El control de flujo microfluídico es un componente de suma importancia en el desarrollo y funcionamiento de cualquier dispositivo microfluídico. Permite la manipulación y administración precisa de pequeños volúmenes de líquido, lo que posibilita una amplia gama de aplicaciones en la investigación farmacológica, sistemas lab-on-a-chip, diagnósticos en el punto de atención (point-of-care), entre otras. En esta entrada del blog, abordaremos dos de las principales formas de controlar el flujo microfluídico: métodos populares y ampliamente utilizados como las bombas peristálticas, los controladores de presión y las bombas de jeringa; así como las bombas en miniatura, que se utilizan cada vez más en microfluídica.
Los métodos más utilizados para el control de flujo microfluídico
1- Control de flujo con bomba de jeringa o bomba volumétrica en microfluídica
Las bombas de jeringa son uno de los métodos más habituales para controlar los flujos microfluídicos. Estas bombas versátiles y fiables se basan en un sistema mecánico, accionado normalmente por un motor eléctrico, que empuja el émbolo de una jeringa a una velocidad fija.
Al incorporar un motor paso a paso y un émbolo, son capaces tanto de infundir mediante empuje como de extraer mediante tracción, lo que las convierte en una herramienta muy valiosa en el laboratorio. Dependiendo de la aplicación, las bombas de jeringa se pueden diseñar para alojar una gran cantidad de jeringas.
Estos dispositivos son capaces de operar con tasas de flujo volumétrico sumamente exactas y precisas, que van desde mililitros hasta picolitros. Gracias a su flexibilidad y precisión, las bombas de jeringa pueden constituir un gran recurso en cualquier entorno de laboratorio.
Por otro lado, pueden presentar tiempos de respuesta lentos y fallar debido a presiones excesivas o a la obstrucción de canales o tube. Además, su volumen de dispensación está limitado por el tamaño de la bomba de jeringa, lo que dificulta su uso en experimentos de larga duración.
La mayor ventaja de las bombas de jeringa es su facilidad de uso. Incluso con poca experiencia, se pueden configurar y poner a bombear fluido en cuestión de minutos. Con las bombas de jeringa programables, los usuarios pueden ir más allá de las simples operaciones de infusión y extracción para crear métodos de bombeo personalizados que consten de perfiles de flujo simples o complejos, añadiendo aún más versatilidad a un método de control de flujo ya contrastado.
En general, las bombas de jeringa son excelentes herramientas para controlar los flujos microfluídicos, pero deben utilizarse con precaución y con un conocimiento exhaustivo de sus puntos fuertes y débiles. También se pueden considerar otros métodos, como el control volumétrico, cuando se busca controlar con precisión los flujos microfluídicos.
💪 Puntos fuertes
- Configuración rápida y sencilla para experimentos microfluídicos.
- Precisión de hasta el 0,25 % con bombas de jeringa prácticamente sin pulsaciones
- Permite al usuario definir el volumen total de fluido utilizado en un experimento.
- Se pueden generar presiones elevadas de varios cientos de bar con bombas de jeringa.
- El caudal medio permanece constante incluso con resistencia microfluídica variable en un experimento (a menos que la bomba se detenga debido a presiones excesivas).
😢 Desventajas
- Los tiempos de respuesta del caudal pueden ser de varios segundos dependiendo de la resistencia microfluídica.
- El caudal al cambiar de un valor a otro no se puede determinar sin sensores de caudal.
- Una resistencia microfluídica excesiva (como la obstrucción de canales o de un tube) puede provocar una acumulación de presión y el eventual fallo de la bomba de jeringa.
- El volumen de dispensación de fluido está limitado por el volumen de la jeringa, lo que dificulta los experimentos de larga duración.
💡 Algunos consejos para utilizar una bomba de jeringa o una bomba volumétrica
Las bombas de jeringa son una herramienta inestimable en muchos laboratorios de investigación y, con el cuidado y mantenimiento adecuados, pueden proporcionar años de servicio fiable. Si sigue estos consejos, se asegurará de que su bomba de jeringa siga siendo una parte fiable de su equipo de laboratorio durante muchos años.- Antes de utilizar una bomba de jeringa, compruebe siempre que sea compatible con el tipo de fluido que va a utilizar y que todas las conexiones estén debidamente aseguradas.
- Su bomba de jeringa debe calibrarse periódicamente para garantizar un control preciso del caudal y del volumen de los fluidos. Esto se puede hacer verificando que las lecturas en la pantalla de la bomba coincidan con una medición tomada con una probeta graduada u otro dispositivo de medición de referencia.
- Asegúrese de utilizar el tamaño de jeringa correcto para la bomba y de que el émbolo esté libre de obstrucciones.
- Después de su experimento, asegúrese de desconectar correctamente todas las conexiones y guárdelas en un lugar seguro.
2- Control de caudal con una bomba peristáltica o una bomba de manguera en microfluídica
Las bombas peristálticas son un tipo de bomba versátil, eficiente y fiable que ofrece un control preciso del caudal. Mediante el uso de un tube flexible dentro del cabezal de la bomba, se aplica presión al líquido que contiene, lo que hace que sea impulsado a lo largo del tube y controle su velocidad. Esto hace que las bombas peristálticas sean ideales para aplicaciones como la dispensación, la dosificación y la transferencia de pequeños volúmenes de líquido. Puede consultar nuestra Guía Completa para comprender mejor estos conceptos.
Las bombas peristálticas son una solución ideal para experimentos a largo plazo, ya que pueden hacer circular fluidos de forma continua sin contacto alguno entre el mecanismo de bombeo y el medio que se bombea. Esto resulta especialmente beneficioso en aplicaciones en las que hay implicados medios peligrosos o contaminantes, ya que elimina el riesgo de cualquier contacto.
Aunque esta tecnología tiene numerosas ventajas, también presenta inconvenientes. Es importante tener en cuenta los puntos fuertes y débiles de las bombas peristálticas a la hora de tomar una decisión.
💪 Puntos fuertes
- Fácil configuración.
- La circulación continua de fluido permite un volumen de dispensación infinito.
- La recirculación de la misma muestra es posible (en un sistema de bucle cerrado).
- Pueden funcionar de forma independiente en paralelo.
- Bien adaptado al bombeo de fluidos de alta viscosidad.
😢Desventajas
- Elevadas oscilaciones en el caudal.
- Se producen vibraciones y ruido significativos.
- Los tube deben reemplazarse ocasionalmente.
- Las bombas peristálticas no pueden alcanzar caudales muy bajos (inferiores a 1 µL/min).
- Por lo general, son menos precisas que las bombas de jeringa y los controladores de presión.
💡 Algunos consejos para utilizar una bomba peristáltica
- Antes de encender el equipo, asegúrese de que todo esté conectado de forma segura.
- Utilice el tamaño de tube adecuado para su aplicación. El diámetro interior de su tube influirá en el caudal que pueda alcanzar.
- Inspeccione su tube regularmente en busca de signos de desgaste o daños. Reemplace los tube desgastados para evitar fugas
3- Control de flujo con un controlador de presión en microfluídica
Las tecnologías de control de flujo microfluídico se utilizan a menudo para desplazar pequeños volúmenes de fluidos de manera precisa y eficiente. La presión es una de las principales herramientas empleadas para controlar el flujo microfluídico, y existen varias formas de utilizarla.
La forma más sencilla es utilizar presión hidrostática, que consiste en colocar el depósito de entrada a una altura superior al de salida para permitir que la gravedad impulse el fluido desde la entrada hasta la salida, como si de una torre de agua se tratara. Otra opción es utilizar controladores de presión, los cuales presurizan los depósitos de muestras para regular la caída de presión entre la entrada y la salida del sistema microfluídico.
Los controladores de presión ofrecen tiempos de estabilización de 40 ms y una estabilidad del 0,1 % CV en los valores medidos.
Cuando se aplica presión a los fluidos en un recipiente cerrado provisto de una salida, el fluido se desplazará debido al diferencial de presión siguiendo la ecuación: ΔP = Q x R (siendo Q = caudal; ΔP = diferencia de presión; y R = resistencia al flujo). Esto significa que el flujo resultante depende de la presión aplicada y de la resistencia del sistema. Por lo tanto, la resistencia cobra especial importancia, ya que depende tanto de la viscosidad del fluido utilizado como de la geometría de los canales. Este es un parámetro que apenas se tiene en cuenta al utilizar, por ejemplo, una bomba de jeringa.
No obstante, las bombas de presión presentan ciertos inconvenientes, como la limitación de 8 bares y la posibilidad de que se produzca un reflujo debido a los conmutadores de flujo con múltiples puntos de entrada.
💪 Puntos fuertes
- El flujo pressure driven garantiza un flujo sin pulsaciones.
- Se pueden utilizar grandes volúmenes de muestra de hasta varios litros.
- Tiempo de respuesta rápido de ~40 ms (para el OB1 de Elveflow).
- Permite controlar fluidos en canales sin salida (dead-end) sin riesgo de fallo del sistema.
- El control del caudal se puede lograr fácilmente mediante la retroalimentación de un sensor de flujo.
- Está bien adaptado para el bombeo de fluidos de alta viscosidad.
😢 Desventajas
- No es posible alcanzar presiones elevadas (superiores a ~8 bar) con los controladores de presión.
- Los desequilibrios de presión pueden provocar reflujos en el sistema. Para contrarrestarlo, se puede emplear un control de presión riguroso o válvulas.
- Coste elevado en comparación con otros métodos de control de flujo.
- La recirculación de la misma muestra es imposible empleando únicamente un controlador de presión.
- El volumen de dispensación de fluido está limitado por la capacidad de los depósitos, lo que complica los experimentos a largo plazo.
💡 Algunos consejos para utilizar un controlador de presión
- Equipe su configuración con un Microfluidic Backflow Blocker para evitar flujos inversos en su controlador de presión.
- Combine su controlador de presión con un sensor de flujo para crear un bucle de retroalimentación y ajustar fácilmente la presión hasta alcanzar el caudal deseado.
- No utilice reservorios sobredimensionados en su experimento.
- Utilice un reservorio específico si planea utilizar alta presión en su configuración.
Bombas en miniatura: un método cada vez más popular para el control de flujo en microfluídica.
El creciente interés en las bombas en miniatura se debe a las ventajas que ofrecen en microfluídica. Las bombas en miniatura son significativamente más pequeñas que las bombas tradicionales, lo que permite diseños más compactos que pueden adaptarse a espacios más reducidos. También pueden ofrecer una mayor precisión al dosificar y controlar pequeños volúmenes de fluidos, así como menores costes de fabricación. Esto las hace ideales para su uso en aplicaciones de investigación e industriales. Además, el control mejorado de pequeños volúmenes de fluidos permite realizar procesos y protocolos microfluídicos avanzados con mayor precisión. Esto subraya la importancia de las bombas en miniatura para la investigación microfluídica actual y futura.
Por estas razones, las micropompas están destinadas a desempeñar un papel cada vez más importante en la microfluídica en los próximos años.
1- Control de flujo con una bomba piezoeléctrica en microfluídica
La Piezoelectric Pump es una micropompa de membrana notablemente delgada, compacta y ligera, diseñada pensando en aplicaciones integradas que optimizan el espacio. Es una bomba increíblemente práctica para quienes tienen limitaciones de espacio sin sacrificar la potencia de bombeo. Con su diseño único, es capaz de proporcionar una solución de bombeo eficiente y eficaz.
El principio de funcionamiento de las micropompas piezoeléctricas se basa en la combinación de un diafragma piezoeléctrico y válvulas de retención pasivas.
Al aplicar un voltaje a la cerámica piezoeléctrica montada en una membrana de latón recubierta, se deforma el diafragma y se genera una carrera descendente. Esto a su vez desplaza el medio fuera de la cámara de bombeo inferior. Las válvulas de retención a cada lado de la cámara ayudan a dirigir y controlar la dirección del flujo.
💪 Puntos fuertes
- Rentable.
- Respuesta dinámica rápida.
- Alta fiabilidad.
- Funciona con reservorios abiertos, como una bomba peristáltica
- Peso ligero.
😢 Desventajas
- Baja contrapresión admisible (+/- 600 mbar).
- Limitado por la viscosidad del fluido.
- Debe utilizarse con un sensor de caudal externo.
- Baja compatibilidad química con disolventes orgánicos.
- El flujo no está tan libre de pulsaciones como con una bomba de jeringa o un controlador de presión.
💡 Algunos consejos para utilizar una bomba piezoeléctrica
- Asegúrese de que el depósito de fluido esté lleno hasta los niveles recomendados antes de poner en marcha la bomba. Esto ayuda a garantizar un funcionamiento fluido y a prevenir la aparición de cavitación.
- Asegúrese de que la entrada y la salida no estén bloqueadas. La acumulación de presión puede dañar la bomba. Para mayor seguridad, puede utilizar un sensor de presión para bombas Bartels para monitorizar la presión.
- Utilice un amortiguador para reducir la pulsatilidad del caudal.
- Puede utilizar un sensor de caudal para monitorizar su caudal.
2- Control de caudal con una bomba microanular de engranajes en microfluídica
Una bomba microanular, también conocida como bomba de gerotor o trocoidal, es un tipo de bomba de engranajes internos que consta de un engranaje interior y otro exterior ensamblados de forma excéntrica dentro de la carcasa de la bomba. Cuando el engranaje interior gira, arrastra al engranaje exterior en la misma dirección. Las pequeñas diferencias entre el número de dientes de cada engranaje y sus centros hacen que el volumen de los espacios entre ellos varíe en cada ciclo. Gracias a las estrictas tolerancias entre los engranajes, esto permite que la bomba genere una fuerza de succión en la entrada y evita fugas de líquido en el lado de descarga.
El gran atractivo de las bombas microanulares reside en su pequeño tamaño y su diseño compacto. Esto, sumado a su caudal ajustable dependiente directamente de la velocidad de rotación de los engranajes, las convierte en la opción ideal para la dosificación de alta precisión. Además, la rotación incremental de los engranajes facilita el control del volumen de líquido dispensado.
💪 Puntos fuertes
- Dispositivos altamente compactos y sencillos, ideales para aplicaciones que requieran una dosificación o medición de líquidos precisa.
- Depósitos abiertos: recirculación sencilla
- Baja pulsatilidad (comparable a una bomba de jeringa)
😢 Desventajas
- No permite alcanzar caudales inferiores a unos pocos µL/min.
- Deben tenerse en cuenta numerosos parámetros para garantizar que se adapte a sus necesidades.
- Las bombas microanulares presentan tolerancias muy ajustadas, lo que las hace vulnerables al desgaste provocado por líquidos abrasivos y partículas sólidas. Será necesario filtrar la solución antes de utilizarla.
- Esto no resulta adecuado para medios con células o partículas.
💡 Algunos consejos para el uso de una bomba de engranajes microanular
- Asegúrese de mantener limpios los puertos de entrada y salida de la bomba de engranajes para garantizar un flujo correcto. La presión puede acumularse fácilmente y dañar la bomba.
- 1 Siempre filtre sus líquidos para evitar cualquier daño en los engranajes.
- Asegúrese de que su solución sea compatible con el rotor de la bomba de engranajes.
- Asegúrese de que la bomba esté situada por encima del circuito aguas abajo o utilice una válvula antirretorno para evitar cualquier flujo inverso. O utilice una válvula antirretorno.
