ES2256275T3 - Fabricacion extremadamente en paralelo de micromatrices mediante cabezas de impresion por chorro de tinta. - Google Patents

Abstract

Un aparato de impresión que comprende medios para expulsar muestras, capaz de expulsar varias muestras diferentes sin que se mezclen las muestras; caracterizado porque tiene medios para expulsar muestras que comprenden al menos un colector conectado a una pluralidad de cámaras, en el cada cámara está asociada con al menos una boquilla, y medios para introducir muestras en las cámaras a través de las boquillas, en el que el aparato es capaz de expulsar un número de varias muestras diferentes superior al número de colectores.

Description

Fabricación masiva en paralelo de micromatrices mediante cabezales de impresión de chorro de tinta.

Esta invención está relacionada con el uso de impresoras de chorro de tinta para la fabricación de micromatrices biológicas.

Los avances en la ciencia de la biología y de la química están demandando la comprobación de grandes números de muestras en paralelo. Por ejemplo, la secuenciación de los genomas humanos y animales ha creado la necesidad de determinar la función de los genes a través de estudios de expresión. En este campo, en el cribado en la farmacogenómica y en la toxicología, y en muchas otras aplicaciones, existe la necesidad de comprobar un gran número de interacciones entre la sonda y el blanco.

Una tecnología que ha surgido para enfocarse en esta necesidad es la creación de micromatrices, conocida también como micromatriz ADN o biochip, y mediante otras terminologías. Consiste en un substrato sobre el cual se inmoviliza una matriz compacta de muestras biológicas o químicas, conocidas como sondas. La micromatriz se expone a una muestra, conocida como blanco, la cual tiene que ser comprobada con respecto a las sondas. Las interacciones se registran mediante una instrumentación adecuada y procesándose los datos.

Las micromatrices se fabrican en la actualidad mediante dos métodos: las sondas puede ser sintetizadas sobre la matriz, mediante la aplicación de constituyentes de las sondas para su conformación in situ; o bien las sondas pre-sintetizadas pueden ser marcadas en la propia matriz. Esta invención está relacionada con el último método.

La tarea del marcado de una micromatriz consiste en transferir magnitudes extremadamente pequeñas de muchos líquidos diferentes procedentes de depósitos independientes hasta posiciones poco separadas en varias micromatrices. Pueden existir desde algunas decenas de líquidos distintos hasta llegar a cientos de miles de los mismos, suministrados típicamente en múltiples placas de microtitulación de hasta 96, 384 ó 1536 huecos. Algunas de las decenas o cientos de substratos necesitan ser marcadas con cada uno de los líquidos; los volúmenes de marcación típicos son del orden de un nanolitro, y las marcas pueden estar separadas por algunas pocos cientos de micras.

La marcación se consigue en la actualidad con dos formas distintas: en el primer método, las pipetas se sumergen en los huecos para captar las muestras de los líquidos, y a continuación se desplazan sobre un transporte de tres ejes para el contacto con los substratos y depositar las gotas. Pueden utilizarse varias pipetas en paralelo para acelerar el marcado.

Existen inconvenientes en esta tecnología: las pipetas tiene que ser lavadas y secadas antes de captar las muestras de otro conjunto de líquidos. Las pipetas tiene que tocar el substrato, lo cual requiere una alta precisión, lo que conlleva el riesgo de daños, y siendo lento el proceso. El volumen de líquido marcado es más bien grande, no estando bien controlado y no pudiendo ser variado de forma fácil. La configuración de las marcas sobre la micromatriz corresponde a la configuración de los líquidos en las cavidades, conforme las pipetas son llevadas para entrar en contacto con el substrato simultáneamente. Se desperdicia una proporción considerable de cada líquido.

El segundo método de marcado es proyectar el líquido a través del aire sobre el substrato sin contacto. En principio es adecuada eminentemente la tecnología de la impresión por chorro de tinta: produce pequeñas gotitas, de forma muy reproducible, y las posiciona con precisión sobre el substrato. En algunos casos, las gotitas son suficientemente pequeñas que pueden aplicarse múltiples gotas en un punto dado para variar su volumen. La impresión por chorro de tinta es muy rápida, y es totalmente flexible en cuanto al líquido depositado sobre el substrato.

La dificultad principal existente en la tecnología del chorro de tinta s que, aunque algunos cabezales de impresión tienen un gran número de boquillas, están diseñados para imprimir típicamente uno o cuatro colores de tinta. Sus entradas conducen a unos colectores que conectan con muchas cámaras, asociadas cada una con una boquilla. Si el mencionado cabezal de impresión se aplica convencionalmente a la fabricación de micromatrices, la velocidad del proceso estará limitada por el hecho de que solo se gestionará al mismo tiempo uno o cuatro líquidos, y el hecho de que existan tantas boquillas es de poca ayuda. La impresión en sí es muy rápida, y es el proceso de vaciado y de rellenado del cabezal de impresión lo que determinará el tiempo total de fabricación.

Otras dificultades existentes en los cabezales de impresión son: algunos utilizan la ebullición local del líquido para proyectar las gotas, lo cual podría dañar algunas muestras biológicas; otros están construidos a partir de materiales incompatibles con productos químicos que tengan que ser impresos sobre las micromatrices; algunos están diseñados para impresoras de oficinas, y son inadecuados para una integración por terceras partes en los sistemas industriales; y otros están diseñados para el uso industrial, pero requiriendo unos grandes volúmenes de líquido para ser operados.

Por la razón expuesta anteriormente, los cabezales de chorro de tinta estándar no se utilizan en la fabricación micromatrices; en su lugar se utilizan más bien cabezales de impresión adaptados o bien dispositivos similares a los cabezales de impresión. Estos no aprovechan la ventaja de las capacidades de fabricación de las compañías del proceso de chorro de tinta, y no gestionan grandes números de líquidos.

Los ejemplos de dichos dispositivos se encuentran expuestos en los documentos WO98/45205A y US-6083763A.

La presente invención está relacionada con una forma de utilización de los cabezales de chorro de tinta estándar para gestionar un número de distintos líquidos que es mayor que el número de colores para los cuales están diseñados para imprimir, sin que se imprima la mezcla de los líquidos.

De acuerdo con un primer aspecto de la presente invención, se proporciona un aparato de impresión capaz de imprimir varias muestras distintas sin que se mezclen las muestras, según la reivindicación 3.

De acuerdo con un segundo aspecto de la presente invención se proporciona un método de impresión de varias muestras distintas utilizando el aparato del primer aspecto, según la reivindicación 12. Las realizaciones adicionales están definidas en las reivindicaciones dependientes.

Una aplicación que promete comercialmente de la invención es imprimir los líquidos como marcas de un volumen de picolitro a nanolitro sobre un substrato para la producción de micromatrices biológicas o químicas. Una ventaja de los cabezales de chorro de tinta es que pueden imprimir mientras que existe un movimiento relativo entre el cabezal de impresión y el substrato, aumentando así la velocidad de producción.

Se describirá a continuación una realización específica de la invención exclusivamente a modo de ejemplo, con referencia a los dibujos adjuntos en los que:

la figura 1 muestra una vista en sección transversal lateral de un cabezal de impresión de chorro de tinta adecuado;

la figura 2 muestra una vista en sección transversal frontal de un cabezal de impresión de chorro de tinta adecuado; y

la figura 3 muestra los líquidos que están siendo introducidos en el cabezal de impresión desde una placa de microtitulación por los medios de un bloque de conexión.

Con referencia a las figuras 1 y 2, cada boquilla 1 está asociada con una cámara 4 estrecha alargada excavada dentro del componente 3 inferior. La cámara está abierta en la parte posterior dentro de los colectores 5 en comunicación cada uno con múltiples cámaras. Existen típicamente uno o cuatro colectores 5, alimentados cada uno mediante un suministro a través de un filtro 6.

Las gotas son proyectadas cuando las paredes entre las cámaras 4 son reflexionadas, provocando ondas de presión dentro de las cámaras 4. La longitud de las cámaras 4, definidas por cortes en el componente superior 2, determina el tamaño de las gotas expulsadas. Si las cámaras 4 son largas (6 mm en el cabezal de impresión en particular), se expulsarán gotas relativamente grandes (típicamente de 50 picolitros), las cuales son adecuadas para la impresión binaria y también para la producción de micromatrices. Si las cámaras 4 son cortas (1 mm en otro cabezal de impresión), se producirán gotas pequeñas (típicamente de 7 picolitros); por tanto se podrán utilizar múltiples gotas para la impresión de escalas de grises, o bien para la producción de marcas de micromatrices de un tamaño controlable.

En el caso del cabezal de impresión binaria, las cámaras 4 son grandes comparadas con sus dimensiones laterales (típicamente de 75 micras por 390 micras), de forma que el líquido tienda a avanzar a lo largo de las cámaras 4, hacia las boquillas 1 conforme avance la impresión; existe poca tendencia a que el liquido de la parte posterior de la cámara 4 o que entre en la cámara 4 desde el colector 5, para la mezcla con el liquido cerca de la boquilla 1. El recorrido para la difusión para introducir en la cámara 4 el líquido de otra cámara 4, a través del colector 5 de conexión, es largo y desfavorable para la mezcla. En consecuencia, el contenido casi completo de la cámara 4 puede ser impreso sin contaminación por el líquido desde cualquier punto.

Con referencia a la figura 3, una posible realización de la invención incluye un bloque de conexión 10 interpuesto entre el cabezal de impresión 9 y una placa de microtitulación 11 para permitir que múltiples líquidos puedan ser introducidos en el cabezal de impresión a través de las boquillas 1. En una realización preferida, el bloque de conexión 10 incluiría una capa de filtro.

El bloque de conexión 10 tiene una juntas 12 de goma moldeada, las cuales separan las múltiples zonas 13 (típicamente 48 en numero) del cabezal de impresión, conteniendo cada una varias boquillas 1 (típicamente siete, con tres bloqueadas por la junta 12).

Los capilares 14 se proyectan hacia abajo desde las zonas 13 en el interior de las cavidades 15 de la placa de microtitulación. El paso de las cavidades 15 (típicamente de 4,5 mm para una placa de 384 cavidades) es mayor que el de las zonas 13 (típicamente diez veces el paso de 141 micras de las boquillas), de forma que es necesario que existan múltiples filas (típicamente tres) de capilares 14; en la figura 3 solo se muestra una fila.

El cabezal de impresión 9 puede estar lleno inicialmente con un líquido neutro. La succión se aplica en el punto 8 hasta que las muestras hayan sido aspiradas al interior del cabezal de impresión 9, rellenado las cámaras correspondientes. Las boquillas pueden actuar como limitadoras para controlar la velocidad de flujo durante el rellenado. Si las boquillas son de un diámetro pequeño en sus salidas con respecto a la parte interior, podrán evitar la entrada de cualesquiera partículas de suciedad suficientemente grandes que pudieran bloquear posteriormente las boquillas. El bloque de conexión 10 puede estar equipado con un filtro de paso para minimizar la acumulación de partículas de suciedad que pudieran introducirse en el cabezal de impresión 9.

Una realización alternativa podría forzar a la muestra a introducirse en las boquillas 1 desde las cavidades 15. Esto podría realizarse mediante la presurización de las cavidades 1, lo cual puede proporcionarse con tapas de autosellado, de forma que el líquido sea presionado fuera de las mismas hacia el interior de las boquillas 1; alternativamente unas juntas herméticas en la superficie inferior del bloque de conexión podrían aislar las cavidades. El sellado hermético de las cavidades tendría la ventaja de que podrían colocarse varias cavidades diferentes 1 bajo presiones distintas, de forma que podrían presionarse distintas cantidades de la muestra al interior de la boquilla 1; las juntas herméticas podrían también proteger contra la suciedad de la atmósfera para evitar su introducción en el cabezal de impresión. Otra forma en la que las muestras podrían ser forzadas hacia el interior de las boquillas 1 es mediante la colocación en un cartucho precargado que comprenda depósitos equipados con pistones que presionarán las muestras fuera de los depósitos cuando fuera preciso.

Tan pronto como se hayan introducido los líquidos dentro del cabezal de impresión 9, se desprenderá del bloque de conexión 10, se lavará y se desplazará por los medios de un control de movimiento x-y-z hacia las micromatrices a marcar. La cantidad de líquido impreso desde cada boquilla 1 es inferior al volumen de la cámara 4 correspondiente, de forma que la mezcla de líquidos en los colectores 5 no se imprima. La escala de tiempos de la impresión (segundos) no permite la difusión de la contaminación de una cámara 4 con el líquido de otra. En una realización preferida, la fila de boquillas 1 es paralela a la dirección del movimiento relativo durante la impresión, ya que esto permitiría la colocación múltiples gotas en un punto, incrementando así la cantidad de líquido en dicho punto.

Si se controlan bien el rellenado y la impresión, la fracción del líquido absorbido de las cavidades 15 que se desperdicia sería substancialmente inferior a la mitad.

Después del marcado, el cabeza de impresión 9 puede llevarse a una estación de llenado y aspirando un líquido neutro a través de las boquillas. A continuación puede cargarse otro conjunto de líquidos en el cabezal de impresión 9 y ser marcado. El uso de un líquido neutro impide la contaminación del líquido en la cámara 4 mediante los residuos de los líquidos introducidos en la misma. El desplazamiento perfecto del líquido en la cámara 4 por el líquido neutro que entra a través de su boquilla 1 es imposible, de forma que el líquido neutro introducido en cada boquilla 1 deberá ser varias veces el volumen de la cámara 4 asociado con la boquilla 1. Cuando se introduzca el siguiente conjunto de líquidos, se diluirán ligeramente por el líquido neutro presente en cada cámara 4, no obstante la disolución será muy pequeña y consistente.

No se tendrá que secar el cabezal de impresión 9 en ninguna etapa, y el aire nunca entrará al cabezal de impresión 9.

Sólo se precisa de una boquilla 1 para imprimir el líquido en cada zona 13. El hecho de que se cargan varias boquillas 1 con cada líquido significa que los bloqueos ocasionales de las boquillas o bien otros fallos no limitarán la vida útil del cabezal de impresión 9 en el sistema. La comprobación automática de los fallos de las boquillas permitiría que el sistema conmutara a boquillas alternativas
1.

El tiempo necesario para marcar una micromatriz compleja por medios convencionales está dominado por la velocidad del movimiento x-y-z y por la carga del cabezal de impresión. Las impresoras de chorro de tinta son capaces de imprimir mientras que el cabezal de impresión está en movimiento, o bien el substrato se encuentra en movimiento con respecto al cabezal de impresión; y la presente invención permite que el cabezal de impresión sea cargado con múltiples líquidos sin vaciar ni secar el cabezal de impresión. Estas ventajas conducen a una mejora substancial de la velocidad con respecto a sistemas de marcación
mecánica.

Claims (32)

1. Un aparato de impresión que comprende medios para expulsar muestras, capaz de expulsar varias muestras diferentes sin que se mezclen las muestras;

caracterizado porque tiene medios para expulsar muestras que comprenden al menos un colector conectado a una pluralidad de cámaras, en el cada cámara está asociada con al menos una boquilla, y medios para introducir muestras en las cámaras a través de las boquillas, en el que el aparato es capaz de expulsar un número de varias muestras diferentes superior al número de colectores.

2. Un aparato de impresión según la reivindicación 1, en el que la cámara es más larga en la dirección del movimiento de las muestras durante la impresión durante la impresión que en una dirección perpendicular a la dirección del movimiento de las muestras durante la impresión.

3. Un aparato de impresión según lo descrito en cualquiera de las reivindicaciones anteriores, en el que los medios para expulsar las muestras están llenos de fluido al comienzo de la impresión.

4. Un aparato de impresión según la reivindicación 3, en el que el fluido es un líquido.

5. Un aparato de impresión según las reivindicaciones 1 a 3, en el que los medios para expulsar las muestras está lleno de un sólido al comienzo.

6. Un aparato de impresión según la reivindicación 5, en el que el sólido es un sólido débil que tiene propiedades de deformable.

7. Un aparato de impresión de acuerdo con cualquiera de las reivindicaciones anteriores, en el que los medios para expulsar las muestras comprenden además un bloque de conexión fijado a las boquillas.

8. Un aparato de impresión según la reivindicación 7, en el que el bloque de conexión comprende juntas herméticas que actúan contra una placa de boquillas para separar las diferentes muestras.

9. Un aparato de impresión según las reivindicaciones 7 y 8, en el que el bloque de conexión comprende una capa de filtro.

10. Un aparato de impresión según cualquiera de las reivindicaciones anteriores, en el que los medios para expulsar muestras están fijados a medios de desplazamiento, los cuales permiten que las muestras sean llevadas a los medios para expulsar las muestras en un punto y eyectadas en un segundo punto o puntos.

11. Un aparato de impresión según la reivindicación 10, en el que las boquillas en los medios para expulsar muestras se posicionan de forma que sean paralelos al movimiento durante la impresión.

12. Un método de impresión de varias muestras diferentes que utiliza el aparato de impresión descrito en cualquiera de las reivindicaciones anteriores.

13. Un método de impresión de varias muestras diferentes, según se ha descrito en la reivindicación 12, en el que un número de muestras diferentes mayor que el número de colectores es introducido en las cámaras a través de boquillas en los medios para expulsar las muestras.

14. Un método de impresión de varias muestras diferentes, según las reivindicaciones 12 ó 13, en el que el volumen de la muestra impresa desde cada boquilla es inferior al volumen de la cámara asociada con dicha boquilla.

15. Un método de impresión de diferentes muestras, según las reivindicaciones 12 a 14, en el que el volumen de la muestra impresa desde cada boquilla es inferior al volumen de la muestra introducida en la cámara.

16. Un método de impresión de diferentes muestras, según las reivindicaciones 12 a 15, en el que el volumen de la muestra introducida en cada boquilla es mayor que el volumen de la cámara asociada con dicha boquilla.

17. Un método de impresión de diferentes muestras, según las reivindicaciones 12 a 14, en el que la impresión se lleva a cabo dentro de un tiempo posterior a la introducción de diferentes muestras, cuyo tiempo es inferior al tiempo necesario para la difusión para contaminar la muestra en cualquier cámara con la muestra procedente de otra cámara a través del colector que se conecta a las mismas.

18. Un método de impresión de diferentes muestras, según las reivindicaciones 12 a 17, en el que las muestras introducidas a través de boquillas desplazan un fluido inicial contenido en la boquilla hacia y dentro de los colectores.

19. Un método de impresión de diferentes muestras, según las reivindicaciones 12 a 18, en el que las muestras son introducidas en las boquillas a través de la aplicación de succión hacia los colectores.

20. Un método de impresión de diferentes muestras, según las reivindicaciones 12 a 18, en el que las muestras son introducidas en las boquillas mediante la aplicación de presión en las boquillas o en el bloque de conexión.

21. Un método de impresión de diferentes muestras, según la reivindicación 20, en el que se proporcionan depósitos de muestras que se suministran con una junta hermética perforable.

22. Un método de impresión de diferentes muestras, según las reivindicaciones 20 y 21, en el que las cavidades de las muestras son presurizadas cada una de forma independiente.

23. Un método de impresión de diferentes muestras, según las reivindicaciones 20 a 22, en el que los depósitos pueden ser presurizados utilizando pistones.

24. Un método de impresión de diferentes muestras, según las reivindicaciones 12 a 18, en el que las muestras son introducidas en las boquillas mediante la actuación a la inversa de los medios para expulsar las muestras.

25. Un método de impresión de muestras diferentes, según las reivindicaciones 12 a 24, en el que el volumen de cada muestra impresa es una alta proporción del volumen que fue introducido en dicha cámara.

26. Un método de impresión de muestras diferentes, según las reivindicaciones 12 a 25, en el que el volumen total de una muestra dada impresa puede incrementarse por encima del volumen introducido en los medios para expulsar las muestras, mediante:

(a) la introducción de un primer conjunto de muestras e impresión; y

(b) la introducción e impresión de un segundo y subsiguiente conjunto de muestras.

27. Un método de impresión de diferentes muestras, según las reivindicaciones 12 a 26, en el que pueden diferir los sucesivos conjuntos de muestras, de forma que el número de muestras diferentes que pueden imprimirse puede ser incrementado, potencialmente por encima del número de cámaras en los medios para expulsar las muestras.

28. Un método de impresión de diferentes muestras, según la reivindicación 27, en el que entre la impresión de un primer conjunto de muestras y la introducción del siguiente conjunto de muestras, se limpian los medios para expulsar las muestras mediante la introducción de un líquido neutro en los medios para la expulsión de muestras.

29. Un método de impresión de diferentes muestras, según las reivindicaciones 12 a 28, en el que se imprime una alta proporción de las muestras introducidas en el aparato de impresión.

30. Un método de impresión de diferentes muestras, según las reivindicaciones 12 a 29, en el que las muestras son capaces de imprimirse mientras que se encuentran en movimiento los medios para la expulsión de muestras.

31. Un método de impresión de diferentes muestras, según las reivindicaciones 12 a 30, las cuales pueden ser utilizadas para producir micromatrices.

32. Un aparato de impresión según las reivindicaciones 1 a 11, el cual puede ser utilizado para producir micromatrices.