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(Foco Nanowerk) Durante décadas, los microfluidos se consideraron una tecnología revolucionaria, pero su adopción generalizada fuera de los laboratorios de investigación no se materializó. Los dispositivos de microfluidos permiten un control preciso de pequeñas cantidades de líquido para análisis químicos y biológicos automatizados, lo que ofrece avances potenciales en pruebas y diagnósticos médicos. Sin embargo, las limitaciones de producción han dificultado el uso de este campo. Las instalaciones de sala blanca y los periféricos complejos limitan el acceso, mientras que los diseños estáticos limitan la versatilidad.
Ahora, investigadores de la Universidad McGill informan de un gran avance en la superación de estos obstáculos mediante la fabricación digital (Materiales avanzados“Producción digital de sistemas de microfluidos funcionales y listos para usar”).
Los microfluidos surgieron en la década de 1990, cuando las técnicas de microfabricación hicieron posible grabar circuitos de fluidos complejos en chips. Al codificar estructuralmente algoritmos en canales microscópicos, bombas y válvulas interconectados, se podrían ejecutar protocolos complejos de manipulación de líquidos de forma autónoma. Esto permitió a los técnicos reducir el tamaño de los voluminosos equipos de laboratorio y convertirlos en dispositivos de un solo uso del tamaño de una tarjeta de crédito.
A pesar de su atractivo, los microfluidos se han enfrentado a desafíos continuos. Los métodos de fabricación como la fotolitografía requieren costosas salas limpias y limitan la producción descentralizada. La necesidad de bombas y controles externos limita aún más la accesibilidad y la versatilidad. Una vez fabricados, los dispositivos ofrecen poca flexibilidad o adaptabilidad para nuevas aplicaciones. Lo que es crucial es que los materiales ampliamente utilizados, como los plásticos, no tengan el comportamiento químico requerido en la superficie. Estos factores han limitado los microfluidos a los laboratorios académicos y corporativos.
En los últimos años, ha habido un interés creciente en aplicar la fabricación digital, en particular métodos aditivos como la impresión 3D, a la fabricación de microfluidos. Esto podría permitir la producción in situ bajo demanda de dispositivos personalizados. Sin embargo, los enfoques de impresión 3D existentes todavía requieren salas limpias o carecen de la resolución y la funcionalidad del material necesarias para sistemas de microfluidos verdaderamente integrados.
La nueva investigación demuestra la fabricación digital holística de dispositivos de microfluidos completamente funcionales en menos de 30 minutos en impresoras 3D ampliamente disponibles, evitando obstáculos de larga data. Esto se logra mediante una formulación de tinta diseñada que combina la compatibilidad de impresión con los efectos capilares que permiten circuitos de microfluidos autónomos. Fundamentalmente, el equipo demuestra que los dispositivos que funcionan se pueden imprimir sin bombas, controladores o periféricos externos.
![Fabricación digital de circuitos capilares funcionales utilizando una tinta intrínsecamente hidrófila.](https://www.nanowerk.com/spotlight/id64107_1.jpg)
Basándose en su innovadora tecnología de circulación capilar, los investigadores incorporaron el monómero hidrófilo ácido acrílico en una resina fotocurable en proporciones óptimas para equilibrar la resolución de impresión con un flujo capilar confiable. Esto mejora permanentemente el comportamiento de la química de la superficie, p. B. canales de autollenado para mantener el movimiento del fluido sin fuentes de presión externas.
Varias innovaciones de diseño ingeniosas superaron otros desafíos de fabricación al traducir los sistemas capilares a la fabricación digital. Las nuevas arquitecturas de válvulas de cierre utilizan geometrías 3D para detener la progresión del fluido. Las secciones transversales circulares del canal evitan inclusiones de burbujas problemáticas. Y las bombas capilares generadas matemáticamente están integradas estructuralmente para bombear líquidos activamente sin insertos de papel.
Utilizando un material de ingeniería y diseños de componentes mejorados, el equipo demostró circuitos capilares en funcionamiento integrados en chips impresos en 3D. La serpentina dirige las soluciones de forma autónoma, mientras que las válvulas integradas liberan secuencialmente cantidades precisas de reactivo en pasos programados. Para confirmar su utilidad práctica, los investigadores realizaron un inmunoensayo de anticuerpos COVID en un dispositivo impreso de sólo 25 centímetros cuadrados de tamaño.
En particular, incluso la tira reactiva de nitrocelulosa del ensayo se integró estructuralmente en el cuerpo principal impreso en 3D. Al desarrollar los procedimientos complementarios sin módulos externos, el tiempo total de prueba fue inferior a 30 minutos. Aunque la automatización totalmente integrada aún no alcanza la sensibilidad de los protocolos de prueba estándar después de eliminar algunos pasos de lavado, proporciona una prueba de concepto notable.
Esta investigación elimina importantes obstáculos tecnológicos que durante mucho tiempo han limitado los microfluidos y, en particular, los circuitos capilares autónomos. La compatibilidad con métodos de fabricación comunes y accesibles, como las impresoras 3D basadas en luz ampliamente utilizadas, amplía significativamente las posibilidades de fabricar dispositivos de microfluidos. Al producir sistemas funcionales a partir de plásticos comunes sin bombas ni controles externos, es posible imprimir dispositivos de laboratorio para aplicaciones específicas de la noche a la mañana.
![Circuitos capilares impresos en 3D con secciones transversales circulares y válvulas de cierre/gatillo centradas en la cara](https://www.nanowerk.com/spotlight/id64107_2.jpg)
Los requisitos mínimos de calificación y los costos modestos promueven aún más la producción descentralizada y la personalización. Y la formulación de resina hidrófila diseñada garantiza una funcionalidad de superficie duradera. En general, esto libera el potencial de los microfluidos en áreas que van desde el diagnóstico médico hasta las pruebas farmacéuticas y el análisis de la calidad del agua y la agricultura.
Sobre la base de los éxitos informados aquí, los investigadores quieren mejorar aún más la resolución, la confiabilidad y la integración del diseño. Al optimizar las geometrías y los tratamientos superficiales, se pueden mejorar el rendimiento de la válvula y los límites de presión de bombeo. Tolerancias de tamaño de características más estrictas podrían aumentar la densidad del canal. Y los métodos de lectura alternativos, como la inclusión de lechos de partículas reactivas para detectar analitos objetivo, prometen reducir o eliminar los dispositivos de laboratorio externos, como las tiras reactivas.
Combinado con el intercambio en línea de plantillas de dispositivos imprimibles, este avance crítico marca el comienzo de una era en la que los sistemas de microfluidos multifuncionales pueden extenderse a través de la fabricación digital tan fácilmente como los documentos pasan del archivo de computadora a la impresora de oficina. Así como el procesamiento de textos revolucionó la tecnología de la información al permitir la edición e impresión instantánea de texto personalizado, estas “aplicaciones” de microfluidos imprimibles provocarán una revolución impulsada por la comunidad en el hardware científico. El futuro parece fluido.
De
Miguel
Berger
– Michael es autor de tres libros de la Royal Society of Chemistry: Nano-Society: Pushing the Boundaries of Technology, Nanotechnology: The Future is Tiny y Nanoengineering: The Skills and Tools Making Technology Invisible Copyright ©
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