La microfluídica se refiere tanto a la ciencia como a las técnicas que subyacen a la gestión de los flujos a microescala. A estas escalas, la dinámica de los fluidos cambia radicalmente en comparación con lo que observamos en la vida cotidiana: por ejemplo, las corrientes de agua son laminares, lo que significa que no se mezclan ni forman vórtices ni remolinos. Esta y otras características únicas constituyen la base de la revolución que la microfluídica ha supuesto para la ciencia. Para controlar y confinar los fluidos a escala microscópica, se utilizan chips microfluídicos.
¿Qué es un chip microfluídico?
Se trata de dispositivos en los que se moldean o graban patrones de microcanales. Además, se pueden incorporar al chip elementos de control de flujo activos o pasivos, como membranas o válvulas, con el fin de gestionar con precisión los fluidos. Por lo tanto, los chips microfluídicos permiten integrar varias funciones que, por lo general, requieren un laboratorio completo, en un único dispositivo de tamaño microscópico. Por eso, la microfluídica y, en particular, los chips microfluídicos suelen denominarse «laboratorio en un chip». A continuación, se ofrece una breve descripción general de los materiales más comunes empleados para fabricar chips microfluídicos.
Materiales para chips microfluídicos
A lo largo de los años se han utilizado diversos materiales, como el vidrio, el silicio y los polímeros, para fabricar dispositivos microfluídicos. Estos pueden clasificarse principalmente en: inorgánicos, poliméricos y de papel. Obviamente, no existe un material «perfecto», ya que cada uno de ellos presenta ciertas ventajas e inconvenientes cuando se emplea en microfluídica. En última instancia, es la aplicación la que guía al investigador a la hora de elegir. En este capítulo se repasarán brevemente los materiales más comunes utilizados en microfluídica. El lector más interesado puede encontrar más información en numerosas y excelentes revisiones publicadas sobre el tema, como las de Nge et al. (2013) y We et al. (2013).
Polímeros
Los polímeros se utilizan ampliamente en la fabricación de dispositivos microfluídicos debido a su buen rendimiento bioquímico y a su bajo coste. Entre ellos, uno de los más utilizados es el PDMS. La sigla PDMS hace referencia al polidimetilsiloxano, un polímero inorgánico-orgánico de la familia de los siloxanos. Este material se puede encontrar en los alimentos como aditivo (E900), en productos cosméticos y en aceites lubricantes. Las razones que hacen del PDMS un material muy adecuado para la fabricación de chips son varias; a continuación se resumen las principales:
- Transparencia: los microcanales y su contenido se pueden ver directamente
- Elasticidad: El PDMS es bastante elástico y esta propiedad puede aprovecharse para diversas aplicaciones, como, por ejemplo, la integración de válvulas mediante la deformación de los canales. Además, su elasticidad puede «ajustarse» mediante el uso de agentes reticulantes.
- Coste: el PDMS es mucho más barato que otros materiales utilizados para la fabricación de chips microfluídicos;
- Permeabilidad: El PDMS es permeable a los gases, por lo que puede utilizarse en cultivos celulares, sensores de gas, etc.
Evidentemente, el uso del PDMS para la fabricación de chips microfluídicos también presenta algunas desventajas. Algunos ejemplos son: el envejecimiento del material, que limita el rendimiento del chip con el paso de los años, y su escasa compatibilidad química con muchos disolventes orgánicos, lo que hace que el PDMS sea adecuado principalmente para aplicaciones acuosas.
Además, el PDMS absorbe moléculas hidrofóbicas y vapor de agua que pueden emitirse accidentalmente durante el experimento. Otro inconveniente de los dispositivos microfluídicos de PDMS es la imposibilidad de integrar electrodos en el chip, aunque esto se puede solucionar colocando los electrodos en el cubreobjetos de vidrio en lugar de en el propio chip. Se puede encontrar más información sobre el PDMS y su aplicación a la microfluídica en la página web de Elvesys. Como se ha mencionado anteriormente, aunque el PDMS permite una fabricación rápida y sencilla de chips microfluídicos, presenta diversas deficiencias que impiden su uso en algunas aplicaciones. Para superar estos inconvenientes, sin renunciar a las ventajas de una producción rápida y económica, se pueden utilizar otros polímeros para fabricar dispositivos microfluídicos. Un ejemplo de otro polímero utilizado para chips microfluídicos es el poliestireno (PS), un polímero de uso habitual en la investigación farmacológica para placas de cultivo celular. El PS es ópticamente transparente, biocompatible, inerte y rígido, y su superficie se puede funcionalizar fácilmente.
💡 Su superficie hidrofóbica puede convertirse fácilmente en hidrofílica mediante diversos métodos físicos y químicos, entre los que se incluyen:
descarga corona, plasma gaseoso e irradiación. Otros polímeros que se utilizan a menudo en dispositivos microfluídicos son el polimetilmetacrilato (PMMA) y el policarbonato (PC). El PC presenta una mejor resistencia térmica que el PMMA y, por lo tanto, puede utilizarse en un rango de temperaturas más amplio. El PMMA es un elastómero que presenta una deformación mínima en comparación con el PDMS y, por ello, se emplea cuando se requiere rigidez, por ejemplo, para la construcción de canalizaciones de microválvulas. Si deseas obtener más información sobre los recubrimientoshidrofílicos/hidrofóbicos, echa un vistazo a nuestro análisis completo aquí! 😉
Chips microfluídicos de silicio y vidrio
Uno de los primeros materiales utilizados en microfluídica fue el silicio. La razón de ello radica en el estrecho vínculo entre los primeros chips microfluídicos y la industria microelectrónica, donde el silicio era, y sigue siendo, uno de los materiales más utilizados. Las ventajas del silicio en aplicaciones microfluídicas residen en su conductividad térmica, la estabilidad de su superficie y su compatibilidad con los disolventes. El principal inconveniente de los chips microfluídicos de silicio es su opacidad óptica en el rango electromagnético visible, lo que imposibilita la detección óptica.
Otro material pionero en la fabricación de chips microfluídicos ha sido el vidrio. Este material presenta las mismas ventajas que el silicio, mencionadas anteriormente. En concreto, sus conocidas propiedades químicas superficiales, su transparencia óptica superior y su excelente resistencia a la alta presión lo convierten en la mejor opción para numerosas aplicaciones. El vidrio también es biocompatible, químicamente inerte, hidrófilo y permite aplicar recubrimientos de forma eficaz. El principal inconveniente de los chips microfluídicos de vidrio es el coste bastante elevado de la materia prima.
Chips microfluídicos basados en papel
Últimamente, también se ha empezado a considerar el papel como un material potencial para la fabricación de chips microfluídicos. La razón principal es que el papel es una materia prima muy barata. Sin embargo, las ventajas de utilizar papel para aplicaciones en dispositivos microfluídicos van más allá de su coste extremadamente bajo. De hecho, el papel es fino, ligero y fácil de almacenar, manipular y transportar. Además, es compatible con muestras biológicas y puede tratarse químicamente para unirse a moléculas o proteínas. Por último, pero no por ello menos importante, el papel es fácil de desechar tras su uso, lo que lo convierte en un material muy respetuoso con el medio ambiente para los chips microfluídicos. El principal inconveniente del uso de dispositivos microfluídicos basados en papel es la dificultad para trazar los canales en el chip. De hecho, no existe un método de trazado «perfecto», ya que cada uno implica un equilibrio entre coste, comodidad y resolución que debe evaluarse caso por caso.
