Un enfoque microfluídico muy utilizado para crear emulsiones se basa en la producción de gotitas de un fluido dispersadas en otro fluido inmiscible (principalmente aceites), a frecuencias del orden de una a miles de gotitas por segundo. La microfluídica basada en gotitas aprovecha la interacción entre la tensión interfacial y la fuerza de cizallamiento fluídico para fragmentar fluidos continuos en segmentos de tamaño uniforme dentro de un microcanal. Por este motivo, la viscosidad del aceite puede influir de manera decisiva en varios parámetros, como la emulsión de agua en aceite, y, más concretamente, en cómo se ven afectados el tamaño de las gotas y la tasa de generación de las mismas.
Con la aparición de la microfluídica, el mercado de los aceites destinados a este campo ha crecido considerablemente. El objetivo de esta revisión es clasificar los aceites utilizados en microfluídica según sus diferentes características fisicoquímicas y su influencia en los parámetros de las gotas.
¿Qué es un tensioactivo?
La microfluídica es un proceso que genera miles de gotas por segundo mediante un chip en el que dos fluidos inmiscibles circulan por una red de microcanales, formando una emulsión. Para estabilizar estas gotas, es necesario añadir un tensioactivo. Un tensioactivo es un compuesto anfifílico que reduce la tensión superficial. Se adsorbe de forma natural en las interfaces porque está compuesto por una parte hidrófila y otra hidrófoba. En este contexto, es necesario encontrar aceites compatibles con el tensioactivo y que, a su vez, sean compatibles con el material utilizado (por ejemplo, las células).
Los diferentes tipos de aceites
Por lo general, se han utilizado aceites minerales con las células. Por ejemplo, centrándose en los mecanismos de encapsulación [Chaber M y Viovy JL. 2008 Proc Natl Acad Sci; Um E et al. 2010 Appl Phys Lett], y también como sistema de doble emulsificación bacteriana para realizar cribados con tiempos de incubación de unos pocos minutos y limitados a unas 2 horas [Aharoni et al. 2005 Chem Biol]. Entre los aceites minerales se encuentran los aceites de hidrocarburos. Por lo tanto, su uso se limita a aplicaciones como la PCR, en las que los objetos de interés (los fragmentos de ADN o ARN) no se intercambian entre las gotitas. Los aceites fluorados son los únicos casos en los que se ha demostrado la supervivencia y la proliferación celular tras una incubación prolongada de organismos [Schmitz CHJ et al. 2009 Lab Chip], en la que el intercambio gaseoso resulta crucial. La elección de los aceites fluorados se debe principalmente a dos razones: en primer lugar, resultan atractivos porque la mayoría de los compuestos orgánicos son insolubles en ellos. Los compuestos encapsulados en la gota no deberían sufrir separación de fases y, por lo tanto, permanecen en la gota, lo que resuelve las limitaciones de intercambio de los aceites orgánicos y de silicona. La segunda ventaja de los aceites fluorados es su biocompatibilidad [Baret C. 2012 Lab Chip]. Además, los aceites fluorados son capaces de solubilizar gases, lo cual es fundamental para la viabilidad celular. En menor medida, es posible utilizar aceites de silicona, pero su incompatibilidad con el PDMS hace que su uso en microfluídica siga siendo muy limitado.¿Qué aplicación para cada aceite?
En las siguientes tablas encontrarás los aceites necesarios para cada aplicación y los tensioactivos correspondientes. Estas tablas se han extraído de Baret 2012, Lab Chip.Aceite de silicona
| Tensioactivo | DC200 | PDMS | AR20 |
| Triton X-100 | PCR (mezcla compleja de aceites) | ||
| Ficha de datos de seguridad (en agua) | Emulsificación de aceite en agua | ||
| ABIL EM90 | Evolución dirigida | ||
| Sin tensioactivo | Almacenamiento de compuestos químicos Emulsificación | Medición por efecto Raman |
Aceite de hidrocarburos
| Tensioactivo | Hexadecano | Tetra/octa/dodecano | Aceite mineral | Isopar M | Vegetal / ecológico |
| Luz 80 | Emulsificación Coalescencia División de gotas Inestabilidades interfaciales Manipulación con láser Electrocoalescencia Clasificación de gotas | Emulsificación Patrones de gotitas Acoplamiento químico | Expresión de proteínas. Patrones de gotitas Intercambio molecular Encapsulación celular Reacciones químicas Emulsificación asistida eléctricamente Emulsificación por electrohumectación | Emulsificación Emparejamiento de gotas Electrocoalescencia | |
| Monoleína Ácido oleico | Transmisión de propinas | Bicapas (esqualano) | |||
| Entre 20 y 80 | Tensión superficialdinámica Emulsificación | ||||
| Synperonic PEF C12E8 | Tensión superficial dinámica | Transmisión de propinas | |||
| Ficha de datos de seguridad (FDS) | Tensión superficialdinámica Emulsificación | ||||
| n-butanol | Reología interfacial | ||||
| ABIL EM90 | PCR en gotitas Evolución dirigida | ||||
| Fosfolípido | Bicapa lipídica | ||||
| Sin tensioactivo | Hidrodinámica de las gotas PCR en gotas | Hidrodinámica de las gotas (aceite de girasol) |
Aceite fluorado
| Tensioactivo | PFH/PFC/PFD/PFPH | Aceite portador (Raindance Technologies) | HFE/Novec | FC40 | FC70/FC77 | FC3283 |
| PF-octanol | Reacción cinética Proteína cristalización | microPIV | Cribado de compuestos Clasificación celular | Proteína cristalización | ||
| PF-decanol Ácido PF-TD | PCR en gotitas | Adsorción de proteínas | ||||
| PF-TD OEG | Adsorción de proteínas Chemistrode | |||||
| PFPE- COOH | División de gotas Detección de gotas | Electrocoalescencia | ||||
| PFPE- COONH4 | Células en una gota | Empulsión múltiple | Células en gotitas Hidrodinámica de las gotitas Reacción química | |||
| PFPE-PEG | Células en gota PCR Diagnóstico | Evolución dirigida Picoinyector PCR y diagnóstico ADN amplificación Clasificación de microorganismos Levaduras en gotitas | Células en gotitas Dropspot Coalescencia Gradientes químicos Separación de gotitas Electrocoalescencia | Intercambio molecular Gradientes químicos | ||
| PFPE-DMP | Células en gotitas Coalescencia | Bacterias en las gotículas | ||||
| Cadenas cortas | Tensión superficial y emulsificación | |||||
| Sin tensioactivo | Bacterias/antibióticos | |||||
| FluoSurf | Células en gota PCR Diagnóstico | Generación de gotitas de agua en aceite Encapsulación Perlas de alginato/poliacrilato/agarosa/epoxi Cultivo celular 3D en gotitas PCR y diagnóstico de ADN Análisis unicelular Clasificación celular | Generación de gotitas de agua en aceite Encapsulación Perlas de alginato/poliacrilato/agarosa/epoxi Cultivo celular 3D en gotitas PCR y diagnóstico de ADN Análisis unicelular Clasificación celular |
Compatibilidad entre los aceites y los materiales de las virutas
La elección del aceite en función del material del dispositivo microfluídico es también un parámetro que no debe descuidarse. De hecho, el aceite está en estrecho contacto con las paredes de los canales y una reacción química entre ambos podría resultar crítica para el resultado final esperado (por ejemplo, la formación de gotas de un tamaño preciso). Por lo tanto, el cambio de material del sistema microfluídico también requiere un cambio en el aceite utilizado. De hecho, es imprescindible que el aceite humedezca correctamente las paredes para formar gotas de agua en el aceite y no gotas de aceite en el agua. Por lo tanto, esta breve sección le permitirá elegir el aceite adecuado para los materiales utilizados en la fabricación de sus dispositivos microfluídicos.Aceites fluorados
La opción más sencilla sigue siendo la de los aceites fluorados, ya que son compatibles con la mayoría de los metales, plásticos y elastómeros, siendo el más conocido el FC 40. También son muy recomendables en dispositivos fabricados con teflón/PEEK, especialmente para aplicaciones de nucleación de gotas con el fin de acercarse a una nucleación homogénea [Ildefonso et al. 2013 J. Am. Chem. Soc.]. En este caso, se tratará de utilizar aceite fluorado del tipo FMS.Aceites de silicona
Por supuesto, los aceites de silicona son muy recomendables para los dispositivos microfluídicos fabricados en silicona. Además, son compatibles con el PDMS o con un nuevo material denominado COC (copolímero de olefinas cíclicas).Aceites minerales
En lo que respecta a los aceites minerales, se dispone de muy poca información sobre su compatibilidad con los materiales de los dispositivos microfluídicos. Sin embargo, se ha señalado que estos aceites pueden utilizarse sin problemas con dispositivos fabricados en policarbonato (PC).Ejemplos de la influencia del aceite en los parámetros de las gotas
Influencia de la viscosidad del aceite en el tamaño de las gotas
En el trabajo de Yao et al. (2019), se utilizó agua desionizada con colorante rojo y aceite mineral (Zhanhong Chemical Industry, Guangzhou, China) mezclado con un tensioactivo (Span-80, 7,5 g/l, Sigma-Aldrich, St. Louis, MI, EE. UU.) como fase dispersa y fase continua, respectivamente. Se analizaron cuatro viscosidades diferentes (5, 7, 10 y 15 cSt) de los aceites minerales para investigar cómo las distintas viscosidades de la fase continua afectan al tamaño de las gotas y a la tasa de generación de gotas en una emulsión de agua en aceite. Como se puede observar en la figura 2 y en la tabla 4, el tamaño de las gotas disminuyó a medida que aumentaba la viscosidad del aceite.| Pw : Po (mbar) | 5 cSt | 7 cSt | 10 cSt | 15 cSt |
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30:40 60:80 90 : 120 120 : 160 150 : 200 |
68,3 ± 2,0 43,6 ± 2,1 37,1 ± 1,8 34,0 ± 1,9 32,1 ± 1,0 |
57,0 ± 1,7 39,5 ± 1,8 33,4 ± 2,0 30,7 ± 0,9 29,1 ± 1,1 |
51,0 ± 1,7 35,5 ± 1,7 31,0 ± 1,0 28,1 ± 1,0 26,9 ± 1,1 |
46,3 ± 1,8 32,2 ± 0,9 28,9 ± 0,9 26,0 ± 1,1 25,1 ± 1,3 |
Tabla 4: Diámetro medio de las gotas con diferentes viscosidades del aceite y presiones de flujo (µm), extraído de Yao et al., 2019, «Micromachine»
Influencia de la viscosidad del aceite en la tasa de generación de gotas
Tal y como se muestra en la tabla 5 y en la figura 3, el estudio de Yao et al. (2019) pone de manifiesto que el número de gotas generadas por unidad de tiempo disminuyó a medida que se utilizaba un aceite más viscoso en todas las condiciones de presión de flujo analizadas, en las que se observaron fuertes correlaciones lineales (R² > 0,99 para todas las condiciones de presión de flujo).| Pw : Po (mbar) | 5 cSt | 7 cSt | 10 cSt | 15 cSt |
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30:40 60:80 90 : 120 120 : 160 150 : 200 |
76 ± 1 157 ± 0 239 ± 8 275 ± 3 581 ± 12 |
66 ± 1 126 ± 2 215 ± 6 334 ± 6 499 ± 12 |
54 ± 1 107 ± 3 182 ± 6 283 ± 3 411 ± 12 |
45 ± 0 93 ± 2 149 ± 1 223 ± 3 305 ± 8 |
Tabla 4: Tasa media de generación de gotas con diferentes viscosidades del aceite y presiones de flujo (µm), extraída de Yao et al., 2019, «Micromachine».
Conclusión
La elección del aceite dependerá fundamentalmente de la aplicación. No obstante, hay que tener en cuenta otros parámetros, como la compatibilidad entre el aceite y el tensioactivo, y entre el aceite y el material. Dado que los parámetros físicos de la fase continua pueden influir en el resultado esperado, es importante tener en cuenta, por ejemplo, la viscosidad del aceite.
