En microfluídica, es fundamental que los dispositivos cuenten con una superficie estable y bien caracterizada, especialmente cuando se utilizan para aplicaciones biomédicas. Por lo general, clasificamos los recubrimientos en dos grupos: covalentes y adsortivos. En esta revisión, presentaremos los recubrimientos más relevantes utilizados en microfluídica para diferentes materiales.
¿Qué parámetros influyen en la elección del recubrimiento?
El fluido que atravesará los canales de tu dispositivo estará en estrecho contacto con la superficie a través de las paredes y, por lo tanto, será muy sensible a las propiedades químicas de la superficie. Más allá de las propiedades químicas, el material desempeña un papel extremadamente importante (puedes consultar aquí la nota de aplicación sobre los diferentes polímeros utilizados para la microfabricación de chips microfluídicos), ya que la forma en que reacciona al tratamiento de la superficie va a ser un factor determinante.
A continuación, hay que determinar, dependiendo, por supuesto, de la aplicación, el resultado deseado. De hecho, el recubrimiento será diferente si se quiere que las células se adhieran a la superficie o si simplemente se quiere que un fluido fluya para formar gotas en la salida.
Por último, hay que tener en cuenta otro parámetro: la tensión superficial. El cambio de escala debido a la miniaturización provoca alteraciones en la importancia relativa de los fenómenos físicos que suelen darse a escala macroscópica. Así, en microfluídica, los efectos superficiales son importantes y no pueden ignorarse. La relación entre las fuerzas superficiales y las fuerzas volumétricas se comportará como la inversa de la longitud característica del sistema. Su importancia a escala micrométrica puede dar lugar a la aparición de fenómenos particulares, como la inestabilidad de Rayleigh-Plateau. En resumen, la inestabilidad de R-Plateau (Figura 1) establece que un cilindro de fluido se deforma y se fragmenta espontáneamente para reducir su energía superficial. De manera muy general, la película es inestable y ondula con una determinada longitud de onda. A continuación, las ondulaciones siguen creciendo y finalmente se resuelven en varias gotas. El estado final de inestabilidad es, en ocasiones, una sucesión de pequeñas gotas denominadas «satélites».
Una vez analizados todos los parámetros que hay que tener en cuenta, ha llegado el momento de detallar los distintos tipos de recubrimiento.
Los diferentes tipos de recubrimientos
Estrategias de recubrimiento covalente
Los recubrimientos covalentes se caracterizan por un enlace químico que se forma entre un grupo funcional de la superficie del sustrato —es decir, las paredes de los canales microfluídicos— y un grupo funcional del agente de recubrimiento utilizado. Los recubrimientos covalentes son muy apreciados por su excelente estabilidad. Sin embargo, dado que deben adaptarse a la funcionalidad superficial disponible del material utilizado, esto dificulta la aplicación de estrategias universales en comparación con otros métodos de tratamiento superficial.
Estrategias de recubrimiento covalente para el PDMS
Una de las estrategias de unión covalente que se utilizan con frecuencia consiste en unir derivados de alcoxisilano a través de superficies que presentan grupos hidroxilo, obteniéndose así enlaces de siloxano. Este método se utilizó por primera vez en superficies de vidrio y sílice. Hoy en día, también se utiliza en dispositivos microfluídicos basados en PDMS. La verdadera ventaja de esta técnica radica en que el enlace puede establecerse a través de uno a tres grupos alcoxi del silano reactivo. Esto permite una orientación correcta y una reticulación estable en la superficie. Además, la funcionalidad del silano puede ajustarse para lograr la reactividad química deseada.
Estrategias de recubrimiento covalente para el PMMA
Se han desarrollado numerosos procedimientos de activación y acoplamiento superficial para el PMMA, que permiten una amplia gama de funcionalidades y que consisten principalmente en introducir grupos funcionales amínicos en las superficies del PMMA (véase la figura 2). Uno de ellos es un recubrimiento de poli(etilenimina) (PEI), un polímero amino del que se sabe que mejora la unión de los anticuerpos a la superficie del PMMA [Bai et al., 2006, Langmuir].
Otro ejemplo de tratamiento superficial del PMMA con grupos funcionales amínicos es la activación de diaminas litadas para unir cianatos de alquilo al PMMA [Henry et al., 2000, *Analytical Chemistry*]. Este método fue utilizado por Hashimoto et al. [2005, *Analytical Chemistry*; 2006, *Biosensors & Bioelectronics*] para mejorar la detección de mutaciones de una sola base en el ADN.
Estrategias de recubrimiento covalente: policarbonato
Un método para lograr enlaces covalentes en el policarbonato consiste en la creación de grupos carboxílicos en la superficie. Así, se puede utilizar un tratamiento con rayos UV y ozono para inducir grupos COOH que permitan la unión de grupos amino mediante la activación con carbodiimida [Li et al., 2007, Analytical Chemistry].
El enfoque mencionado anteriormente, que ha dado buenos resultados en PMMA, también puede utilizarse con policarbonato [Hashimoto et al. 2005, *Analytical Chemistry*; 2006, *Biosensors & Bioelectronics*]. La activación de la superficie con diaminas litadas también puede utilizarse con el policarbonato para el acoplamiento de ADN en superficies microfluídicas con el fin de detectar mutaciones de un solo par de bases y, de este modo, mejorar las aplicaciones de la reacción en cadena de la polimerasa (PCR) [Abdallah y Ros, 2013].
Estrategias de recubrimiento covalente: vidrio
Las superficies de dióxido de silicio o SiO₂ son, sin duda, las más estudiadas para aplicaciones microfluídicas. De hecho, sus propiedades superficiales resultan adecuadas para una gran variedad de aplicaciones, como la microfluídica, la cromatografía capilar o la electroforesis capilar. El vidrio, la sílice fundida y el cuarzo pueden tratarse mediante la misma química de acoplamiento.
Los grupos silanol presentes en las superficies de SiO₂ reaccionan con los alcoxisilanos para formar un enlace covalente estable. Para el SiO₂ se utilizan silanos similares a los empleados con el PDMS, los cuales dan lugar a reacciones covalentes que permiten la unión a otras entidades en función del grupo terminal del silano utilizado [Abdallah y Ros, 2013].
Se puede utilizar una aplicación ligeramente diferente a la silanización para inmovilizar anticuerpos en perlas de vidrio con el fin de detectar patógenos en un microcanal [Lee et al., 2006, Bull. Korean Chem. Soc.].
Estrategias de recubrimiento por adsorción en microfluídica
Las estrategias de adsorción se basan en interacciones intramoleculares entre el material de recubrimiento y la superficie del sustrato. Pueden estar mediadas por diversos mecanismos, como las interacciones electrostáticas, las fuerzas de van der Waals y/o las interacciones hidrofóbicas. Una ventaja importante de estos recubrimientos es su facilidad de uso, ya que, por lo general, basta con incubar los microcanales con una solución que contenga el agente de recubrimiento durante un determinado periodo de tiempo. Los recubrimientos por adsorción se utilizan ampliamente y ofrecen un rendimiento similar al de los recubrimientos covalentes a la hora de prevenir la bioincrustación y la adsorción no específica, además de actuar como moléculas de unión para una mejor fijación de las biomoléculas.
Recubrimiento proteico en microfluídica
El recubrimiento con proteínas es un método muy popular y ampliamente utilizado para recubrir las superficies de los canales microfluídicos. Por ejemplo, de forma muy clásica, el recubrimiento con albúmina sérica bovina (BSA) se ha utilizado en biología molecular durante varias décadas para bloquear los sitios superficiales y evitar la adsorción no específica.
La estreptavidina se utiliza ampliamente como molécula de unión, ya que presenta una alta afinidad por la biotina. El enlace biotina-estreptavidina es casi covalente y la pequeña molécula de biotina puede derivatizarse fácilmente con otras moléculas de unión o proteínas [Abdallah y Ros, 2013]. Por ello, este par de unión ha encontrado numerosas aplicaciones en las ciencias físicas y biológicas, y también puede utilizarse en estrategias de adsorción para recubrimientos de superficies microfluídicas. El uso de un derivado de la estreptavidina, la NeutrAvidina, constituye un método sencillo para recubrir PDMS [Linder et al., 2001, Analytical Chemistry].
Recubrimientos poliméricos adsorbentes en microfluídica
La elección del polímero de recubrimiento depende en gran medida de la superficie microfluídica, debido a las variaciones en las interacciones superficiales entre los materiales. Es adecuado para numerosas aplicaciones y, además, dado que el vidrio, la sílice y el PDMS presentan una química superficial similar, pueden aplicarse estrategias de recubrimiento basadas en polímeros similares.
Se ha demostrado que los métodos de recubrimiento dinámico pueden considerarse más estables que la inmovilización estática. De hecho, con este método, la superficie del sustrato se renueva constantemente con el material de recubrimiento. Además, varios materiales poliméricos microfluídicos han sido sometidos a procedimientos de recubrimiento dinámico.
Por ejemplo, en el caso del PMMA, se ha descrito que el recubrimiento adsorbente dinámico de celulosa permite el uso a largo plazo (más de 100 pasadas) de un único dispositivo microfluídico para la electroforesis de ADN [Abdallah y Ros, 2013].
Multicapas de polielectrolitos en microfluídica
Los polielectrolitos multicapa (PEM) se utilizan en diversas aplicaciones. Este método se caracteriza por la transmisión de fuerzas de interacción entre el recubrimiento y la superficie del sustrato a través de interacciones electrostáticas. Esto garantiza su estabilidad. La ventaja de este método es que puede ofrecer una vida útil mucho más larga en comparación con otras estrategias de adsorción física.
Otras estrategias de recubrimiento en microfluídica
Las dos categorías mencionadas anteriormente (recubrimiento covalente y adsortivo) abarcan muchos de los tratamientos superficiales disponibles para los dispositivos microfluídicos. Sin embargo, existen otros métodos que pueden utilizarse para modificar las propiedades superficiales de los dispositivos microfluídicos, que detallaremos brevemente.
La exposición a gases reactivos en plasma puede generar radicales que alteran la composición química de una superficie. Por ejemplo, en la microfabricación es habitual utilizar especies reactivas de oxígeno para modificar superficies de PDMS y vidrio mediante tratamiento con rayos UV o con plasma (con oxígeno u ozono). En la mayoría de los casos, a este tipo de tratamiento le sigue un recubrimiento covalente, como la silanización.
También se puede utilizar otro método: la pulverización de metales. Por ejemplo, la pulverización y evaporación de oro sobre las superficies de los microcanales es una técnica desarrollada en el ámbito de la microfluídica. Las superficies recubiertas de oro sirven de plantillas para las monocapas autoensambladas (SAM), a las que se pueden aplicar grupos de cabezas tiol [Abdallah y Ros, 2013].
Conclusión
Los recubrimientos superficiales son fundamentales para el éxito de muchos dispositivos microfluídicos y para una gran variedad de aplicaciones. La variedad de materiales y estrategias de recubrimiento para materiales microfluídicos es enorme, y solo hemos podido presentar algunos de ellos. Sin embargo, con los parámetros descritos en la primera parte de esta revisión y los breves ejemplos de aplicación mencionados para cada recubrimiento, dispones de todas las claves para determinar el recubrimiento ideal para tu plataforma microfluídica.
Para obtener más información sobre las posibles aplicaciones en función del recubrimiento, le invitamos a consultar los artículos mencionados.
