En esta revisión, exploramos dos de los diseños más utilizados para la generación de gotas: unión en T y enfoque de flujo. En primer lugar, analizamos cómo es posible predecir el tamaño de las gotas en microfluídica. A continuación, presentamos los resultados obtenidos para dos chips con dos aceites fluorados comunes, basados en el uso de un sistema de control de presión y de los dispositivos microfluídicos ofrecidos en Darwin Microfluidics.
Material
Para llevar a cabo nuestra caracterización, optamos por utilizar un controlador de presión y dos tipos de chips: un chip de PDMS con una geometría de enfoque de flujo (flow focusing) y un chip de policarbonato que integra diferentes diseños de unión en T (T-junction) (véase la figura 1).
Estos experimentos nos permitieron evaluar el tamaño de las gotas según las diferentes geometrías de los sistemas de generación de gotas, así como según el tipo de aceite utilizado (FluoDrop 40 y FluoDrop 7500 (con un 2% de FluoSurf), que son los aceites fluorados más utilizados comúnmente en microfluídica).
¿Cómo predecir el tamaño de las gotas?
El paso necesario en todos los dispositivos basados en gotas es la formación de estas. Un generador de gotas debe ofrecer un rendimiento específico para la aplicación que incluya un tamaño de gota y una frecuencia de generación determinados, produciendo al mismo tiempo gotas monodispersas. El rendimiento deseado suele alcanzarse mediante varias iteraciones de diseño que resultan ineficientes en términos de costes y tiempo.
Para facilitar esta etapa de generación de gotas, se han llevado a cabo diversos estudios con el fin de predecir el tamaño de las gotas en función de la geometría del generador y de la viscosidad de la fase continua utilizada.
Por ejemplo, Prileszky y colaboradores demuestran que el tamaño de las gotas producidas en una unión en T se distribuye según una ley gamma (véase la figura 2), lo que aporta una perspectiva adicional sobre la física del proceso de ruptura y las propiedades de las emulsiones generadas en microfluídica. Muestran que el tamaño de las gotas producidas en una unión en T se distribuye mediante radiación gamma, lo que permite comprender mejor la física del proceso de ruptura y las propiedades de las emulsiones generadas en microfluídica. El conocimiento de la distribución de probabilidad subyacente permite controlar el tamaño de las gotas fabricadas con materiales viscosos. Comprender cómo afecta la viscosidad de la fase dispersa al tamaño de las gotas es esencial para crear gotas con la geometría y las propiedades correctas [Prileszky et al. 2016 AIChE Journal].
La distribución gamma parece ser el modelo que mejor se ajusta, superando incluso a la distribución log-normal, que se utiliza más habitualmente. Esto queda demostrado por la gran disparidad entre los estadísticos de Anderson-Darling (esta prueba mide la distancia entre una distribución hipotética y el modelo empírico en toda la función de distribución acumulativa (cdf) de la distribución hipotética) y los valores p asociados obtenidos a partir de los gráficos de probabilidad representativos.
El desarrollo de una descripción probabilística de un proceso físico conduce a la correlación de las mediciones con los parámetros físicos. Sin comprender la forma de la distribución de una variable aleatoria, el ruido sistemático en los datos experimentales se traduce directamente en errores sistemáticos en una correlación propuesta. Sin embargo, filtrar el ruido comparando una distribución experimental con una distribución teórica permite estimar mejor la media de la distribución real, minimizando la propagación del error a través de análisis de regresión. En consecuencia, identificar la distribución gamma como representativa de la variabilidad en el tamaño de las gotas formadas en una unión en T permite una correlación más precisa del tamaño de gota con la viscosidad y el caudal de la fase dispersa [Prileszky et al. 2016 AIChE Journal].
Otra técnica para predecir el tamaño de las gotas es la simulación numérica mediante el software COMSOL. En este ejemplo, se investiga el proceso de formación de gotas en un dispositivo microfluídico de enfoque de flujo. Se obtuvieron varios hallazgos: se demostró que la precisión de la solución numérica aumenta con el caudal de agua. De hecho, el error medio disminuyó del 14,6 al 6,96 % al aumentar el caudal de agua de 0,3 a 0,6 µL/min. A continuación, se estudió la variación del radio de la gota en función de la relación de caudales y del número de capilares. Se demostró que estos dos parámetros eran los principales factores que afectaban al tamaño de las gotas, por encima de los caudales de agua y aceite. Por último, se evidenció que el número capilar es más determinante a la hora de definir el radio de la gota en comparación con la relación de caudales [Lashkaripour et al. 2015 JAMECH].
Caracterización del tamaño de gota para dos chips estándar (enfoque de flujo y unión en T)
Para llevar a cabo esta caracterización, hemos decidido evaluar el tamaño de las gotas generadas mediante enfoque de flujo y unión en T con 2 aceites fluorados ampliamente utilizados en microfluídica. En la siguiente tabla se pueden consultar los resultados obtenidos.
| Geometría del generador de gotas | Tamaño de gota (µm) con aceite FluoDrop 40* | Tamaño de gota (µm) con aceite FluoDrop 7500* |
| Enfoque de flujo (DG-DM1-45) | 20 → 79 | 21 → 93 |
| Unión en T (CS-10000176) diseño 1 | 98 → 312 | 60 → 494 |
| Unión en T (CS-10000176) diseño 2 | 18 → 70,002 | 12 → 70 |
| Unión en T (CS-10000176) diseño 3 | 11 → 79 | 22 → 78 |
| Unión en T (CS-10000176) diseño 4 | 94 → 484 | 96 → 387 |
| Unión en T (CS-10000176) diseño 5 | 270 → 876 | 345 → 700 |
*La viscosidad del HFE es de 0,77 cSt y la del FC40 es de 2,2 cSt
Según la publicación de Nekouei y Vanapalli (2017), la interpretación de estos resultados muestra que cuanto mayor es la viscosidad de la fase continua, menor es el tamaño de las gotas generadas.
