Guía de microfluídica, milifluídica y fabricación de laboratorio en un chip

La microfluídica es una de las tecnologías más interesantes del ámbito de la ciencia y la ingeniería. Está teniendo un papel importante en algunos de los avances más punteros en biodefensa, ingeniería química y ensayos médicos.

En esta guía, te ofreceremos información general sobre la microfluídica, explicaremos cómo está ayudando a los científicos a realizar nuevos descubrimientos y te mostraremos los primeros pasos para crear tus propios chips microfluídicos. 

La microfluídica es la ciencia del control y la manipulación precisos de fluidos que están restringidos geométricamente en una pequeña red de canales, que suelen tener menos de 100 µm de diámetro. 

El uso que se hace del término microfluídica varía según el científico o el ingeniero con el que hables. Para muchos catedráticos, la microfluídica es un campo de la ciencia centrado en el estudio y la manipulación de pequeñas cantidades de fluido mediante canales de entre 100 micrómetros (µm) y 1 µm de diámetro.

Por otro lado, los ingenieros pueden usar el término microfluídica para describir la fabricación de piezas (que a menudo reciben el nombre de "chips") que guían el movimiento de fluidos por canales de entre 100 µm y 1 µm de diámetro.

En su forma más básica, la microfluídica es un trabajo en el que participan pequeñas cantidades de fluido que miden decenas de micrómetros de diámetro. Como referencia, un micrómetro es la millonésima parte de un metro. Un cabello humano mide aproximadamente 100 µm de diámetro.

Trabajar a esta escala infinitesimal ofrece numerosas ventajas. Comparada con los métodos de ensayo tradiciones con placas de Petri y cuentagotas, la microfluídica utiliza muestras de tamaño considerablemente más pequeño, por lo que se necesitan mejores cantidades de sustancias y reactivos costosos. Los ensayos de microfluídica son más seguros en muchas situaciones, ya que las sustancias tóxicas se pueden manipular de forma más controlada y contenida.

Los científicos tienen un mayor nivel de control con la microfluídica, sobre todo en lo que respecta a cómo se mezclan los fluidos y cómo interactúan entre sí. Pueden difundir los líquidos lentamente, hacer que fluyan en paralelo o dividirlos en gotitas de tamaño microscópico. Los científicos e ingenieros también pueden emplear cargas eléctricas y bombas de jeringa e incluso empujar líquidos mediante la acústica a través de microcanales.

Estas ventajas en cuanto a costes y control hacen que la microfluídica sea un ámbito que cada vez interesa más a los pioneros de la farmacología y la biotecnología. Los innovadores de la microfluídica están desarrollando formas más rápidas y baratas de realizar pruebas a pacientes en busca de virus y detectar sustancias químicas nocivas en el suelo. Además, es posible que algún día logren que los ensayos con animales queden obsoletos.

La milifluídica consiste en manipular y observar fluidos en canales de 1 milímetro (mm) de diámetro. Aunque la milifluídica usa mayores cantidades de fluido que la microfluídica, siguen siendo cantidades mínimas en comparación con las usadas en los ensayos con métodos tradicionales.

Los canales milifluídicos a menudo pueden alcanzar el mismo grado de mezcla de fluidos que los canales microfluídicos, dependiendo de los requisitos del proyecto. La milifluídica ofrece muchas de las mismas ventajas que la microfluídica, pero los chips milifluídicos suelen ser más rápidos y baratos de fabricar.

La aplicaciones del microfluídica y la milifluídica en el mundo real abarcan desde versiones simplificadas de pruebas médicas comunes hasta proyectos de investigación puntera. Como verás en la gama de aplicaciones que explicamos a continuación, la microfluídica y la milifluídica están ayudando a construir el futuro, y lo que se ve en el horizonte es verdaderamente fascinante.

La medicina regenerativa se ha centrado durante años en la investigación de las células madre. En gran medida, por su capacidad de dividirse y convertirse en otros tipos de células diferenciadas. Por ejemplo, cuando los médicos inyectan células madre en el tejido muscular, se pueden diferenciar y convertirse en células musculares, con lo que ayudan a reparar y regenerar el tejido dañado.

Cultivar y desarrollar células madre embrionarias in vitro (fuera del organismo) ha sido uno de los mayores desafíos para los investigadores. Esto se debe a la falta de los morfógenos y de la señalización celular que se producen in vivo (dentro del organismo). Los morfógenos son los directores de orquesta del desarrollo embrionario: tienen un papel fundamental a la hora de estimular el desarrollo de células embrionarias.

Los científicos de la Escuela Politécnica Federal de Lausana (EPFL) encontraron recientemente un modo de superar este obstáculo con los morfógenos. Matthias Lütolf y su equipo han reproducido un proceso de desarrollo de células madre embrionarias llamado gastrulación, que tiene lugar en torno a la tercera semana del embarazo humano, introduciendo un régimen controlado de morfógenos in vitro mediante un dispositivo microfluídico de cultivo celular.

Se trata de un avance significativo en el camino hacia el cultivo de órganos en un laboratorio. Como explicó Matthias Lütolf en una entrevista con Genetic Engineering & Biotechnology News: "Una de nuestras metas a largo plazo es desarrollar órganos para trasplantes".

Es probable que los cultivos celulares 3D, como los dispositivos microfluídicos que usaron Matthias Lütolf y su equipo, acaben revolucionando la ingeniería farmacéutica y la biotecnología. De hecho, los cultivos celulares 3D podrían hacer que algún día los ensayos con animales queden completamente obsoletos.

Los ensayos de los medicamentos suelen comenzar en cultivos in vitro o ensayos 2D, fuera del organismo. Si estos ensayos muestran resultados prometedores, el siguiente paso suele ser someter a ensayo los medicamentos con animales. Esto se debe a que los ensayos con animales eran lo más cercano que podían hacer los científicos a reproducir lo que ocurre dentro del cuerpo humano antes de pasar a ensayos clínicos con humanos.

Los cultivos celulares 3D ofrecen una nueva frontera prometedora en los ensayos y la ingeniería farmacéutica. Estos cultivos permiten que las células se desarrollen de forma más parecida a como lo hacen dentro del organismo, en un dispositivo fácil de ver en el exterior del cuerpo. Los ensayos pueden controlarse cuidadosamente e incluso pueden proporcionar resultados más precisos que los de los ensayos con animales.

Los investigadores del Wyss Institute han desarrollado "órganos en chips" humanos, que permiten a los científicos el impacto de las bacterias, los virus y los tratamientos en un tejido in vitro, mediante un dispositivo del tamaño de una memoria USB.

Se necesita más investigación y desarrollo antes de eliminar por completo los ensayos con animales, pero los cultivos celulares 3D podrían ser el nuevo futuro de la ingeniería farmacéutica y biológica.

En un futuro no tan lejano, la microfluídica podría cambiar radicalmente las pruebas que se realizan a los pacientes. Las pruebas de diagnóstico podrían requerir cantidades menores de sangre o tejidos, con lo que se mejora la experiencia del paciente. Las pruebas genéricas también podrían volverse más accesibles.

En el caso de los pacientes que viven en zonas geográficas en las que no están disponibles las pruebas en laboratorios, los dispositivos de laboratorio en un chip, como los que está desarrollando el catedrático en bioingeniería de la Universidad de Washington Paul Yager, podrían ser una forma asequible de diagnosticar enfermedades como la malaria.

Mientras tanto, Jason Heikenfeld, de la Universidad de Cincinnati, está liderando un equipo de investigadores para desarrollar pruebas de análisis de sudor microfluídicas y no invasivas que podrían eliminar la necesidad de extraer sangre en determinados casos. Además, el prototipo de Heikenfeld puede valerse de cualquier teléfono inteligente para funcionar.

Para los soldados en el frente, detectar armas químicas y biológicas es cuestión de vida o muerte. Por eso, la Agencia de Proyectos de Investigación Avanzada para la Defensa de EE. UU. (DARPA) ha estado financiando la investigación en microfluídica durante años.

Gracias a la investigación y desarrollo llevados a cabo por Frantisek Svec y Jean Frécht en el Laboratorio Nacional Lawrence Berkeley, la verdadera amenaza de las armas químicas pronto podría ser fácil de detectar. Svec y Fréchet trabajan actualmente en perfeccionar chips microfluídicos de plástico que podrían hacer posible pruebas in situ para detectar la presencia de incluso cantidades diluidas de sustancias químicas, microorganismos, toxinas y contaminantes.

A partir de una muestra de tierra o de aire, los soldados pronto podrían realizar pruebas que antes requerían grandes cantidades de equipo. Citando a Svec, "llevaremos el laboratorio hasta la muestra, en vez de llevar la muestra hasta el laboratorio".

Como la mayoría de las cosas, las aplicaciones de la microfluídica están dirigidas por los deseos del ser humano que maneja la tecnología. Aunque gran parte de la investigación de la microfluídica se centra en mejorar nuestra calidad de vida y la sociedad en general, debemos reconocer que también se podría usar para objetivos menos bondadosos.

La microfluídica está potenciando las capacidades de biodefensa, pero siempre cabe la posibilidad de que se use para desarrollar armas biológicas y químicas. Investigaciones publicadas por organizaciones de defensa como el Instituto Naval de EE. UU. han constatado que existe la posibilidad de que algunos países usen la microfluídica (que es más fácil de ocultar, dado su pequeño tamaño) para desarrollar armas sin que lo sepan otros países.

Cada proyecto de microfluídica requiere un chip diseñado a medida que debe fabricarse bajo demanda, usando tecnologías avanzadas capaces de producir estas piezas intrincadas con precisión. A medida que el campo de la microfluídica sigue avanzando y adaptándose con rapidez, está enriqueciendo y cambiando la manera de la que se fabrican los chips microfluídicos. 

Los chips microfluídicos suelen estar hechos de vidrio, silicona y plástico (aunque a veces pueden fabricarse con otros materiales como el papel). A continuación, describiremos cinco métodos comunes de fabricación de chips microfluídicos y milifluídicos. Es importante tener en cuenta que muchos ingenieros y empresas de fabricación utilizan una combinación de métodos de producción para diseñar y producir chips.

Muchos ingenieros, científicos y diseñadores producen sus chips in situ usando una impresora o máquina de fabricación en su propio laboratorio, para poder tener más libertad y elaborar sus prototipos con mayor rapidez.

La fotolitografía fue uno de los primeros métodos de fabricación usados en la microfluídica y se sigue usando actualmente. A menudo, junto con el grabado en húmedo o en seco. La fotolitografía se vale de la energía de la luz UV para grabar un patrón o forma en un componente a base de quemarlos.

Este vídeo explica el proceso de la fotolitografía y muestra ejemplos de sus aplicaciones en la microfluídica, así como en los sistemas microelectromecánicos.

El microtermoformado es compatible con los plásticos y funciona de forma muy similar al termoformado normal, pero a una escala mucho más pequeña. Las láminas de plástico se calienta y se les da forma alrededor de moldes masculinos o femeninos para crear películas microfluídicas.

El moldeo por microinyección, a veces conocido como micromoldeo, es una versión en miniatura del moldeo por inyección clásico. Este proceso de fabricación es muy adecuado para laboratorios que necesitan usar el mismo diseño de chip muchas veces (o que deben hacer frente a un gran pedido de un único diseño). 

El microfresado o grabado es un modo popular de crear chips microfluídicos: se empieza con una placa en blanco (llamada comúnmente "oblea") y se graban o se excavan canales y estrías. Muchas máquinas de control numérico computerizado (CNC) de escritorio son capaces de fresar chips microfluídicos y milifluídicos. 

La impresión 3D es básicamente lo contrario de las tecnologías sustractivas como el mecanizado CNC o el grabado. Mientras que estas últimas requieren excavar canales en una oblea, las impresoras 3D construyen chips microfluídicos a partir de materias primas.

La fabricación aditiva (impresión 3D) ofrece varias ventajas respecto a los métodos de producción de chips tradicionales, incluido un ahorro considerable de tiempo y de dinero gracias a imprimir en tus instalaciones, así como la capacidad de someter a ensayo rápidamente diseños tridimensionales complejos. 

El primero y más importante de los ahorros de dinero es el asociado a imprimir en 3D en tus propias instalaciones. Solicitar a un tercero un chip milifluídico hecho a media suele resultar extremadamente caro, y puedes tardar hasta dos meses en tener un prototipo en tu mano. Por otro lado, las impresoras SLA pueden imprimir cualquier geometría que necesites en tu propio laboratorio, y la tendrías lista en cuestión de horas, no de meses.

He aquí el desglose de un único chip grande impreso en 3D con la Form 3 y fabricado mediante litografía:

Las impresoras SLA permiten a los equipos de investigación someter a ensayo chips fluídicos con rapidez, con lo que pueden realizar ajustes basados en opiniones en tiempo real.

Los diseños complejos solo se ven limitados por lo que un usuario puede crear en CAD, con lo que por primera vez, es posible llevar a cabo ensayos rápidos de chips microfluídicos y milifluídicos en laboratorios. En los chips milifluídicos impresos en 3D, los canales pueden tomar cualquier trayectoria tridimensional. En comparación, los canales de vidrio grabados están limitados a un plano bidimensional y a una sección transversal de forma rectangular. Esto puede resultar especialmente útil para los estudiantes que quieran entender cómo distinto canales mezclan los fluidos. 

Los canales 3D destacan una ventaja única e importante de imprimir en 3D in situ modelos milifluídicos. Los relieves 3D afilados interrumpen el flujo laminar en los canales estrechos y permiten a los diseñadores controlar cuándo y cómo se mezclan los fluidos. 

El equipo de ingeniería de Formlabs quiso someter a ensayo estos elementos 3D, de modo que diseñaron, imprimieron y sometieron a ensayo una geometría milifluídica 3D única que incluía un canal en espiral. Los mezcladores se sometieron a ensayo usando colorante alimentario estándar disuelto en agua del grifo. Una jeringa se llenó de amarillo y la otra de azul. Cada uno de los colores se inyectó en un puerto de mezclado impreso directamente en el chip. A continuación, la mezcla se proyectó sobre una superficie blanca, donde se pudo observar la uniformidad del mezclado. 

Formlabs ofrece varias opciones de resinas con transparencia óptica, que ofrecen otra ventaja a los chips impresos en 3D, ya que materiales diferentes pueden ofrecer un mejor diseño de los chips y mejores propiedades de mezclado. Aunque la Clear Resin (de la familia de resinas estándar) es excelente para la creación de prototipos, la Surgical Guide Resin y la High Temp Resin ofrecen además las propiedades necesarias para las aplicaciones comunes de la microfluídica.

La Surgical Guide Resin es más rígida que la Clear Resin. Destaca a la hora de resolver relieves negativos y es un material biocompatible y esterilizable en autoclave. La Surgical Guide Resin también puede imprimirse con una altura de capa de 50 micras para obtener una geometría de los canales aún más precisa. Esto podría ayudar a minimizar aún más los diseños de los chips y los canales, haciendo posibles chips impresos en 3D verdaderamente microfluídicos.

Hay algo que podemos dar por seguro: la microfluídica y la milifluídica seguirán potenciando nuevos avances en la ciencia.

La impresión in situ crea nuevas oportunidades para la microfluídica y milifluídica. Diseños de chips personalizados clave, que se usan en aplicaciones de ingeniería, el análisis médico avanzado e instituciones educativas, se pueden diseñar e imprimir in situ con impresoras 3D SLA asequibles de alta resolución.

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