preparación de medicamentos o a pruebas farmacéuticas o de diagnóstico inmunológico, bioquímicas o biológicas.

La administración percutánea de medicamentos mediante ionoforesis puede llevarse a cabo a partir de un cabezal de impresión definido anteriormente que incluya varios pocillos. Un sistema de aplicación de una diferencia de potencial adecuada a una célula piezoeléctrica, o cualquier otro medio de accionamiento electromagnético, forma un dispositivo de administración de una cantidad calibrada de por lo menos un medicamento contenido o formado en dicho
pocillo.

Además de las aplicaciones mencionadas anteriormente, la invención también puede utilizarse para la separación y la selección, por ejemplo en cromatografía, mediante filtración selectiva. En las paredes de los pocillos de un cabezal de impresión según la invención se fijan, transplantan, bloquean o enganchan en primer lugar, por cualquier medio conocido, biocélulas idénticas o distintas por pocillos o bloques de pocillos. El cabezal de impresión puede estar integrado al émbolo de una jeringuilla.

Otras características, ventajas y aplicaciones aparecerán asimismo en el resto de la descripción que detalla, más especialmente, ejemplos de empleo no limitativos de la presente invención, con referencia a las figuras adjuntas que representan, respectivamente:

- la figura 1, una vista esquemática parcial en perspectiva de un cabezal de distribución limitado al entorno de un pocillo de base de un sistema según la invención;

- la figura 2, una vista en corte según II-II del cabezal según la figura 1 con un depósito de llenado;

- la figura 3, una vista esquemática en perspectiva de un cabezal de distribución de un sistema según la invención con ocho pocillos de distribución;

- la figura 4, una vista en corte según IV-IV de la figura anterior;

- la figura 5, una vista esquemática en perspectiva de un cabezal de distribución de un sistema según la invención con dieciséis pocillos de distribución;

- la figura 6, una vista en corte según V-V de la figura anterior;

- las figuras 7 y 8, dos vistas en perspectiva de la cara inferior del cabezal de distribución del sistema según la figura 5 y según una variante;

- la figura 9, una vista en perspectiva del sistema según la figura 5 con unos medios de distribución de un reactivo a distancia;

- la figura 10, una vista en perspectiva del sistema según la figura 5 con unos medios de distribución a distancia de cuatro mononucléidos para formar sondas de una lámina móvil;

- la figura 11, una vista en corte esquemático de un sistema de distribución según la invención, que ilustra el principio de accionamiento selectivo de los pocillos de distribución;

- las figuras 12a y 12b, unas vistas en corte que ilustran las dos fases de accionamiento de un pocillo mediante medios electromagnéticos de activación selectiva;

- las figuras 13a y 13b, una vista en corte de un sistema de distribución según la invención, que ilustra el accionamiento selectivo respectivamente mediante medios electromagnéticos y medios piezoeléctricos de activación selectiva;

- la figura 14, una vista en corte de un cabezal de distribución en fase de llenado mediante aspiración de reactivos para la preparación de un cartucho de distribución según la invención;

- la figura 15, una vista en corte de un sistema de distribución según la invención, aplicado al tratamiento de células en una plaqueta de titración;

- la figura 16, una vista en corte de un sistema de distribución según la invención, aplicado a la detección de hibridación en el marco de un test genético;

- la figura 17, una vista en corte de un sistema de distribución según la invención, aplicado a la administración percutánea de medicamentos.

En todas las figuras, unos signos de referencia idénticos designan elementos idénticos o técnicamente equivalentes. Las membranas aparecen en transparencia con objeto de facilitar la visualización del conjunto de elementos representados.

La figura 1 ilustra un ejemplo de cabezal de distribución 1, limitado a su entorno alrededor de un pocillo de distribución 10. Cada pocillo 10 ha sido grabado mediante fotolitografía seguida de un grabado húmedo químico en un sustrato de silicio 2 recubierto por una membrana 3 de pyrex®, la membrana y el sustrato son ensamblados mediante soldadura anódica para formar el cabezal 1.

El pocillo 10 posee una forma piramidal invertida, y atraviesa de lado a lado el sustrato de silicio 2 según cuatro paredes continuamente inclinadas 11 y definidas por los planos cristalinos 1-1-1 del silicio. La abertura superior 12 del pocillo, que se comunica con la membrana 3, forma un cuadrado de lado superior al lado del orificio inferior 13 con el fin de acelerar la eyección de las gotas. Un microcanal 20 de alimentación o evacuación del pocillo con reactivo se mecaniza en la membrana 3.

En este ejemplo de realización, las dimensiones de pocillo son las siguientes:

-: lado de la abertura superior: 500 \mum

-: lado del orificio inferior: entre 10 y 50 \mum (alrededor de 30 \mum)

-: grosor de la membrana: 10 a 50 \mum

-: grosor del sustrato: 360 \mum

En vista en corte según la figura 2 según II-II, se observa que el microcanal 13 se comunica con un depósito de alimentación o almacenamiento 4 de reactivo 5. También se muestra en esta vista que la cara inferior 2i sensiblemente plana del sustrato 2 forma un saliente alrededor de las paredes laterales 11 del pocillo 10, de manera a prolongar dichas paredes formando una tobera 14. Dichas toberas se obtienen mediante mecanizado de la cara inferior. La altura H de una de dichas toberas añadida al lado C, del lado del orificio 13, mide la relación de forma más o menos igual a 3 en el ejemplo, que mejora la formación de microgotas de un volumen del orden del picolitro. El valor de la relación de forma está limitado por obligaciones tecnológicas, por lo que se debe buscar un buen compromiso entre 1 y 20, según el material y la técnica de grabado utilizados. Además, la distancia

\hbox{media entre dos pocillos es típicamente de
alrededor de 550  \mu m.}

En la figura 3, la vista en perspectiva de un cabezal de distribución 1 incluye ocho pocillos 10 unidos individualmente a ocho depósitos 4 mediante ocho microcanales 20. Las dimensiones típicas de dicho cabezal son:

-: longitud: 3 mm

-: anchura: 5 mm

-: grosor: 1 mm según el grosor de los depósitos

La vista en corte representada en la figura 4, según el plano IV-IV de la figura anterior, muestra bien la independencia de los depósitos 4 que permiten la distribución o aspiración de distintos reactivos 5a y 5b.

Como variante, las figuras 5 y 6 muestran, respectivamente en perspectiva y en corte según el plano V-V, un cabezal de distribución que incluye dieciséis pocillos 10 unidos individualmente a dieciséis depósitos 4 mediante dieciséis microcanales 20. Dicha configuración se utiliza ventajosamente para distribuir dieciséis reactivos distintos.

La cara inferior 2i sensiblemente plana del sustrato 2 del cabezal de distribución de las figuras 5 y 6 está representada en perspectiva en la figura 7 y como variante en la figura 8. En la figura 7, las paredes de los pocillos 10 aparecen en saliente en forma de pirámides. Esta forma inclinada de las paredes es ventajosa ya que el reactivo no corre el riesgo de acumularse y, por lo tanto, de estancarse. Además, desde el punto de vista hidrodinámico, permite un flujo mejor con un reparto de las presiones y las velocidades de forma continua. En la figura 8, estas mismas paredes 11 aparecen en transparencia en una forma cilíndrica, de diámetro igual a 100 micras, prolongadas por un émbolo centrado 6 también cilíndrico y de un diámetro de 20 micras.

Cuando se distribuye o aspira un único reactivo simultáneamente a través del pocillo, se emplea ventajosamente la configuración de membrana ilustrada en la figura 9. En esta configuración, la membrana 3 posee una abertura única 30 que permite alimentar o aspirar un mismo reactivo en todos los pocillos 4 sin la utilización de microcanales. Dicho reactivo es transportado desde o aspirado hacia un depósito remoto (no representado) a través de un tubo flexible 7 acoplado a un microcapilar único 40 que atraviesa la membrana 3.

Cuando se distribuyen varios reactivos, por ejemplo cuatro mononucléidos A, C, T, G, en el caso ilustrado por la vista en perspectiva de la figura 10, la membrana anterior queda tabicada mediante tres travesías 31 de manera a formar cuatro conductos independientes 32 de alimentación o aspiración de los reactivos. Dichos conductos son unidos a cuatro microcapilares 41 acoplados, a través de la membrana 3 y cuatro tubos flexibles 7, a cuatro depósitos remotos (no representados). Dicha configuración está especialmente adaptada a la distribución de los cuatro nucleótidos de base para formar sondas 9 para la preparación de microchips en una lámina 82 recubierta por una capa de silano 83 para permitir el transplante de los primeros nucleótidos. La lámina 82 es soportada por un dispositivo de posicionamiento 86, según los ejes XYZ.

Con objeto de distribuir el o los reactivos mediante microgotas 50 de forma selectiva, es decir solicitando cada pocillo con independencia unos de otros, la membrana 3 es solicitada localmente, como se ilustra en la vista en corte de la figura 11. El accionamiento selectivo de los pocillos 10 de distribución se provoca mediante unos medios que deforman localmente la membrana 3 con la aplicación de una fuerza F.

En las vistas en corte de las figuras 12a y 12b, se ilustran las dos fases de accionamiento de un pocillo 10 mediante deformación local de la membrana accionada mediante unos medios electromagnéticos de accionamiento. Dichos medios están formados por un electroimán elemental 60 compuesto por un circuito de excitación 61 generador de corriente, que incluye especialmente una bobina 63 acoplada a un núcleo de entrehierro 64. Los medios electromagnéticos incluyen asimismo una pastilla imantada 65 fijada en la membrana 3 a la vertical del pocillo y capaz de ser polarizada por el electroimán. La pastilla puede alternativamente ser un imán permanente, o de material dia o paramagnético.

Cuando la corriente 62 circula, el núcleo 63 ejerce una fuerza de atracción Fa sobre la pastilla 65. La membrana 3 es entonces deformada hacia el electroimán y el líquido 51 es detenido en su flujo a través del orificio 13 (figura 12a). Cuando la corriente 62 circula en el otro sentido mediante inversión de los polos, el núcleo 63 ejerce una fuerza de repulsión Fr sobre una pastilla imantada 65. La membrana es deformada en hueco y el líquido 51 es expulsado en forma de microgotas 50 a través del orificio 13 de la tobera de eyección (figura 12b), con un volumen calibrado y controlado por las dimensiones de la tobera, así como por la amplitud y la duración de la señal eléctrica aplicada.

Alternativamente, la eyección de gotas puede hacerse mediante la aplicación de impulsos de corriente eléctrica o mediante la aplicación de una corriente alternativa a la frecuencia de resonancia propia de la membrana.

Con el fin de realizar una distribución selectiva de microgotas, es decir cuyo comando está individualizado a nivel de cada pocillo, la deformación local se realiza mediante un conjunto de medios de activación. Las figuras 13a y 13b ilustran en corte dicho conjunto, formado respectivamente por medios eléctromagnéticos y medio piezoeléctricos.

Los medios electromagnéticos incluyen electroimanes 60 e imanes 65, dispuestos de forma matricial a la vertical de cada pocillo 4, y los medios piezoeléctricos incluyen pastillas piezoeléctricas 70, acopladas a circuitos de excitación 61 del mismo tipo que los utilizados por los medios electromagnéticos. La activación piezoeléctrica de microgotas 50 (figura 13b) se inicia del mismo modo que en el caso de activación electromagnética (figuras 12 y 13a) mediante cierre de los circuitos 61, deteniendo la apertura de los interruptores 66 el flujo de gotas 50. En el caso del uso de accionadores piezoeléctricos, las señales eléctricas son diferencias de potencial aplicadas a los bornes de los elementos piezoeléctricos.

El conjunto de medios de activación se gestiona mediante una unidad de mando (no representada) programable a través de una red de acoplamiento o multiplexado, cuyo empleo depende del ámbito de competencia del especialista. Dicha unidad permite activar simultánea o sucesivamente la aspiración o la distribución de un mismo reactivo o reactivos distintos a través de los pocillos.

De este modo, es posible obtener un caudal de eyección de gotas elevado, por ejemplo 100 gotas por segundo para un mismo pocillo. De este modo, es posible alcanzar el caudal de 100.000 para un cabezal de impresión de 1000 pocillos, con una deformación de la membrana controlada mediante la señal exterior. En efecto, dado que el líquido es casi incompresible, la relación entre las velocidades de desplazamiento del líquido entre la abertura superior y el orificio de eyección del pocillo es inversamente proporcional a la relación de las superficies respectivas. En el ejemplo ilustrado, dado que la relación de los lados de los orificios es de alrededor de 15, la velocidad de eyección de las gotas es, por lo tanto, alrededor de 15 veces superior a la de deformación de las membranas.

Para la preparación de un cartucho de distribución según la invención, se aspiran unos reactivos en un cabezal de distribución, como se ilustra en la vista en corte de la figura 14. Para efectuar dicha aspiración, los reactivos están contenidos en microcubetas 80 grabadas en una placa 81 según dimensiones correspondientes a las de los pocillos 4. Dicha placa incluye en el ejemplo 9 600 microcubetas separadas por 0,6 mm. También se pueden realizar algunos miles de cubetas por cm^{2}, mientras que las placas de titración habitualmente empleadas solo incluyen actualmente entre 1 y 4 cubetas por cm^{2}.

La placa se desplaza mediante ajuste micrométrico (dirección Z) hacia el sustrato 2, hasta aplastar juntas de estanqueidad de teflón® 82 fijadas al borde de las microcubetas. Alternativamente, se pueden utilizar otros materiales para formar las juntas: silicona, vuiton®, polímero, elastómero o material termoplástico adaptado.

Los reactivos son entonces aspirados en los pocillos mediante la activación de una bomba 8 montada en un tubo de evacuación 7 acoplado a los conductos de evacuación de los pocillos 4, como se ha detallado anteriormente. La plaqueta 81 es asimismo móvil según las direcciones XY con el fin de prever otras aspiraciones a partir de otras microcubetas, que permitan efectuar mezclas de reactivos en un mismo pocillo. Se coloca la placa en una mesa de posicionamiento XYZ (representada en la figura 10).

Según las aplicaciones, los reactivos pueden ser de tipos variados: ADNc, oligonucleótidos, genes, células, ARNm, proteínas, secuencias de ADN o ARN amplificadas mediante PCR (iniciales en terminología inglesa de "Polymerization Chain Reaction"), antígenos y anticuerpos, moléculas terapéuticas, sueros, etc.

Con objeto de la preparación de sondas para realizar un biochip, se ilustra en la vista en corte de la figura 15 el depósito de oligonucleótidos o proteínas en una plaqueta de titración o una lámina móvil. Un cabezal de distribución es alimentado por depósitos y la acción de bombas, de conformidad con la figura 10. En los pocillos se distribuyen distintos reactivos terapéuticos 52 a 56. Las células a tratar 15 se disponen en las microcubetas de una placa de titración 81. El cabezal y la placa se alinean con precisión por medio de marcas (no representadas). La placa de titración está realizada mediante inyección de un material termoplástico, como polimetacrilato de metilo o un policarbonato.

Las sondas están formadas a petición mediante programación de la unidad de gestión de los accionadores conjuntamente con el desplazamiento de la lámina, lo que permite formar inmediatamente las sondas durante dicho desplazamiento: la duración de formación de las sondas 9 queda optimizada, lo que permite ganar un tiempo considerable con relación a la formación por capas sucesivas del estado de la técnica. El elevado caudal obtenido con el sistema de distribución de la invención permite realizar sondas que pueden alcanzar por ejemplo de 60 a 70 nucleótidos necesarios para las aplicaciones en genómica funcional y expresiones de genes. La plaqueta o la lámina se desplazan mediante ajuste micrométrico según direcciones XY para posicionar los orificios de los eyectores frente a las zonas a imprimir.

En otro ejemplo de aplicación para la detección de hibridación en el marco de un test genético, como se ilustra en corte en la figura 16, la lámina 82, preparada según la figura anterior, es barrida por un flujo de ADN de paciente 90. El ADN del paciente se marca previamente magnéticamente mediante trasplante de bolas 91, utilizado en el estado de la técnica para inmovilizar moléculas en un campo magnético o, alternativamente, mediante fluorescencia.

La ventaja adicional de la presente solución es reutilizar los medios de activación de distribución para realizar la lectura del test mediante detección, lo que permite reducir la cantidad de material electrónico utilizado, mientras que, en la técnica anterior, es necesario disponer de bobinas de lectura en las cubetas de titración.

La hibridación o la interacción inmunológica permiten fijar los ADN del paciente en algunas de las sondas 9. La detección de dichas hibridaciones se realiza mediante la formación de una corriente inducida en los circuitos 61 a la vertical de las sondas hibridadas o mediante detección óptica. Esta detección se hace posible debido a la precisión de posicionamiento de las sondas y debido, en el caso de un marcaje magnético, a que son los propios circuitos 61 los que aseguran la distribución de las sondas y la detección de las hibridaciones.

En la aplicación ionoforética, la administración percutánea de medicamentos se lleva a cabo, con referencia a la vista en corte de la figura 17, a partir de un cabezal de impresión con un pocillo 4 de distribución. En dicho pocillo, se distribuye un medicamento de conformidad con el método expuesto anteriormente. Se aplica una tensión de unos milivoltios mediante un circuito generador de tensión 61 a una célula piezoeléctrica 70 con objeto de deformar la membrana 3. Se puede administrar así una cantidad precalibrada de medicamento 50 durante un tiempo dado. También se pueden polarizar dos paredes opuestas 11 del pocillo, con objeto de facilitar la absorción del medicamento, provocando la dilatación de los poros de la piel.

La invención no se limita a los ejemplos de realización descritos y representados.

Los microcanales también pueden grabarse en el sustrato o la membrana. La membrana o el sustrato están realizados con una estructura multicapa que permite integrar los microcanales de manera tridimensional en distintas capas. Los microcanales se acoplan entonces a los pocillos mediante conexiones perpendiculares a las aberturas superiores de los pocillos.

Además, es posible utilizar otras técnicas para activar la deformación local de la membrana, mediante efecto bilámina utilizando los efectos termoplásticos o la magnetoestricción: la deformación termoelástica de un material del tipo bilámina dispuesto en forma de tabiques elementales a la vertical de los pocillos en la membrana. Cada tabique puede estar formado por una capa de material ferromagnético y una capa de material conductor (de Cu, Al, Au, etc.), deformándose el material ferromagnético por el efecto de un campo magnético producido por el electroimán. También es posible actuar con la ayuda de medios neumáticos, electrovaporización o aplicación de campos electroestáticos.

Además, las fuerzas de deformación de la membrana o su calentamiento pueden generarse, por ejemplo, con la ayuda de corrientes de Foucault. La puesta en resonancia propia puede efectuarse mediante deformación de la membrana o mediante vibración del extremo de la tobera.

Además, son posibles otras adaptaciones con el fin de llevar a cabo satisfactoriamente aplicaciones específicas. Por ejemplo, para el cribado de células test en el ámbito farmacológico, con referencia a la figura 15, las microcubetas 80 de una lámina de titración 81 están dotadas de electrodos polarizados 87. El test de reactividad de las células puede ser óptico, es decir, mediante fluorescencia y/o espectroscopia, o eléctrico mediante medición de impedancia eléctrica o electroquímica. Asimismo, es posible aplicar, a la inversa, una diferencia de potencial de valor adaptado entre dichos electrodos, con el fin de crear una polarización en las células, y favorecer así el efecto terapéutico en células.

Otra aplicación del sistema de distribución de la invención se refiere a la distribución de reactivos en las columnas de espectrometría de masas para la caracterización de compuestos, mediante la alimentación paralela o secuencial, como se ha descrito anteriormente. Esta aplicación también puede convenir a los cromatógrafos.

Claims

1. Sistema de distribución de microgotas capaz de distribuir entre algunas decenas y algunos miles de microgotas paralelamente en una fracción de segundo, que incluye un sustrato (2) recubierto por una membrana (3) y unos medios (65, 70) de deformación de la membrana a la vertical de cada cavidad (10) formada en el sustrato (2), presentándose las cavidades, grabadas en un material que constituye el sustrato, en forma de pocillos que atraviesan el sustrato con una pared lateral continua (11) de simetría axial, desembocando cada pocillo en la cara superior y la cara inferior del sustrato según, respectivamente, un orificio de alimentación (12) y una tobera (14) abierta según un orificio de eyección (13), presentando el orificio de alimentación una abertura superior al orificio (13) de la tobera, presentando la tobera una relación entre la altura y la abertura de la base que puede ser de entre 1 y 20, habiéndose configurado los pocillos en forma matricial, con una densidad de posillos que puede alcanzar 10.000/cm^{2} y capaces de suministrar un caudal de por lo menos un millón de gotas por segundo, presentando la membrana o el sustrato una estructura multicapa que integra unos microcanales de alimentación de los pocillos de manera tridimensional en capas distintas, acoplándose entonces los microcanales a los pocillos mediante conexiones perpendiculares a las aberturas superiores de los pocillos.

2. Sistema de distribución de microgotas, según la reivindicación 1, en el que los pocillos están organizados, en lugar de la configuración matricial, en configuración circular concéntrica, en espiral o según una combinación de dichas configuraciones.

3. Sistema de distribución de microgotas, según una cualquiera de las reivindicaciones anteriores, en el que el conjunto de medios de deformación se gestiona por medio de una unidad de mando programable a través de una red de multiplexado para activar simultánea o sucesivamente la aspiración o la eyección de reactivos idénticos o distintos a través de todos los pocillos, a través de los bloques de pocillos preseleccionados o algunos pocillos preseleccionados.

4. Sistema de distribución de microgotas, según una cualquiera de las reivindicaciones anteriores, en el que el material del sustrato o de la membrana se elige entre los materiales semiconductores, el polisilicio, los vidrios, los nitruros de silicio, las cerámicas, los materiales termoplásticos, los elastómeros, las resinas fotosensibles espesas, y los metales electroformados o electroerosionados.

5. Sistema de distribución de microgotas, según la reivindicación 3 o 4, en el que el grabado del sustrato o de la membrana se elige entre el grabado químico, la RIE, D-RIE, la fotolitografía, el grabado mediante electroerosión o electroformado, el moldeo y la polimerización, el recorte con láser, los ultrasonidos o la proyección de abrasivos.

6. Sistema de distribución de microgotas, según la reivindicación 5, en el que se graba la membrana con objeto de realizar una red de microcanales de alimentación de los pocillos, acoplándose dichos microcanales, en sus extremos, a por lo menos un depósito de alimentación en reactivo.

7. Sistema de distribución de microgotas, según la reivindicación 1, en el que los medios de deformación local (65, 70) de la membrana (3) están constituidos por accionadores electromagnéticos y piezoeléctricos, magnetoestrictivos, electroestáticos, o mediante eletroevaporación.

8. Sistema de distribución de microgotas, según la reivindicación 1, en el que las fuerzas de deformación de la membrana se crean mediante la puesta en resonancia propia de la membrana (3) o mediante vibración del extremo de las toberas (14).

9. Sistema de distribución de microgotas, según la reivindicación 1, en el que los pocillos de cada línea de una configuración matricial se alimentan mediante un mismo depósito (4) a través de un microcanal (20) formado en la membrana paralelamente a la línea de pocillos (10) y acoplado lateralmente a la línea u ortogonalmente al plano del sustrato (2), grabándose los depósitos en la membrana o disponiéndose a distancia y unidos a los microcanales mediante conexiones flexibles.

10. Sistema de distribución de microgotas, según la reivindicación 1, en el que el cabezal de impresión (1) posee un número de líneas igual a un múltiplo de cuatro, con el fin de proceder a la síntesis de sondas de ADN a partir de los cuatro mononucleótidos (A, C, T, G) para la preparación de biochips, y en el que los pocillos de cada línea son alimentados desde un mismo depósito a través de un microcanal (32) formado en la membrana (3) paralelamente a las líneas, habiéndose grabado los depósitos en la membrana o dispuesto a distancia y unido a los microcanales mediante conexiones flexibles (7).

11. Cartucho de distribución que incluye por lo menos un sistema de distribución según una cualquiera de las reivindicaciones anteriores, prellenado de reactivos (51), y unas plaquetas de titración (81) que pueden presentar microcubetas (80) formadas mediante grabado del tipo microelectrónico, mecanizado, moldeo y termoformado.

12. Kit de distribución que incluye por lo menos un sistema de distribución según una cualquiera de las reivindicaciones 1 a 10, equipado con por lo menos una bomba de aspiración (8), y por lo menos una plaqueta de titración (81), que pueden prellenarse de reactivo.

13. Cartucho, según la reivindicación 11, o kit, según la reivindicación 12, en el que la plaqueta de titración presenta microcubetas equipadas con electrodos polarizados, siendo el test de reactividad de las células óptico o eléctrico.

14. Cartucho o kit, según la reivindicación 13, en el que se aplica una diferencia de potencial entre dichos electrodos, con el fin de generar una polarización en las células y favorecer el efecto terapéutico en células.

15. Aplicación del cartucho de la reivindicación 11, o del kit de la reivindicación 12, a la preparación de biochips, mediante síntesis in situ o depósito de oligonucleótidos presintetizados, al cribado sobre moléculas biológicas, químicas o sobre células, a la preparación de medicamentos o a los tests farmacéuticos o de diagnósticos inmunológicos, bioquímicos o genéticos.

16. Aplicación del sistema de distribución, según una cualquiera de las reivindicaciones 1 a 8, a la administración percutánea de medicamentos mediante ionoforesis, que incluye un sistema de aplicación de una diferencia de potencial adecuada a una célula piezoeléctrica (70) para la administración de una cantidad calibrada de por lo menos un medicamento contenido o formado en por lo menos un pocillo.

17. Aplicación al cribado de células test en el ámbito farmacológico de un sistema de distribución, según una cualquiera de las reivindicaciones 1 a 10, en el que se depositan unos medicamentos en células contenidas en las microcubetas (80) de una lámina de titración (81), equipadas con electrodos polarizados, siendo el test de reactividad de las células óptico o eléctrico.

18. Aplicación, según la reivindicación anterior, en la que una diferencia de potencial de valor adaptado se aplica entre dichos electrodos con el fin de generar una polarización en las células y favorecer así el efecto terapéutico en las células.

19. Aplicación del sistema de distribución, según una cualquiera de las reivindicaciones 1 a 10, a la filtración selectiva mediante fijación en las paredes de los pocillos de un cabezal de impresión de biocélulas idénticas o distintas o de compuestos químicos por pocillos o bloques de pocillos.

20. Aplicación del sistema de distribución, según la reivindicación anterior, en la que el cabezal de impresión está integrado en el émbolo de una jeringuilla.

21. Aplicación del sistema de distribución, según una cualquiera de las reivindicaciones 1 a 10, a la alimentación paralela o secuencial de columnas de espectrometría de masas o de cromatógrafos.