VROC® (Viscometer-Rheometer-on-a-Chip) combina tecnologías microfluídicas y MEMS (sistemas microelectromecánicos) para medir la viscosidad dinámica en un amplio rango dinámico de operación. En comparación con los viscosímetros y reómetros convencionales, los dispositivos microfluídicos de RheoSense ofrecen varias ventajas porque requieren sólo unos pocos microlitros por medición, permiten la caracterización de fluidos newtonianos y no newtonianos, posibilitan velocidades de alto cizallamiento sin inestabilidades de flujo, previenen la evaporación y contaminación de las muestras, proporcionan un alto rendimiento gracias a un diseño de flujo simple y otorgan mediciones de viscosidad más precisas.

Los viscosímetros con alimentación VROC® permiten una caracterización completa de la viscosidad en función de la velocidad de corte o la temperatura. Al mismo tiempo, ofrecen una alternativa rentable para la caracterización exhaustiva de la viscosidad completa frente a los estragos dinámicos amplios que son esenciales en la producción de líquidos complejos (es decir, no newtonianos). Además, VROC® cuantifica la viscosidad verdadera de los fluidos, a diferencia de la mayoría de los viscosímetros convencionales que solo se aproximan a las propiedades aparentes del material.

Los dispositivos microfluídicos ofrecen un control preciso de las características de flujo y reducen el volumen requerido para las mediciones. Además, los dispositivos microfluídicos permiten una medición de alto rendimiento y versatilidad para reducir los costos.

El dispositivo MEMS integra elementos mecánicos, sensores, actuadores y componentes electrónicos en un sustrato de silicio común, utilizando tecnología de micro-fabricación para permitir una muy alta precisión y una escala muy pequeña.

La combinación de microfluídicos y tecnologías MEMS, ha permitido a RheoSense redefinir la viscometría y desarrollar viscosímetros de micro litros más pequeños, inteligentes y rápidos, que pueden medir la viscosidad de los fluidos en una amplia gama de condiciones. Como resultado, la tecnología VROC® ofrece capacidades mucho más allá de los límites de los viscosímetros convencionales.

 

Principio de funcionamiento de los viscosímetros accionados por VROC®

Una celda VROC® lee la viscosidad al medir la caída de presión cuando un líquido de prueba fluye a través de su canal de microfluidos de ranura rectangular. Basado en el flujo de Hagen-Poiseuille,  una aplicación bien conocida de los principios de reometría (K. Walters, Rheometry, Chapman y Hall, Londres, 1975), que también figura en la lista de la Farmacopea de EE. UU.

 

 

A medida que el líquido de prueba se ve obligado a fluir a través del canal de flujo, el conjunto de sensores de presión mide la presión en función de la posición. La Figura 2 muestra un ejemplo de los datos de medición sin procesar para dos muestras de glicerol. Un mayor contenido de glicerol daría como resultado una mayor viscosidad y una mayor caída de presión a través del microcanal (cuadrados negros). Por otro lado, una menor concentración dará como resultado una viscosidad más baja y, por lo tanto, una menor caída de presión (cuadrados rojos).

La pendiente del gráfico de presión / posición indica la viscosidad

 

A continuación, podrá verificar la versatilidad del método VROC en las siguientes notas de aplicación que presentamos.

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La importancia de la determinación de la viscosidad del chocolate y otros alimentos

Rheosense: simple y preciso

 

La viscosidad en productos comestibles es un factor crítico en el desarrollo y comprensión de los procesos de manufactura, pero también, como parámetro de calidad para establecer por ej. su textura en la boca. La viscosidad determina así como otros factores, cuanta energía será necesaria para bombear estos productos y la textura experimentada por el consumidor. La sensación en la boca puede ser importante para diferenciarse de otros productos por su sabor.

En este artículo resumimos los resultados de algunos alimentos más comunes los cuales hemos analizado utilizando el sistema VROC en los últimos años.

 

Materiales de Ensayo & Aplicaciones

En el estudio presentamos las mediciones de viscosidad de seis tipos diferentes de muestras que pueden encontrarse en cualquier supermercado o inclusive en el hogar, como por ejemplo:

• Jarabes de Chocolate y frutilla ( HERSEY’S®). Los jarabes saben deliciosos gracias al contenido de gran cantidad de azúcar, por cuanto podríamos esperar alta viscosidad para ambas muestras.
• Jugos de naranja y ananá (Tropicana y Nestle®). El jugo de naranja contenía una gran cantidad de pulpa por cuanto las muestras utilizadas en este ensayo se filtraron por un filtro de 75 µm antes de introducirlo en los chips del VROC®.
• Nesquik y coffee-mate (Nestle®). La gente adora este tipo de producto por lo que decidimos ensayarlos también.

 

Beneficios de las soluciones del VROC®

Características destacables:

• Precisón: 2% de la lectura.
• Repetibilidad: 5% de la lectura.
• Pequeña cantidad de muestra.
• Rango de viscosidad: 0.2 – 100,000 mPa-s.
• Rango de velocidad de corte: 0.5 – 1,400,000 1/s
• Control de temperatura: 4–70°C

 

VROC® Technology Principio de Operación

El Viscosímetro RheoSense’s (Rheometer-on-a-Chip (VROC®) combina un canal microfluídico con un sensor de estado sólido MEMS de presión para medir la viscosidad. A medida de que el fluido fluye por el canal, el sensor determina la caída de presión, que es proporcional al esfuerzo de corte en la pared. La velocidad de cizallamiento es calculada a partir del caudal y las dimensiones del canal. La viscosidad del fluido ensayado se obtiene de la relación entre el esfuerzo de corte y la velocidad de corte.

 

 

Protocolo del ensayo:

Tanto las plataformas del microVISC™ como el m-VROC® fueron utilizadas para los ensayos en este reporte:

Carga: Las muestras se cargaron en una jeringa / pipeta e insertada en el sistema de bombeo.

Medición: El software RheoSense’s es muy amigable y realiza las mediciones de viscosidad en función de la velocidad de Cizallamiento y/o temperatura.

Limpieza: La limpieza apropiada de la jeringa/pipeta es realizada con solventes atraves del canal de flujo entre muestra y muestra y luego del ensayo.

 

Dependencia de la velocidad de cizallamiento.

Muchos comestibles presentan un comportamiento no newtoniano. De hecho, hemos observado adelgazamiento por esfuerzo (disminución de la viscosidad ante el incremento de la velocidad de Cizalla) en todas las muestras.

En la Figura 1 donde la única excepción es el coffee-mate. Estos resultados demuestran cuán importante es caracterizar apropiadamente el comportamiento reológico de los alimentos debido a que la velocidad de cizallamiento, un factor relevante en el proceso de manufactura es a menudo muy superior a la velocidad de cizalla ejercida comiendo o bebiendo.

 

Dependencia de la temperatura

Adicionalmente la viscosidad de estos fluidos complejos, tienen una gran dependencia de la temperatura. Una de las características principales del sistema VROC® es la capacidad de ejecutar barridos automáticos de temperatura. Esta función resulta ideal no solo para estudiar la vicosidad en función de la temperatura, sino también para saber como afecta el reciclado termal la degradación de estos alimentos de consumo. En la Figura 2 (a), presentamos la viscosidad en función de la velocidad de cizallamiento a diferentes temperaturas, para ambos productos, Nesquik y Coffee-mate. En la Figura 2 (b), presentamos la viscosidad del Nesquik durante un ciclo térmico entre 4 y 40°C. Notese que la viscosidad de esta muestra es significativamente superior en condiciones de almacenamiento (4°C) que durante el “uso” a temperatura corporal (37°C).

 

Resumen

En esta nota técnica hemos demostrado la idoneidad del VROC® para caracterización del comportamiento reológico de fluidos alimentarios en un amplio rango de velocidades de cizllamiento y temperaturas. Nuestra tecnología es ideal para este tipo de aplicación, gracias al amplio rango dinámico y capacidad de control sobre la temperatura.

 

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Estudio de la estabilidad de una formulación de proteína sin necesidad de dilución con el VROC® ¿Puede estudiarse la estabilidad de una formulación de proteína sin necesidad de diluirla?

 

Aplicación:

La estabilidad de una proteína es extremadamente importante en la formulación de medicamentos de proteínas.

La vida útil y la eficacia dependen de la estabilidad de la proteína; dependiendo del medio ambiente, las proteínas pueden desenvolverse o agregarse. La mayoría de los instrumentos utilizados para analizar la agregación de son aplicables en rangos de bajas concentraciones, unos pocos mg/ml.

Sin embargo, la eficacia de la droga requiere muy frecuentemente una concentración elevada de proteínas. La medición de la viscosidad con el VROC® permite el estudio de la estabilidad con altos niveles de concentración.

El pequeño volumen requerido por el VROC® permite estudiar la formulación de la proteína en una etapa temprana del desarrollo de la formulación.

La estabilidad de la proteína es esencial para la eficacia de las drogas, y su vida útil. Cuando las proteínas se vuelven inestables, las moléculas se desenvuelven y se agregan. Las proteínas agregadas producen inmune respuestas que causan serios efectos colaterales, lo que implica que la estabilidad de la proteína es un factor importante en la formulación de la droga.

La estabilidad de la proteína depende de la temperatura, pH, concentración y muchos otros factores. Por ej: A medida que la temperatura se incrementa, la proteína se desenvuelve perdiendo las estructuras terciarias y secundarias. A medida que progresa la desenvoltura, las proteínas comienzan a agregarse, lo que podría conducir a su precipitación, y la formación de una estructura de gel.

Diversos instrumentos analíticos se han utilizado para el estudio de agregación o desdoblamiento de proteínas. Por ejemplo para el desenvolvimiento de la proteina las técnicas más utilizadas son light scattering o dicroísmo circular.

Light scattering detecta el cambio en tamaño, mientras que dicroísmo detecta los cambios conformacionales. Estos métodos analíticos requieren para ser precisas de una concentración diluida.

Muy frecuentemente debe diluirse la muestra a ensayar, lo que implica alterar el medio circundante a las moléculas de proteínas. La viscosidad es una propiedad granel y se ha utilizado para detectar cambios de tamaño de moléculas.

El siguiente ensayo fue efectuado para Y- globulina bovina en PBS a 100 mg/ml. Las soluciones fueron incubadas en un baño de agua a diferentes temperaturas: 40oC, 60oC, y 64oC.

Para detectar el cambio en tamaño, el VROC® se utilizó un chip con canal de 50 µm de profundidad. Los resultados se encuentran en el gráfico siguiente.

 

La viscosidad de las soluciones de la y-globulina se midieron en función del tiempo de incubación. La viscosidad permaneció invariable hasta despues de 7 horas de incubación a 40oC. Sin embargo cuando la solución se incubó a 60oC, la viscosidad comenzó a incrementarse dentro de los 40 minutos. Este incremento de la viscosidad sugiere que la proteína se desplegó y más aún, se agregó.

La viscosidad se incremento inmediatamente luego que la solución se incubó a 64oC. La temperatura de fusión de la proteína es aquella en la cual el 50% de esta, esta desenvuelta. La temperatura de fusión es dependiente del tiempo de duración de la incubación.

 

Comportamiento No Newtoniano si la proteína se agrega

Un cambio notable con la extensión de la desnaturalización o agregación es que la viscosidad se vuelve dependiente de la velocidad de cizallamiento – fluidificación por cizalla no newtoniana

Se observó el comportamiento de fluidificación por cizalla de las soluciones de proteínas incubadas durante 100 minutos a 60º. Después de 180 minutos se vuelven obvios estos cambios, podemos observarlos en el gráfico. El comportamiento de fluidificación por cizalla se observa inmediatamente a los 20´ minutos de incubación a los 64º.

 

Conclusión:

1) La desnaturalización o estabilidad de las proteínas dependen de la temperatura y del tiempo. La desnaturalización puede ocurrir inmediatamente o con un retraso dependiendo de la temperatura.

2) Las proteínas agregadas comienzan a mostrar un comportamiento de adelgazamiento por cizalla. La tendencia es lo primero que se reporta.

3) VROC® ha demostrado que un pequeño incremento de la viscosidad debido al despliegue o desnaturalizacion de la proteína puede ser detectado.

4) VROC® es una herramienta útil para investigar la estabilidad de drogas sin la necesidad de diluir la muestra.

 

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Determinación de viscosidad en una solución de gotas oftálmicas

RheoSense, Inc. es líder en microviscosimetría, el revolucionario método microfluídico y VROC® (viscometer-rheometer-on-a-chip) basado en MEMS chips. En esta aplicación, la viscosidad de la solución oftálmica es determinada con un microviscosímetro m-VROC®.

 

Viscosidad de una solución de gotas oftálmicas:

La sequedad en los ojos es un problema crónico para mucha gente, la causa está asociada con la falta de lubricación de la superficie ocular. En esta condición, de falta de lágrimas se produce una irritación por inflamación ocular de los tejidos anteriores (frontales) del ojo. Existen medicamentos para tratar el síndrome de sequedad, los mismos son medicamentos basados en emulsiones acuosas.

La velocidad de corte es un dato importante para las gotas oftálmicas. Los movimientos de los párpados, inducen altas velocidades de corte. Los valores de la velocidad de corte de abrir y cerrar los párpados varían entre 4000 y 20000i 1/s. Determinar la viscosidad de las gotas oftálmicas a alta velocidad de corte es muy importante.

Las geometrías y herramientas de los reómetros convencionales, debido a sus limitaciones en la velocidad de corte, son difíciles de utilizar para estas mediciones.

El instrumento m-VROC® fue diseñado específicamente para lograr mediciones y análisis precisos a alta velocidad de corte, es especialmente recomendado para esta aplicación.

 

Mediciones y resultados:

Para este experimento, se utilizó Liquigel refrigerado, de la marca Allgan, adquirido en la farmacia. Se cargó la jeringa con 1ml del producto y se realizaron dos ensayos diferentes.

En el primer ensayo se midió la viscosidad a un solo punto: la determinación de la viscosidad a un flujo constante. El flujo fue de 100 microlitros por minuto y la viscosidad de 33 cP.

Como estas gotas oftálmicas generalmente disminuyen su viscosidad con el aumento del esfuerzo de corte, la segunda medición se aplicó para determinar la magnitud de disminución de la viscosidad con el incremento del esfuerzo. El rate sweep program (Rate Sweep program of m-VROC®) fue utilizado para esta determinación.

Las velocidades de corte medidas fueron desde 1400 hasta 24000 1/s. La figura 1 debajo muestra que la viscosidad de la gota oftálmica es altamente sensible al aumento paulatino del esfuerzo de corte, lo que indica que la gota de ojos es un líquido no Newtoniano. Con un reómetro convencional, el límite práctico de velocidad de corte es aproximadamente 1000 1/s. A este nivel tan bajo resulta muy difícil predecir el comportamiento de la solución oftálmica.

El m-VROC® ha sido designado específicamente para mediciones en altos valores de velocidad de corte. El instrumento es altamente efectivo para predecir el comportamiento a altos valores de velocidad de corte.

A la fecha de publicar este documento, no se dispone de más datos sobre el comportamiento de gotas oftálmicas a altas velocidades de corte.

 

 

Referencias:

Abhay Joshi, “Microparticulates for Opthalmic Drug Delivery,” Journal of Ocular Pharmacology and Therapeutics. Spring 1994, 10(1):29-45. Doi:10.1089/jop.1994.10.29.

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