Reducción de gravedad Demostraciones entorno de hardware de un prototipo miniaturizado citómetro de flujo y Compañero Microfluidos Tecnología de mezcla

El objetivo general de este procedimiento es operar un citómetro de flujo miniaturizado a bordo de un vuelo parabólico de gravedad reducida utilizando la preparación de componentes y procedimientos en vuelo potencialmente adaptables a otras configuraciones. Esto se logra primero seleccionando cuidadosamente los componentes listos para usar y fabricados a medida para facilitar su uso y seguridad en gravedad reducida. El segundo paso es ensamblar componentes dentro de un banco de pruebas de vuelo parabólico que contiene elementos adicionales para la contención, la automatización de la visualización y la facilitación de múltiples demostraciones.

A continuación, el equipo se prepara para una experimentación exitosa en vuelo a través de una planificación meticulosa, el desarrollo de protocolos y la formación. El paso final son las demostraciones multicomponente en vuelo. En última instancia, las pruebas de vuelo parabólico se utilizan para mostrar las posibles aplicaciones espaciales de la tecnología y para identificar los efectos de la ingravidez, los cambios de gravedad y la vibración en el rendimiento.

Aunque este método se puede aplicar a la citometría de flujo y a la tecnología relacionada, también se puede aplicar en partes a otros tipos de pruebas diagnósticas individuales en gravedad reducida, en particular cualquier cosa con múltiples demostraciones o procedimientos desencadenantes. Así que decidimos hacer este video para JO sobre pruebas de vuelo parabólico porque cuando nos estábamos preparando para nuestros vuelos parabólicos con la NASA, esencialmente no había muchos videos o incluso literatura que describiera cómo prepararse mejor para los experimentos. De hecho, tuvimos que esforzarnos mucho, mucho para hablar con las personas adecuadas en varios lugares dentro de la NASA para desenterrar esa información aquí.

En este caso, queremos poder compartir esta información con los lectores de Joe para que también puedan prepararse adecuadamente para estos vuelos. La construcción de un sistema de citometría de flujo simple para su uso en condiciones de gravedad reducida requiere múltiples componentes de prototipos fluídicos, ópticos y electrónicos. Comience por preparar un sistema de presión con necesidades mínimas de peso y potencia para impulsar el sistema.

Los fluidos conectan una bomba de aire miniaturizada a un sensor de presión diferencial. A continuación, ensamble un contenedor de fuente de fluido que se pueda cargar sin atrapar el ajuste de aire. Un vial de plástico rígido con un diafragma de goma elástica, una tapa firmemente asegurable y un tubo de entrada de aire en la base del vial.

Selle la conexión del tubo de aire de entrada con adhesivo óptico. Coloque una abrazadera deslizante temporal sobre el tubo de salida de la tapa para evitar la expulsión de líquido durante y después de la inserción de la tapa. Para cargar el vial, expanda el diafragma con una jeringa conectada a la entrada de aire.

Vierta líquido en la parte superior e inserte la tapa en un ángulo tal que no quede aire atrapado debajo. Retire brevemente la abrazadera deslizante para cebar el tubo de salida y liberar la presión de colapso ejercida por el diafragma. Asegúrese de que la bomba presurice el vial sin fugas de aire o fluido.

Comprimir el diafragma para impulsar el flujo de fluido fuera del tubo de salida de la tapa. El tercer componente necesario es un contenedor de residuos fluidos para recoger los residuos sin construir una contrapresión que comprometa el flujo. Utilice un vial pegado dentro de un vial diseñado para doble contención.

Cubra los viales con una ventana de esponja de espuma asegurada que atrape los líquidos flotantes, pero permita la ecualización de la presión del aire con el entorno de la cabina para hacer un cargador de muestras para uso y máquina de gravedad reducida y ensamble un diseño de abrazadera accionada por resorte con rieles guía de tal manera que se sujete de manera confiable como capilar ajustado por funda entre dos juntas tóricas en la línea de fluido. Asegúrese de que, en ausencia de un capilar, los resortes presionen las juntas tóricas para completar la línea de fluido y permitir el cebado sin fugas. Diseñe un micromezclador que no dependa de subcomponentes mecánicos alimentados para funcionar.

Utilizando el método de prototipo rápido de polimetilsoano, se elige y fabrica un micromezclador de vórtice en espiral de dos entradas para detectar partículas individuales que fluyen. Monte un bloque óptico en miniatura del tamaño de la palma de la mano fabricado a medida en una placa de placa de pruebas de microscopio utilizando componentes optomecánicos disponibles en el mercado. El paso final en el ensamblaje de prototipos es diseñar la electrónica y el software para el control del dispositivo y la adquisición de datos.

Para mayor comodidad y creación temprana de prototipos, utilice piezas soldadas a mano conectadas a tarjetas de adquisición de datos, código y programa disponibles comercialmente, un software personalizado para operar dispositivos de plataforma y sincronizar todos los datos. Retire la batería de la computadora portátil y configúrela para que funcione solo con el cable de alimentación. Por razones de seguridad en vuelos de gravedad reducida, el esquema de energía eléctrica para alimentar todos los dispositivos debe incluir un mecanismo para el apagado electrónico rápido y completo.

En vuelo. Una sola regleta de enchufes con un solo botón de encendido y apagado está conectada al panel de distribución de energía de la aeronave para un rendimiento exitoso en vuelo, se debe considerar el espacio total disponible y cómo se dividirá entre el espacio de la plataforma experimental y el espacio del usuario que rodea la plataforma. El espacio total disponible se limita a una zona más pequeña que la prevista para una demostración similar sobre el terreno.

Determine qué componentes se acceden de manera más adecuada a una altura del suelo, de rodillas o de pie. También es importante tener en cuenta qué componentes se beneficiarán más de la protección obtenida dentro de una estructura de soporte. La estructura de soporte de la plataforma aquí es un bastidor de equipo vertical que puede soportar aceleraciones de vuelo y se sujeta de forma segura a la aeronave prevista.

En el suelo de la cabina se asignaron los componentes a los niveles dentro del bastidor, un nivel superior para colocar el portátil, un nivel medio del bastidor para contener los subcomponentes del prototipo y un nivel del suelo para contener toallitas adicionales, guantes y un contenedor de residuos diversos. Para asegurar y contener el prototipo y ver muestras, se deben fabricar o adaptar varios componentes que no son prototipos. Estos incluyen una caja acrílica personalizada para contener los componentes electrónicos y una guantera acrílica personalizada con orificios de acceso para los brazos para proporcionar un espacio cúbico en el que realizar una demostración del cargador sin correr el riesgo de contaminar la cabina de vuelo.

Para grabar un perno de demostración de micro mezclador, un microscopio estéreo a la placa de prueba equipado con un soporte de chip acrílico personalizado y una cámara CCD. Para permitir una demostración segura del bloque óptico, utilice una caja acrílica opaca personalizada para bloquear la luz ambiental y controlar los peligros del láser. Algunas estrategias de diseño simples pueden eliminar la necesidad de tubos manuales, ajustes en vuelo u otras acciones que requieren una destreza significativa.

Por ejemplo, para presurizar varios archivos de origen simultáneamente, utilice una máquina personalizada para presionar un colector que consta de un cilindro ahuecado, adaptado a una aguja de entrada y múltiples tubos de salida para controlar la dirección del flujo de fluido. Con la computadora, ensamble un panel de válvulas solenoides de tres vías. Controlado por interruptores MOSFET en tándem conectados a una tarjeta DAQ.

Las válvulas solenoides de tres vías tienen un puerto común que siempre está conectado al puerto de apagado o al puerto de encendido predeterminado. El interruptor al estado de encendido se activa con una señal de cinco voltios. Programé el software para continuar a través de las demostraciones utilizando intervenciones de un solo botón, como un solo clic en la computadora portátil para cambiar los estados de las válvulas o cambiar la presión de accionamiento de la bomba.

Esto evita la necesidad de ajustes manuales de la tubería que pueden provocar fugas en el medio ambiente y la pérdida de tiempo de experimentación en un entorno caótico. La demostración del cargador de muestras incluye cargar una muestra y conducir la muestra al bloque óptico o OB para su detección. La configuración utiliza dos válvulas, una antes y otra después del cargador.

Durante la carga, ambas válvulas se apagan evitando el movimiento del fluido a medida que se utiliza el cargador, al encender las válvulas se abre la vía X del fluido que se extiende desde el vial de solución salina hasta el vial de desechos, lo que permite que la bomba impulse la muestra para su análisis. La demostración del bloque óptico incluye la detección secuencial de tres tipos de muestras diferentes Sin necesidad de cambiar manualmente las conexiones de los tubos, la solución salina es capaz de lavar el sistema entre muestras. La demostración del micromezclador incluye la mezcla de solución salina y los segmentos de mezcla de colorante amarillo azulado.

La configuración utiliza dos válvulas para guiar la presión a los viales de sangre y solución salina o a los viales de colorante, de modo que solo hay una demostración de mezcla activa a la vez. Una válvula adicional permite la inyección de burbujas de aire en el chip de mezcla de solución salina sanguínea. El sistema debe estar preparado para sacudidas repentinas, vibraciones o colisiones de pasajeros en vuelo.

Para la estabilización de la alineación, aplique epoxi de secado rápido a los componentes alineados que se desjustan fácilmente, particularmente los componentes ópticos. Aplique epoxi de grado industrial sobre el epoxi de secado rápido para asegurar otros componentes según sea necesario, incluido el accesorio de la cámara CCD a la pieza del microscopio I para pruebas de perturbaciones físicas. Agite la estructura de soporte del equipo con todos los componentes en su lugar.

Verifique la funcionalidad de los componentes individuales después de someter el equipo a la perturbación, en particular los componentes ópticos alineados entrenados para sucesos inesperados en vuelo, incluido el avión que se nivela repentinamente en medio de un experimento o fuerzas repentinas que golpean el equipo. Proteja a los pasajeros flotantes agregando acolchado al portaequipajes. Las esquinas entrenan a varias personas como operadores principales para operar de manera experta el dispositivo en vuelo.

Es impredecible quién se enfermará durante el parais y un usuario determinado puede no verse afectado en un vuelo y enfermarse en otro. Revise la plataforma después del transporte al lugar de vuelo, haciendo las reparaciones necesarias y colocando las conexiones de los tubos antes de cargarla en la aeronave. En cada día de vuelo, prepare y enganche los viales de muestra correspondientes a las demostraciones del día.

Prepárese para intervalos posiblemente largos entre la configuración y la experimentación, así como para altas temperaturas ambiente dependiendo de la ubicación del vuelo. Evite la enfermedad en el vuelo tomando los medicamentos proporcionados, como la escopolamina con anfetamina, y use varias parábolas tempranas para adaptarse a las transiciones de gravedad elevándose lentamente en paralelo con el suelo y acostándose durante la alta gravedad. Una vez en posición de vuelo, los operadores de la plataforma, cuando se acercan al espacio aéreo dedicado a la parábola, proporcionan suficiente espacio para permitir que los operadores de la plataforma se acuesten durante los intervalos de alta gravitación y permitir el acceso a las correas de las piernas una vez que comienza la parábola.

No aplique fuerzas fuertes sobre el cuerpo durante la reducción de la gravedad. Ya que esto puede enviar el cuerpo hacia arriba demasiado rápido y algo peligroso para realizar la demostración del cargador de muestras. Cuando el avión entra en gravedad reducida, use la jeringa de muestra para colocar una gota de la mezcla de tinte de cuentas de conteo en la punta de un dedo Para simular una muestra de punción en el dedo, use un consumible capilar para recoger la muestra del dedo y cargar la muestra en el cargador capilar.

Introduzca la muestra en el sistema óptico para su detección. Realice la demostración del mezclador microfluídico configurado debajo del microscopio. Mezcle sangre y solución salina en una proporción de uno a uno a 1.52345, y seis PSI para al menos dos parábolas cada uno.

Grabación de datos de vídeo sincronizados con otras lecturas. Aquí se muestran imágenes reales en vuelo de una demostración de mezclador. Inyecte aire en la entrada de solución salina para probar si la arquitectura del canal atrapará una burbuja que podría impedir una mezcla óptima. Mezclar.

Los alimentos azules y amarillos mueren a 1.52345 y seis PSI por al menos dos parábolas cada uno. Una vez más, la grabación de datos sincronizados que se muestran aquí son resultados representativos de dos demostraciones de micromezcladores vistos por una cámara CCD instalada en el panel del microscopio estéreo. El panel A muestra la mezcla de tintes azules y amarillos en condiciones de microgravedad, y el panel B muestra la mezcla de sangre y solución salina en condiciones de gravedad lunar.

La mezcla se puede evaluar visualmente en cualquier punto a lo largo de la espiral, así como en el canal de salida en una demostración de la detección de bloques ópticos de glóbulos blancos marcados con fluorescencia durante el vuelo en microgravedad. Las métricas críticas de rendimiento para los datos de citometría de flujo incluyen el coeficiente de variación de las intensidades máximas, las relaciones señal/ruido, las tasas de recuento de picos y la eficiencia de detección, como se muestra aquí. La detección de bloques ópticos parece relativamente imperturbable por una transición de aproximadamente 1,5 G a casi cero G y continúa durante la transición de vuelta a 1,5 g.

La detección de perlas de conteo fluorescentes insertadas en una muestra cargada después de la demostración del cargador en gravedad lunar indica que la muestra se cargó con éxito y alcanzó el bloque óptico para su detección. Después de ver este video, debería tener una mejor comprensión de cómo realizar pruebas de dispositivos y reducir la gravedad a bordo de un vuelo parabólico y, en particular, qué tipos de procedimientos son factibles, una planificación cuidadosa, la selección de piezas y la implementación de pruebas, todo ayuda a garantizar un alto rendimiento según su experiencia.