Las plataformas basadas en la microfabricación y la microfluídica se han utilizado con éxito en diversas aplicaciones, como el descubrimiento de fármacos, la reacción en cadena de la polimerasa (PCR), el análisis de « single-cell » o la cristalización de proteínas, por citar algunas. En todas estas aplicaciones, la producción de gotas de tamaño controlado, así como de velocidades de generación controladas, resulta fundamental para obtener resultados interpretables, fiables y robustos. De hecho, el tamaño de las gotas puede verse afectado por numerosos factores, como la tensión interfacial o el tamaño de los canales.
En la actualidad, se ha desarrollado una amplia gama de geometrías que permiten la generación de gotas en modo pasivo o activo. En esta revisión, nos centraremos en los diseños de generación de gotas más utilizados.
Modos pasivo y activo
Modo pasivo
Los métodos microfluídicos para la formación de gotas pueden ser pasivos o activos. En los métodos pasivos, el flujo bifásico microfluídico se controla mediante bombas de jeringa (que suministran caudales constantes) o reguladores de presión, sin aporte adicional de energía. Durante la formación de gotas, una parte de la energía aportada por las bombas de jeringa o los reguladores de presión se convierte en energía interfacial, lo que facilita la desestabilización de la interfaz líquido-líquido y da lugar a la separación de gotas discretas de la fase dispersa [Seemann R. et al. 2012 Rep Prog Phys.]. En la práctica, la fase fluida que se va a dispersar se introduce en un microcanal mediante un flujo impulsado por presión, en el que el caudal volumétrico o la presión aplicada se controlan necesariamente. Un segundo líquido inmiscible se introduce en un microcanal independiente mediante un flujo controlado de forma independiente. Las dos corrientes se unen en la unión. La geometría de la unión y los caudales volumétricos de los dos fluidos determinan el campo de flujo, que deforma la interfaz [Christopher GF y Anna SL. 2007, J Phys Appl Phys].
Modo activo
En modo activo, es posible modular la generación de gotas mediante un aporte adicional de energía a través de controles activos que incluyen fuerzas externas —como campos eléctricos, magnéticos o centrífugos— y fuerzas internas, como las fuerzas viscosas y capilares. Para ser más precisos, el desequilibrio energético modula la naturaleza del equilibrio de fuerzas en la interfaz para la generación de gotas.
La generación activa de gotitas puede inducirse mediante dos tipos de fuerzas: la modificación de las fuerzas intrínsecas o la introducción de fuerzas adicionales. Las fuerzas adicionales se aprovechan aplicando campos eléctricos, magnéticos y centrífugos externos, mientras que la modificación de las fuerzas intrínsecas de inercia, viscosidad y capilaridad puede llevarse a cabo manipulando la velocidad dinámica y las propiedades de los materiales, entre ellas la viscosidad, la tensión interfacial, la humectabilidad del canal y la densidad del fluido [Chong ZZ et al. 2016 Lab Chip.].
Diseños de chips para la generación de gotas
Flujo cruzado con unión en T
Se habla de flujo cruzado cuando los fluidos de fase dispersa y continua se encuentran formando un ángulo θ comprendido entre 0 y 180° (véase la fig. 1). Por lo general, la estructura de flujo cruzado se asocia a una unión en T. Así, los fluidos de fase dispersa y continua se alimentan de forma ortogonal.
Existen tres regímenes de generación de gotas microfluídicas con una unión en T: el régimen de goteo, el régimen de compresión y el régimen de chorro (véase la fig. 2). En principio, las gotas generadas en el modo de goteo son más pequeñas que la dimensión del canal y altamente monodispersas. En el régimen de compresión, las gotas son más grandes que el canal y monodispersas. Por último, en el modo de chorro, la generación de gotas es polidispersa.
La primera ventaja del flujo cruzado es la facilidad con la que se pueden formar las gotas y la uniformidad de las mismas. De hecho, en un amplio rango de caudales, es posible obtener una formación regular y periódica de gotas cuando se utiliza un único canal en forma de T. Sin embargo, en algunos estudios [Garstecki P et al. 2005, *Nature Phys*; Barbier et al. 2006, *Phys Rev.*], parece que las gotas no son necesariamente regulares cuando se acoplan varios generadores de gotas a un único conjunto de bombas de jeringa, lo que puede suponer un problema crítico en el caso de un estudio en el que sea necesario controlar con precisión el tamaño de las gotas.
Concentración del flujo
La concentración del flujo consiste en la formación de gotitas dispersas de un fluido en una corriente continua de otro fluido. Existen dos variantes geométricas de los sistemas microfluídicos de concentración del flujo: la unión cruzada simple y la unión cruzada seguida de una constricción (también denominada boquilla). Además, es posible distinguir entre una configuración plana cuasi-2D (véase la fig. 3 (i) (ii)) y una configuración 3D axisimétrica (véase la fig. 3 (iii) (iv)).
En comparación con los dispositivos de focalización de flujo planos, los dispositivos de focalización de flujo axisimétricos en 3D evitan problemas como la humectación de las paredes de los canales por parte de la fase dispersa, lo que permite producir gotas monodispersas con un mayor rendimiento.
Por otra parte, en cuanto a la geometría de flujo cruzado, es posible distinguir tres modos diferentes: los modos de compresión, goteo y chorro (véase la fig. 4). La ventaja de utilizar la concentración de flujo radica en su simplicidad geométrica, de ahí sus numerosas variaciones de diseño. Sin embargo, no existe un modelo mecánico sencillo que permita predecir el tamaño de las gotas en un amplio rango de condiciones de flujo. Otro problema bien conocido es la fusión no deseada de las gotas, que puede evitarse mediante el uso de tensioactivos. Sin embargo, los tensioactivos también pueden interferir o inhibir las reacciones bioquímicas.
Interfaz dinámica multicanal
Las geometrías más utilizadas tradicionalmente en las gotas microfluídicas son la focalización del flujo y las uniones en T. Hay que tener en cuenta que estas técnicas requieren mayores habilidades técnicas y equipos especializados, lo que puede suponer un obstáculo para los laboratorios no especializados en microfluídica. Además, el tamaño de las gotas puede verse afectado por numerosos factores, como la viscosidad del fluido, la tensión interfacial, el tamaño del canal, etc.
En este caso, se utiliza una técnica activa (eléctrica) sencilla para generar gotas mediante el cizallamiento interfacial dinámico impulsado por un dispositivo mecánico (véase la fig. 1). En la práctica, los componentes líquidos convergen en la boquilla y generan gotas gracias al cizallamiento interfacial provocado por la vibración de un capilar multicanal.
Una de las primeras ventajas es que el dispositivo se basa simplemente en un vibrador económico y un capilar multicanal cónico fabricado a mano, lo que facilita su montaje y permite su uso por parte de cualquier persona sin necesidad de conocimientos especializados en la generación de gotas. La otra ventaja es que la técnica ofrece un rendimiento excelente en la generación de gotas uniformes con tamaños y componentes predeterminados. Aunque la fabricación y el montaje son sencillos, el hecho de que los microcanales se fabriquen a mano puede suponer un sesgo en la reproducibilidad del dispositivo, además de influir en el tamaño de las gotas generadas por dos dispositivos diferentes que utilicen los mismos ajustes. Por otra parte, esta técnica se limita a un número reducido de aplicaciones biológicas, como los estudios sobre bacterias, ya que el diámetro de las gotas disminuye a medida que aumenta el número de capilares, debido al incremento de las tensiones viscosas que actúan deformando la gota.
Conclusión
En esta revisión, hemos visto una parte muy pequeña de las geometrías existentes y sus variaciones para generar gotas microfluídicas. Cada una de ellas presenta características únicas en cuanto a inestabilidades del flujo, tamaño de las gotas o comportamiento de estas. Para lograr una producción eficaz de gotas con el resultado deseado, es importante comprender en profundidad los efectos de las fuerzas viscosas, inerciales y capilares. Por lo tanto, dado que la dependencia exacta del tamaño de las gotas respecto a los parámetros de flujo depende de la geometría específica que se considere, es importante tener en cuenta las necesidades y limitaciones concretas de la aplicación de investigación deseada para elegir el diseño perfecto de generación de gotas.
