Técnicas de microfabricación de polímeros en microfluídica: una revisión

La revolución de la microfluídica en el mundo de la investigación, sea cual sea la aplicación, ha dado lugar a una explosión en la variedad de materiales y procesos utilizados para fabricar estos dispositivos. Hoy en día, el proceso de litografía y sus variantes parecen ser los más evidentes, dado el predominio de los dispositivos microfluídicos fabricados con polímeros como el PDMS. En esta revisión, nos centraremos en los principales procesos de microfabricación de polímeros en microfluídica.

Fotolitografía

La fotolitografía es una técnica de fabricación económica, sencilla, rápida y fiable, ya que permite obtener patrones de forma uniforme. Esta técnica utiliza una mezcla de precursor de hidrogel y fotoiniciador. A continuación, estos componentes sufren una reacción de reticulación al exponerse a la luz ultravioleta (UV) (Figura 1). La ventaja de esta técnica es que la exposición a la luz UV del precursor de hidrogel puede controlarse mediante el uso de una fotomáscara en la que se han preimpreso los patrones deseados [Rivest C et al. 2007 J Mech Mater Struct]. Una vez finalizada la reticulación fotoquímica, el polímero que no ha reaccionado se elimina simplemente mediante lavado. La fotolitografía permite resoluciones del orden de milímetros a micrómetros, lo que ofrece infinitas posibilidades para la investigación, especialmente en ingeniería de tejidos.

Además, puede utilizarse en combinación con otras técnicas, lo que la hace muy popular. Las desventajas de esta técnica son la necesidad de utilizar precursores de polímeros fotocurables y la posibilidad de que se produzcan daños en el ADN de las células debido al fotoiniciador, que genera radicales libres al exponerse a la luz ultravioleta [Slaughter BV et al. 2009 Adv Mater].

Litografía blanda

La litografía blanda es también un método muy utilizado para la fabricación de polímeros con forma y tamaño controlados (figura 1).

La litografía blanda, que incluye la impresión por microcontacto (μCP), el moldeo por microtransferencia (μTM), el moldeo por réplica (REM), el micromoldeo en capilares (MIMIC), el moldeo por inyección y muchos otros procesos [Sahin et al. Biomateriales fundamentales: Metales], puede emplearse en una gran variedad de aplicaciones, como biosensores, orientación de la adhesión celular, cribado de fármacos, clasificación celular e ingeniería de tejidos.

El principio de la litografía blanda consiste en el moldeado o la impresión de patrones de moléculas biológicas con una distribución espacial y una topografía bien controladas [2]. Esta técnica se utiliza principalmente para producir polímeros a microescala con una forma controlada. Concretamente, se coloca un molde elastomérico con un patrón sobre una solución líquida de prepolímero, que a continuación se deja polimerizar, lo que proporciona las características complementarias del hidrogel. Durante este proceso, el líquido rellena los patrones de la réplica de elastómero gracias a los fenómenos de tensión superficial y flujo capilar.

Esta técnica se utiliza ampliamente gracias a una serie de ventajas, como la facilidad de acceso, la simplicidad, la rentabilidad, la flexibilidad, la versatilidad y la rapidez. Esta técnica permite un control preciso del tamaño y la forma de las estructuras creadas [16] y no requiere instrumentación costosa [Whitesides GM 2001 Annu Rev Biomed Eng]. Sin embargo, la litografía blanda presenta limitaciones con sustratos de hidrogel reticulados iónicamente o químicamente, como el quitosano o el alginato [Franzesi GT et al. 2006 J Am Chem Soc].

El PDMS es el material más adecuado para fabricar moldes de tamaño micrométrico. El PDMS se fabrica mezclando un elastómero de silicona y un agente de curado, mezcla que posteriormente se vierte sobre una matriz micromodelada y curada térmicamente. De este modo se obtiene la réplica correspondiente que se utilizará para el micromodelado con el fin de producir microestructuras de hidrogel [Shin H 2007, Biomaterials]. Como ya se ha mencionado en la revisión de materiales, el PDMS es un elastómero poroso y biocompatible, preferido para el cultivo celular. Además, su superficie puede hacerse hidrófila mediante el uso de un limpiador de plasma. Además del PDMS, en los estudios de moldeo también se utilizan poliimidas, epoxis y poliuretanos.

Bioimpresión

La bioimpresión es una técnica basada en el diseño asistido por ordenador (CAD). En esta técnica, la deposición de polímeros se lleva a cabo mediante una impresora de forma controlada en el tiempo y el espacio (Figura 1) [Song SJ 2010 Artif Organs]. Las tecnologías basadas en CAD han ganado popularidad recientemente en la fabricación de andamios porosos, al igual que la impresión 3D. En este caso, las células pueden introducirse en las estructuras secundarias durante la fase de impresión [Khalil S y Sun W 2009 J Biomech Eng]. Esta técnica permitirá generar microentornos tridimensionales complejos mediante estos sistemas de bioimpresión, en los que las células se integran en polímeros para imitar los tejidos naturales [Song SJ 2010 Artif Organs].

Este enfoque permite un control de alta precisión sobre la forma y el tamaño de las características (resolución de decenas o cientos de μm). Entre los enfoques más comunes de la bioimpresión se incluyen la impresión celular por inyección de tinta, la deposición celular mediante jeringa, la escritura con láser [Song SJ 2010 Artif Organs], la bioimpresión inducida por láser [Guillotin B y Guillemot F 2011 Trend Biotechnol] y las tecnologías de prototipado rápido [Buyukhatipoglu K et al. 2010 Tissue Eng Part C-Methods]. La impresión por inyección de tinta es una técnica rápida y rentable, pero presenta muchos inconvenientes, como las fuerzas mecánicas que se ejercen sobre las células y el hecho de que las boquillas de impresión pueden obstruirse a altas densidades [Guillotin B y Guillemot F 2011 Trend Biotechnol].

La bioimpresión asistida por láser (LAB), otra técnica de bioimpresión, es un método útil para imprimir células, polímeros o biomoléculas. Esta técnica utiliza una capa intermedia que absorbe el láser y, por lo tanto, no permite la interacción directa entre la tinta y el rayo láser [Guillemot et al. 2010. Nanomedicine].