La elección del material adecuado para el desarrollo de dispositivos microfluídicos es crucial y no menor, ya que debe combinar cualidades ópticas cercanas a las del vidrio (o idealmente sílice fundida) para una detección óptima, propiedades superficiales que eviten la adsorción de biomoléculas y la electroósmosis, y la capacidad de reproducir adecuadamente estructuras de tamaño micrométrico.
(Poli)dimetilsiloxano (PDMS), poli(metacrilato de metilo) (PMMA), policarbonato (PC), poliestireno (PS), poliimida y polietileno (PE) son algunos de los materiales poliméricos comúnmente utilizados para fabricar chips. Entre ellos, el PDMS es el sustrato más popular. Más recientemente, la resina SU-8 se ha incorporado al mercado de la microfabricación de chips microfluídicos. El copolímero de olefina cíclica (COC) y el diacrilato de polietilenglicol (PEGDA) también son materiales ampliamente utilizados para la fabricación de chips microfluídicos.
En esta revisión, nuestro equipo de expertos le ofrece una visión general completa de los materiales más utilizados en microfluídica para que pueda elegir el mejor para su aplicación.
Los materiales más utilizados en microfluídica
La fabricación con polímeros es sencilla y su uso como materiales reduce el tiempo, la complejidad y el coste de la creación de prototipos y la fabricación. Por lo general, los sistemas microfluídicos se fabrican mediante moldeado y unión de réplicas en elastómeros como el PDMS o termoplásticos como el PMMA o el PC. Otros ganan cada vez más reconocimiento en el campo de la microfluídica, como el COC o el material SU-8. Estos polímeros deben su éxito a 4 propiedades esenciales: biocompatibilidad, transparencia, bajo coste y, por supuesto, la ausencia de restricciones de derechos de autor.
Polidimetilsiloxano o PDMS
Una proporción significativa de los dispositivos microfluídicos se fabrica en PDMS. Una de las principales ventajas de este material es su alta transparencia óptica en el rango visible y ultravioleta, lo que lo hace adecuado para muchas aplicaciones basadas en fluorescencia. Otra ventaja del PDMS es su permeabilidad a los gases, lo que permite el cultivo celular en dispositivos microfluídicos fabricados con este material. La fabricación también se ve facilitada con el PDMS, ya que los chips se producen simplemente a partir de un molde con el relieve negativo del patrón deseado. El patrón preestructurado se puede lograr mediante técnicas estándar de fotolitografía, requiriéndose además una infraestructura de sala blanca mínima para el ensamblaje de los chips de PDMS. El PDMS es muy adecuado para técnicas de creación de prototipos, lo que lo convierte en un material de elección en microfluídica.
A pesar de todas sus ventajas, se han reportado ciertos inconvenientes al utilizar el PDMS como dispositivo de absorción de fármacos [Regehr KJ et al. 2009 Lab Chip] u otras moléculas cuando el PDMS se oxida [McDonald et al. 2000 Electroph.], lo que ha impulsado a los investigadores a fabricar dispositivos con otros materiales. Otras desventajas encontradas con el PDMS son, por ejemplo, la hinchazón ante disolventes orgánicos (lo que limita el rango de aplicaciones microfluídicas), una baja resistencia mecánica (que provoca el colapso de estructuras de alta relación de aspecto en el dispositivo) y tratamientos superficiales inestables [Paul et al. 2007 Electroph.].
Polimetilmetacrilato o PMMA
El PMMA es un termoplástico transparente cuyo monómero es el metacrilato de metilo (MMA). Este polímero es más conocido por su primer nombre comercial, Plexiglas. El PMMA presenta numerosas ventajas, como su transparencia, resistencia y su naturaleza amorfa. Por lo tanto, permite una excelente transmisión de la luz, alcanzando hasta el 92 % de la luz visible, es decir, más que el vidrio [Sitio web de Good Fellow].
El PMMA es relativamente sensible a los arañazos (más que las lentes minerales convencionales) y se vuelve quebradizo cuando contiene aditivos. Asimismo, muestra una resistencia relativamente baja a muchos productos químicos y se disuelve en numerosos disolventes orgánicos. No obstante, su estabilidad ambiental supera a la de la mayoría de los demás plásticos.
Policarbonato o PC
El PC es un polímero termoplástico. En comparación con otros materiales empleados en microfluídica, como el COC (copolímero de olefina cíclica), es menos hidrófobo, por lo que los canales presentan un mejor comportamiento de llenado. Se utiliza idealmente en aplicaciones de alta temperatura como la PCR.
La verdadera desventaja del policarbonato radica en su fluorescencia intrínseca relativamente alta, en comparación, por ejemplo, con el PMMA. Este inconveniente resulta muy perjudicial para la microscopía de fluorescencia, lo que limita su uso.
Copolímero de olefina cíclica o COC
El copolímero de olefina cíclica (COC) es un polímero amorfo. El COC constituye una clase de polímeros relativamente nueva en comparación con los productos convencionales como el polipropileno y el polietileno. El copolímero de olefina cíclica es un material muy adecuado para aplicaciones microfluídicas. De hecho, su lista de ventajas es larga e incluye una buena biocompatibilidad, propiedades de baja absorción de agua, buena resistencia química y alta transparencia en el rango de UV profundo.
Debido a sus numerosas ventajas, el COC puede utilizarse por supuesto para la fabricación de chips en muchos ámbitos, por ejemplo para el análisis de parámetros como gases en sangre, concentración de glucosa y lactato, o para la determinación de los niveles de hematocrito. Además, como las paredes de los canales son transparentes a los rayos UV, permiten el uso de fotoiniciadores UV como la benzofenona, ampliamente utilizada para el ensayo Western blot.
Resina SU-8
El SU-8 es una resina fotosensible negativa utilizada habitualmente en la fabricación de microsistemas. La resina SU-8 está compuesta de resina epoxi, carbonato de propileno, un iniciador de triarilsulfonio y un disolvente orgánico. Debido a su composición, el SU-8 es un polímero de alta viscosidad que se extiende en un espesor que va desde 1 micrómetro hasta 2 milímetros y que por lo general se trabaja mediante fotolitografía. Se utiliza cada vez más para la fabricación de moldes, ya que posee una excelente estabilidad química frente a varios ácidos y bases, así como una alta estabilidad térmica. Además, el SU-8 es mecánicamente fiable, ópticamente transparente e hidrófilo. Por lo tanto, estas propiedades hacen del SU-8 un material muy atractivo para una amplia gama de aplicaciones, como por ejemplo la microfluidica, así como para la microóptica, el mecanizado, el empaquetado o aplicaciones analíticas.
El SU-8 rara vez se utiliza como chip independiente, sino como molde en combinación con otros materiales como el PDMS o la silicona.
Hidrogeles de polietilenglicol o PEGs
Los PEG son hidrogeles que ofrecen ventajas significativas frente a otros biomateriales. De hecho, los PEG son sintéticos, lo que permite un control absoluto de las propiedades mecánicas como el módulo de elasticidad y la tasa de degradación, a diferencia de los biomateriales naturales. Esto también significa que el PEG presenta una menor variabilidad entre lotes en comparación con los materiales de origen natural. La composición química de estos hidrogeles los hace altamente hidrófilos, resistentes a la adsorción de proteínas y biocompatibles. Existe una variedad de grupos químicos que pueden incorporarse a los macromómeros de PEG para facilitar la polimerización y la reticulación de la red (acrilato, metacrilato, éter de vinilo, norborneno, etc.) [Amy H et al. 2013 Chem J].
Las propiedades de los materiales que pueden revestir una importancia fundamental incluyen la maquinabilidad, la carga superficial, la adsorción molecular, la movilidad del flujo electroosmótico, las propiedades ópticas y muchas otras. Por lo tanto, la elección del sustrato es crítica tanto para el proceso de fabricación como para el éxito de la aplicación del dispositivo. Para ayudarle en su elección, Darwin Microfluidics ofrece una amplia gama de dispositivos microfluídicos que combinan diferentes diseños y materiales compatibles con un gran abanico de aplicaciones.
