Optimization of microfluidic chip procedures for point-of-care blood-plasma extraction

Abstract

O sangue é o fluido corporal mais estudado para fins de diagnóstico. A sua análise fornece informações essenciais sobre vários parâmetros fisiológicos, sendo por isso, uma ferramenta indispensável tanto no diagnóstico como na monitorização de doenças. No entanto, os métodos convencionais de recolha e análise de sangue requerem volumes de amostra significativos (~7.5mL), envolvem procedimentos invasivos e necessitam de um pré-processamento laboratorial extenso. Além disso, estes métodos são morosos, e dependem de equipamentos complexos, o que os tornam inadequados para o diagnóstico e monitorização de rotina no âmbito dos cuidados de saúde primários. Neste contexto, a capacidade de realizar testes de diagnóstico no local de prestação de cuidados (point-of-care, PoC) é crucial para assegurar intervenções clínicas atempadas, promovendo a eficácia terapêutica e a melhoria dos cuidados de saúde. Para fazer face a estas limitações, as tecnologias microfluídicas oferecem uma alternativa promissora, permitindo o processamento minimamente invasivo de amostras de sangue (por exemplo, uma gota de sangue capilar) em dispositivos compactos e miniaturizados. Em particular, os sistemas microfluídicos podem facilitar a extração de plasma de sangue total na gama dos microlitros, eliminando a necessidade de um pré-processamento externo e extensivo. Assim, esta dissertação tem como objetivo otimizar o processo de utilização de um chip microfluídico, de forma a permitir e maximizar a extração de plasma de uma pequena amostra de sangue capilar obtida através de uma punção no dedo. Este chip é composto por uma interface Luer para a entrada da amostra sanguínea, um canal de suporte, uma membrana de filtração com 10 mm de diâmetro, um canal de recolha de plasma, um canal de ventilação e interfaces para aplicação de vácuo e alívio de pressão. Além do chip, são utilizados acessórios complementares como um reservatório para a introdução da amostra, e um tampão com conexão mini Luer, para o controlo adequado das interfaces. De forma a atingir o objetivo proposto, são realizados ensaios para avaliar parâmetros críticos, incluindo a capilaridade do chip, a força mecânica aplicada aos componentes complementares, bem como o teste de diferentes níveis de diluições da amostra de sangue capilar (não diluído, 1:2 e 1:4), de modo a determinar a abordagem mais eficaz. Assim sendo, a força mecânica consiste na abertura da terceira interface, acompanhada com a aplicação de vácuo na segunda interface, com recurso a uma seringa. A pipeta também é utilizada com o mesmo propósito. A pressão manual através do polegar na tampa do reservatório ou a reinserção e remoção do male mini Luer plug na tampa do mesmo também são exemplos da força mecânica aplicada ao sistema. Após múltiplos ensaios, os resultados indicam que a abordagem mais eficaz para obter plasma consiste na diluição do sangue total em 1:4, combinada com uma das formas de aplicação de pressão manual sobre o reservatório, referidas anteriormente. Ao permitir uma colheita minimamente invasiva e um rápido processamento, evitando hemólise e a obstrução da membrana, este sistema microfluídico miniaturizado representa um avanço significativo no desenvolvimento de uma plataforma de diagnóstico integrada e completa. No futuro, esta tecnologia poderá permitir a realização de testes PoC rápidos, económicos e acessíveis, através do processamento, análise e quantificação simultânea e in situ de biomarcadores moleculares relacionados, a título de exemplo, com a saúde materno-fetal, permitindo a monitorização da saúde da mãe e do bebé de forma mais rápida e económica no local de prestação de cuidados.

Blood is the most extensively studied body fluid for diagnostic purposes. Its analysis provides important insights into a wide range of physiological parameters, making it an indispensable tool in both disease diagnosis and monitoring. However, conventional blood collection and analysis methods require relatively large sample volumes (~7.5mL), involve invasive procedures, and require extensive laboratory pre-processing. Additionally, these methods are often time-consuming and rely on complex equipment, which makes them unsuitable for routine diagnosis and monitoring within primary healthcare. In this context, the ability to perform point-of-care (PoC) diagnostic tests is crucial to ensure timely clinical interventions, promoting therapeutic efficacy and improving healthcare. To address these limitations, microfluidic technologies offer a promising alternative, enabling the minimally invasive processing of blood samples (e.g. a drop of capillary blood) in compact and miniaturized devices. In particular, microfluidic systems can facilitate the extraction of plasma from whole blood in microlitre range, eliminating the need for extensive external pre-processing. Thus, this dissertation aims to optimize the use of a microfluidic chip to enable and maximize plasma extraction from a small capillary blood sample obtained via finger prick. This chip consists of a Luer interface to load the blood sample, a support channel, a 10 mm diameter filtration membrane, a plasma collection channel, a ventilation channel and interfaces for vacuum application and pressure relief. In addition to the chip, complementary accessories are used, such as a reservoir for sample loading and a male mini Luer plug for proper interface control. To achieve the proposed objective, experiments are conducted to evaluate key variables, including the capillarity of the chip, the mechanical force applied to the complementary components, as well as testing different levels of capillary blood dilution (undiluted, 1:2 and 1:4) to determine the most effective approach. The mechanical force consists of opening the third interface, while simultaneously applying vacuum to the second interface using a syringe. A pipette was also employed for a similar purpose. Manual thumb pressure on the reservoir lid or the repeated insertion and removal of the male mini Luer plug from the lid are also examples of mechanical force applied to the system. After multiple trials, results indicate that the most effective approach for plasma extraction consists of using whole blood diluted at 1:4 ratio, combined with one of the previously mentioned methods of applying manual pressure to the reservoir. By eliminating invasive blood collection and rapid processing, while avoiding hemolysis and chip clogging, this miniaturized microfluidic system represents a significant step toward the development of an integrated, all-in-one diagnostic platform. In the future, such technology could enable rapid, cost-effective, and accessible PoC testing by simultaneously processing, analyzing, and quantifying molecular biomarkers in situ, related, for example, to maternal-fetal health, enabling health monitoring of the mother and the baby to be carried out more quickly and affordably at the PoC.