Simulación computacional de la interacción con el campo electromagético del tejido adyacente un implante ocular

Se propone una microválvula activa implantable para el tratamiento de glaucoma, fabricada por tecnología MEMS, compuesta por un diafragma y por un circuito para controlarlo y alimentarlo externamente por radio frecuencia. Este circuito consta a su vez de una bobina sintonizada en 13.56 MHz y de un microchip que utiliza la energía de la señal inducida en la bobina para autoalimentarse, y para alimentar el diafragma. Este chip incluye un potenciostato que permite controlar la apertura del actuador. En este trabajo se simuló la interacción del campo electromagnético de RF con el tejido que circunda al implante. Este último fue modelado como la integración de una microbobina y un microchip montados en un sustrato flexible (kaptón), recubiertos de un polímero biocompatible (PDMS). Se analizó el SAR (Specific absorption rate), la densidad de corriente, y el aumento de temperatura inducidos en el tejido cercano al implante.Fil: Schaumburg, Federico. Universidad Nacional de Entre Rios. Facultad de Ingeniería. Departamento de Bioingeniería; Argentina. Consejo Nacional de Investigaciones Científicas y Técnicas; ArgentinaFil: Guarnieri, Fabio Ariel. Consejo Nacional de Investigaciones Científicas y Técnicas. Centro Científico Tecnológico Conicet - Santa Fe. Centro de Investigaciones En Metodos Computacionales. Universidad Nacional del Litoral. Centro de Investigaciones En Metodos Computacionales; Argentina. Universidad Nacional de Entre Rios. Facultad de Ingeniería. Departamento de Bioingeniería; Argentin

Incremento de la eficiencia de los análisis de flujo lateral a través de campos eléctricos

Los análisis de flujo lateral (AFL) representan un grupo de dispositivos portables y autónomos para la detección rápida y sencilla de diversos indicadores bioquímicos de agentes patógenos y enfermedades. Además de las aplicaciones en salud, el uso de los AFL se ha extiendido al control ambiental, fitosanitario y bromatológico, entre otros campos requiriendo de la tecnología límites de detección muy ambiciosos. Recientemente, se ha demostrado que los límites de detección de los AFL pueden incrementarse al menos dos órdenes de magnitud, si se combinan con la aplicación de campos eléctricos para el transporte electroforético de especies. Es sabido que el desarrollo de dispositivos de AFL implica importantes esfuerzos experimentales dada la necesidad de explorar diseños, caracterizar los materiales utilizados y controlar los parámetros cinéticos de las reacciones. Si a esto sumamos la aplicación de campos eléctricos a soluciones de electrolitos con conductividades eléctricas heterogéneas, el escenario para el diseño empírico se vuelve demasiado complejo. De esta manera, contar con herramientas que permitan reducir los costos y tiempos de experimentación resulta clave para la implementación efectiva de esta tecnología. Para ello el desarrollo de prototipos numéricos que permitan simular eficientemente nuevos diseños de AFL sometidos a campos eléctricos resulta de gran utilidad tecnológica y científica. En este trabajo se presenta la implementación de un prototipo numérico de un AFL sometido a campos eléctricos. El modelo consiste en la solución acoplada de: (i) un modelo fluidodinámico de imbibición capilar, (ii) un modelo de transporte de materia que incluye términos electromigrativos, (iii) un modelo de conductividad eléctrica y conservación de cargas, y (iv) un modelo reactivo de tipo antígeno-anticuerpo. El dominio completo se resuelve utilizando el método de elementos finitos utilizando PETSc-FEM, tanto para los fenómenos de transporte y reacción como para el modelo de flujo por imbibición capilar, que se resuelve con un enfoque tipo Darcy basado en permeabilidades heterogéneas. Se concluye que la realización de ensayos virtuales permite determinar la ventana de trabajo apropiada (en términos de parámetros operativos) para lograr mejorar el límite de detección y el rendimiento global de los dispositivos.Publicado en: Mecánica Computacional vol. XXXV, no. 28.Facultad de Ingenierí

Assessment of thermal effects in a model of the human head implanted with a wireless active microvalve for the treatment of glaucoma creating a filtering bleb

A 3D anatomical computational model is developed to assess thermal effects due to exposure to the electromagnetic field required to power a new investigational active implantable microvalve for the treatment of glaucoma. Such a device, located in the temporal superior eye quadrant, produces a filtering bleb, which is included in the geometry of the model, together with the relevant ocular structures. The electromagnetic field source?a planar coil?as well as the microvalve antenna and casing are also included. Exposure to the electromagnetic field source of an implanted and a non-implanted subject are simulated by solving a magnetic potential formulation, using the finite element method. The maximum SAR10 is reached in the eyebrow and remains within the limits suggested by the IEEE and ICNIRP standards. The anterior chamber, filtering bleb, iris and ciliary body are the ocular structures where more absorption occurs. The temperature rise distribution is also obtained by solving the bioheat equation with the finite element method. The numerical results are compared with the in vivo measurements obtained from four rabbits implanted with the microvalve and exposed to the electromagnetic field source.Fil: Schaumburg, Federico. Consejo Nacional de Investigaciones Científicas y Técnicas. Centro Científico Tecnológico Conicet - Santa Fe. Instituto de Desarrollo Tecnológico para la Industria Química. Universidad Nacional del Litoral. Instituto de Desarrollo Tecnológico para la Industria Química; ArgentinaFil: Guarnieri, Fabio Ariel. Consejo Nacional de Investigaciones Científicas y Técnicas. Centro Científico Tecnológico Conicet - Santa Fe. Centro de Investigaciones en Métodos Computacionales. Universidad Nacional del Litoral. Centro de Investigaciones en Métodos Computacionales; Argentina. Universidad Nacional de Entre Rios. Facultad de Ingeniería. Departamento de Bioingeniería; Argentin

Assessing the rapid flow in multilayer paper-based microfluidic devices

A hot topic in paper-based microfluidics is the achievement of capillary-driven flows much faster than the ones theoretically allowed by the hydrodynamic permeability of common filter papers. Recent works have experimentally shown that the flow rates can be substantially improved by using multilayer paper systems instead of single-layer papers. The present work discusses a theoretical assessment of fluid transport in multilayer paper-based microfluidic devices. The proposed model effectively predicts a series of experimental observations, namely: the occurrence of fluid velocities 2 orders of magnitudelarger than those measured in single-layer paper; the variation of fluid velocity as a function of the gap thickness, whichpresents a particular maximum; the effects of gravity on the filling dynamics, which is unexpected for single-layer paper; and the effect of the sample volume size, which leads to non-trivial filling dynamics. It is worth mentioning that these effects cannot be described by Lucas?Washburn model for single layers, because they arise from the interplay among the coupled flow domains in the multilayer system, together with the action of the gravitational force. The proposed model provides clues to understand the fundamentals behind the capillary-driven flow in multilayer systems, and hence to better design paper-based microfluidics devices for specified flow rates and time-stepped functions.Fil: Schaumburg, Federico. Consejo Nacional de Investigaciones Científicas y Técnicas. Centro Científico Tecnológico Conicet - Santa Fe. Instituto de Desarrollo Tecnológico para la Industria Química. Universidad Nacional del Litoral. Instituto de Desarrollo Tecnológico para la Industria Química; ArgentinaFil: Berli, Claudio Luis Alberto. Consejo Nacional de Investigaciones Científicas y Técnicas. Centro Científico Tecnológico Conicet - Santa Fe. Instituto de Desarrollo Tecnológico para la Industria Química. Universidad Nacional del Litoral. Instituto de Desarrollo Tecnológico para la Industria Química; Argentin

Rapid Bacteria Detection at Low Concentrations Using Sequential Immunomagnetic Separation and Paper-Based Isotachophoresis

Detecting bacteria is important in the fields of human health, environmental monitoring, and food safety. Foodborne pathogens alone are estimated to cause 420 »000 deaths annually, with low-income regions affected most. Despite improvements in bacterial detection, fast, disposable, low-cost, sensitive, and user-friendly methods are still needed. Traditional methods for detecting bacteria rely primarily on cell culturing or polymerase chain reaction (PCR), which require highly trained personnel and a central laboratory and take several hours or even days to deliver results. Low-cost methods like lateral flow immunoassays exist but frequently suffer from poor sensitivity and/or lack quantitative results. Here, a rapid method for detecting bacteria at very low concentrations is presented using two sequential preconcentration steps. In the first preconcentration step, the sample is mixed with antibody-modified magnetic particles and free antibodies conjugated to β-galactosidase (β-gal). The target bacteria are isolated and concentrated using immunomagnetic separation. The isolated bacteria are then incubated with chlorophenol red-β-d-galactopyranoside (CPRG), which reacts with β-gal to produce chlorophenol red (CPR) in a bacteria concentration-dependent manner. In the second step, CPR and CPRG are separated and focused using an isotachophoretic microfluidic paper-based analytical device, significantly improving the final detection limit relative to paper-based devices lacking the focusing mechanism. Moreover, CPR and CPRG form two visible color bands that act as test and control bands, respectively, improving assay robustness. The method was tested with E. coli DH5-α and successfully detected concentrations as low as 9.2 CFU/mL in laboratory samples and 920 CFU/mL in apple juice samples in ∼90 min.Fil: Schaumburg, Federico. Consejo Nacional de Investigaciones Científicas y Técnicas. Centro Científico Tecnológico Conicet - Santa Fe. Instituto de Desarrollo Tecnológico para la Industria Química. Universidad Nacional del Litoral. Instituto de Desarrollo Tecnológico para la Industria Química; ArgentinaFil: Carrell, Cody S.. State University of Colorado - Fort Collins; Estados UnidosFil: Henry, Charles S.. State University of Colorado - Fort Collins; Estados Unido

Open-source toolbox for electromigrative separations

We present a novel simulation toolbox for electromigrative problems. The formulation presented includes all the fields, interaction and effects that configure both electrokinetic and electroosmotic phenomena for studying capillary and chip electromigrative separation methods. This simulation toolbox was developed by using the Finite Volume Method (FVM) in the platform OpenFOAM®. This implementation defines a new scenario for numerical simulations of electromigrative separations in terms of four main novel and outstanding characteristics offered by OpenFOAM®: (i) native 3D support, (ii) electroosmotic fluid flow solution by using Navier?Stokes equation, (iii) automatic parallel and supercomputing support, and (iv) GNU-GPL license. In this way, we put into consideration of the electromigrative separation community, for the first time, a simulation tool for a wide range of experimental methods such as capillary zone electrophoresis, isotachophoresis, and isoelectric focusing, among others. After presenting the main characteristics of the implementation, different validation and application examples are provided in order to illustrate the capabilities and potentialities of the library, but also trying to motivate a discussion about its future. Program summary: Program title: electroMicroTransport Program Files doi: http://dx.doi.org/10.17632/9wpvypzj9y.1 Licensing provisions: GNU General Public License v3 External routines: OpenFOAM®v17.12, v18.06 Nature of problem: 3D multiphysics problems involving fluid dynamic and electromigrative phenomena in capillaries and microfluidic chips. Solution method: Navier?Stokes, charge conservation and transport equations solved via the Finite Volume Method running in shared and distributed memory parallel platforms.Fil: Damián, Santiago Márquez. Consejo Nacional de Investigaciones Científicas y Técnicas. Centro Científico Tecnológico Conicet - Santa Fe. Centro de Investigaciones en Métodos Computacionales. Universidad Nacional del Litoral. Centro de Investigaciones en Métodos Computacionales; ArgentinaFil: Schaumburg, Federico. Consejo Nacional de Investigaciones Científicas y Técnicas. Centro Científico Tecnológico Conicet - Santa Fe. Instituto de Desarrollo Tecnológico para la Industria Química. Universidad Nacional del Litoral. Instituto de Desarrollo Tecnológico para la Industria Química; ArgentinaFil: Kler, Pablo Alejandro. Consejo Nacional de Investigaciones Científicas y Técnicas. Centro Científico Tecnológico Conicet - Santa Fe. Centro de Investigaciones en Métodos Computacionales. Universidad Nacional del Litoral. Centro de Investigaciones en Métodos Computacionales; Argentin