La aparición de la microfluídica ha llevado a la integración de dispositivos micro y nanofluídicos en numerosas aplicaciones, como el análisis biomédico y químico.
Los dispositivos micro y nanofluídicos con canales muy pequeños (tamaño en µm) ofrecen ventajas interesantes en términos de menor consumo de muestras y mayor sensibilidad gracias al uso de volúmenes reducidos (micro/nanolitros), lo que permite obtener una relación superficie/volumen bastante grande. El desarrollo de las nanotecnologías y de los sistemas micro/nanoelectromecánicos (MEMS, NEMS) también facilita enormemente la fabricación e integración de componentes microelectrónicos.
En esta revisión, analizaremos diferentes métodos para integrar bombas y válvulas en un chip microfluídico mediante varios ejemplos extraídos de la literatura.
Fabricación de un sistema de microválvulas manuales de PDMS
Las válvulas utilizadas en microfluídica se basan generalmente en los siguientes tipos de estructuras de control: mecánica de funcionamiento, neumática, electrocinética, cambio de fase o introducción de fuerza externa.
Existen dos tipos de válvulas según su estado: activas y pasivas. Su clasificación dependerá entonces de su asociación con partes móviles mecánicas o no mecánicas.
En este ejemplo, los investigadores optaron por fabricar su propia válvula. El principio de funcionamiento de la válvula se basa en una estructura mecánica (hecha de materiales de Plexiglas®) y materiales flexibles (PDMS), tal como se describe en la figura 1.
La válvula consta de una parte activa que incluye un microcanal y una película delgada de PDMS (figuras 1(a) y 1(b)). La película de PDMS se fabricó con un espesor de 100 µm y se adhirió a la parte superior del canal mediante funcionalización en un limpiador de plasma. El microcanal se fabricó en PDMS con unas dimensiones de 1 × 0,05 × 10 mm utilizando una técnica de litografía blanda.
La estructura mecánica para abrir y cerrar el flujo se combinó con dos componentes: un tornillo (~3 mm de diámetro, con una rosca de 0,5 mm) guiado a través de un orificio roscado en una placa de Plexiglas, la cual a su vez está fijada a una segunda placa; y una pieza de PDMS (~2,5 mm) más pequeña que el orificio del tornillo que se mueve libremente en su interior. La pieza de PDMS ayuda a que la cabeza del tornillo no agriete la película de PDMS durante el proceso de trabajo.
En cuanto a la válvula, existen dos estructuras principales que comprenden piezas de PDMS y Plexiglas®, tal como se muestra en la figura 1(d). La pieza de PDMS contiene la sección con los canales (para las válvulas de canal) y una placa intermedia de PDMS con varios orificios del mismo diámetro que los tornillos. Ambas estructuras mecánicas se han fabricado en Plexiglas®, diseñándose la primera parte con orificios roscados y siendo la segunda un soporte inferior que, combinado con la primera (a modo de abrazadera), permite fijar todos los elementos de las estructuras del sistema de válvulas.
Para obtener más información sobre este diseño, le invitamos a leer el artículo Le T N et al. 2020, Adv. Polym. Technol.
Debemos admitir que este método es ingenioso, práctico y económico, pero no puede aplicarse en todos los casos, especialmente debido a la presencia del tornillo. De hecho, algunas aplicaciones exigen un nivel muy elevado de integración y rendimiento. Por lo tanto, veremos en otro ejemplo lo que es posible realizar en la fase de prototipado.
Corazón/cáncer integrado en un chip para reproducir los efectos secundarios de los medicamentos anticancerosos in vitro
Durante mucho tiempo, los laboratorios en un chip se han utilizado principalmente para análisis y detección bioquímica, pero recientemente también se han empleado para el diagnóstico.
Por lo tanto, a medida que evolucionan las tecnologías, el avance hacia un sistema de diagnóstico portátil se está volviendo posible. Además de los sistemas microfluídicos, se requieren bombas, electrodos, válvulas y campos eléctricos. Todo esto puede lograrse mediante el uso de microelectrónica integrada.
En este ejemplo, el equipo desarrolló un dispositivo microfluídico —un corazón/cáncer integrado en un chip (iHCC, por sus siglas en inglés)— utilizando células cardíacas humanas sanas (hCMs) y células de cáncer de hígado (HepG2) para replicar los efectos secundarios de un medicamento contra el cáncer, la doxorrubicina (DXR), logrando cultivos individuales de células de diferentes tejidos en un único dispositivo con tres juegos de bucles de circulación sanguínea artificial; además, la tecnología de microfabricación para microválvulas y una bomba proporcionan una manipulación precisa de los fluidos.
Para la fabricación del iHCC, el equipo decidió utilizar PDMS, especialmente por su biocompatibilidad, su buena permeabilidad a los gases y su excelente transparencia óptica.
La denominada capa de infusión contiene dos cámaras de cultivo celular (de 2,1 mm de ancho y 220 µm de alto) que son suficientes para suministrar los factores de crecimiento necesarios, el fármaco anticanceroso y para reducir la tensión de cizallamiento.
Se han creado microcanales para interconectar las dos cámaras de cultivo celular (de 150 µm de ancho y 45 µm de alto) mediante orificios de entrada y salida.
La denominada capa de control, compuesta también por una membrana de PDMS fina y flexible (200 x 200 µm² y 20 µm de grosor), contiene válvulas que permiten el cultivo independiente de dos tipos de células sin contaminación cruzada, así como micropiezas para un control preciso del caudal del medio.
Por lo tanto, este dispositivo incluye tres conjuntos de dos cámaras de cultivo celular con un circuito de circulación cerrado para permitir tres tratamientos celulares diferentes pero simultáneos dentro del mismo dispositivo (Figura 2).
Para obtener más información sobre este diseño, le invitamos a leer este artículo Kamei K et al 2017 RSC Adv.
Darwin Microfluidics cuenta con una amplia gama de microválvulas y micropiezas para fabricar este tipo de prototipos microfluídicos. Nuestros expertos han seleccionado para usted los productos que mejor se adaptan a su aplicación en la siguiente tabla.
| Tipo de producto | Tamaño | Enlaces del sitio web de Darwin Microfluidics |
| Válvula whisper de 2/2 o 3/2 vías Tipo 6724 de Bürkert | 8,9 mm de ancho | https://darwin-microfluidics.com/collections/microfluidic-valves/products/2-2-or-3-2-way-whisper-valve-type-6724 |
| Microválvula whisper microfluídica de 2/2 vías Tipo 6712 de Bürkert | 18,2 x 7,2 x 7 mm | https://darwin-microfluidics.com/collections/microfluidic-valves/products/microfluidic-minimum-volume-solenoid-valve-burkert-type-6712 |
| Microválvula microfluídica en miniatura de 2/2 vías de Memetis | 20 x 5 x 7 mm | https://darwin-microfluidics.com/collections/microfluidic-valves/products/2-2-way-microfluidic-miniature-valve |
| Micropiezas de la serie BP7 de Bartels | 30 x 15 x 3,8 mm | https://darwin-microfluidics.com/products/bartels-bp7-micropump |
Con esta revisión, dispone de todas las claves para iniciarse en la fabricación de prototipos microfluídicos. ¡Los expertos de Darwin Microfluidics quedan a su servicio para asesorarle!
