El proceso de fabricación en un solo paso produce rápidamente reactores químicos en miniatura que podrían usarse para detectar enfermedades o analizar sustancias

Adán Zewe | Noticias del MIT

Los investigadores del MIT han utilizado la impresión 3D para producir dispositivos de microfluidos autocalentables, demostrando una técnica que algún día podría usarse para crear rápidamente herramientas baratas pero precisas para detectar una serie de enfermedades.

Los microfluidos, máquinas miniaturizadas que manipulan fluidos y facilitan reacciones químicas, se pueden utilizar para detectar enfermedades en pequeñas muestras de sangre o fluidos. Los kits de prueba caseros para Covid-19, por ejemplo, incorporan un tipo simple de microfluido.

Pero muchas aplicaciones de microfluidos requieren reacciones químicas que deben realizarse a temperaturas específicas. Estos dispositivos de microfluidos más complejos, que normalmente se fabrican en una sala limpia, están equipados con elementos calefactores hechos de oro o platino mediante un proceso de fabricación complicado y costoso que es difícil de ampliar.

En cambio, el equipo del MIT utilizó la impresión 3D multimaterial para crear dispositivos de microfluidos autocalentables con elementos calefactores integrados, a través de un proceso de fabricación único y económico. Generaron dispositivos que pueden calentar el fluido a una temperatura específica a medida que fluye a través de canales microscópicos dentro de la pequeña máquina.

Su técnica es personalizable, por lo que un ingeniero podría crear un microfluido que caliente el fluido a una temperatura determinada o a un perfil de calentamiento determinado dentro de un área específica del dispositivo. El proceso de fabricación de bajo costo requiere alrededor de 2 dólares en materiales para generar un microfluido listo para usar.

El proceso podría ser especialmente útil para crear microfluidos autocalentables para regiones remotas de países en desarrollo donde los médicos pueden no tener acceso al costoso equipo de laboratorio necesario para muchos procedimientos de diagnóstico.

“Las salas limpias en particular, donde normalmente se fabrican estos dispositivos, son increíblemente costosas de construir y operar. Pero podemos fabricar dispositivos de microfluidos autocalentables muy capaces mediante la fabricación aditiva, y se pueden fabricar mucho más rápido y más barato que con estos métodos tradicionales. Esta es realmente una forma de democratizar esta tecnología”, dice Luis Fernando Velásquez-García, científico principal de los Laboratorios de Tecnología de Microsistemas (MTL) del MIT y autor principal de un artículo que describe la técnica de fabricación.

En el artículo lo acompaña el autor principal Jorge Cañada Pérez-Sala, estudiante de posgrado en ingeniería eléctrica e informática. La investigación se presentará en la Conferencia PowerMEMS de este mes.

Un aislante se vuelve conductor.

Este nuevo proceso de fabricación utiliza una técnica llamada impresión 3D por extrusión multimaterial, en la que se pueden inyectar varios materiales a través de las numerosas boquillas de la impresora para construir un dispositivo capa por capa. El proceso es monolítico, lo que significa que todo el dispositivo se puede producir en un solo paso en la impresora 3D, sin necesidad de ningún montaje posterior.

Para crear microfluidos que se calientan espontáneamente, los investigadores utilizaron dos materiales: un polímero biodegradable conocido como ácido poliláctico (PLA) que se usa comúnmente en la impresión 3D y una versión modificada de PLA.

El PLA modificado ha mezclado nanopartículas de cobre con el polímero, lo que convierte este material aislante en un conductor eléctrico, explica Velásquez-García. Cuando se alimenta corriente eléctrica a una resistencia compuesta de este PLA dopado con cobre, la energía se disipa en forma de calor.

“Es sorprendente si lo piensas porque el material PLA es un dieléctrico, pero cuando se le añaden estas impurezas de nanopartículas, las propiedades físicas cambian por completo. Esto es algo que aún no comprendemos del todo, pero sucede y se puede repetir”, afirma.

Utilizando una impresora 3D multimaterial, los investigadores fabrican una resistencia calefactora a partir de PLA dopado con cobre y luego imprimen el dispositivo microfluídico, con canales microscópicos a través de los cuales el fluido puede fluir, directamente encima en un solo paso de impresión. Debido a que los componentes están hechos del mismo material base, tienen temperaturas de impresión similares y son compatibles.

El calor disipado por la resistencia calentará el fluido que fluye a través de los canales del microfluido.

Además de la resistencia y el microfluido, utilizan la impresora para agregar una capa delgada y continua de PLA que se intercala entre ellos. Es especialmente desafiante fabricar esta capa porque debe ser lo suficientemente delgada como para que el calor pueda transferirse de la resistencia al microfluido, pero no tan delgada como para que el fluido pueda filtrarse hacia la resistencia.

La máquina resultante tiene aproximadamente el tamaño de una moneda de veinticinco centavos de dólar estadounidense y puede producirse en cuestión de minutos. Se pasan canales de aproximadamente 500 micrómetros de ancho y 400 micrómetros de alto a través del microfluido para transportar fluido y facilitar las reacciones químicas.

Es importante destacar que el material PLA es translúcido, por lo que el líquido en el dispositivo permanece visible. Muchos procesos se basan en la visualización o el uso de la luz para inferir lo que sucede durante las reacciones químicas, explica Velásquez-García.

Reactores químicos personalizables

Los investigadores utilizaron este proceso de fabricación de un solo paso para generar un prototipo que podía calentar el fluido 4 grados Celsius mientras fluía entre la entrada y la salida. Esta técnica personalizable podría permitirles fabricar dispositivos que calentarían fluidos en ciertos patrones o según gradientes específicos.

“Puedes utilizar estos dos materiales para crear reactores químicos que hagan exactamente lo que quieras. Podemos configurar un perfil de calentamiento particular sin dejar de tener todas las capacidades del microfluido”, dice.

Sin embargo, una limitación proviene del hecho de que el PLA sólo puede calentarse a unos 50 grados Celsius antes de que comience a degradarse. Muchas reacciones químicas, como las que se utilizan para las pruebas de reacción en cadena de la polimerasa (PCR), requieren temperaturas de 90 grados o más. Y para controlar con precisión la temperatura del dispositivo, los investigadores necesitarían integrar un tercer material que permita detectar la temperatura.

Además de abordar estas limitaciones en trabajos futuros, Velásquez-García quiere imprimir imanes directamente en el dispositivo de microfluidos. Estos imanes podrían permitir reacciones químicas que requieran clasificar o alinear partículas.

Al mismo tiempo, él y sus colegas están explorando el uso de otros materiales que podrían alcanzar temperaturas más altas. También están estudiando el PLA para comprender mejor por qué se vuelve conductor cuando se añaden ciertas impurezas al polímero.

«Si podemos comprender el mecanismo relacionado con la conductividad eléctrica del PLA, mejoraría enormemente la capacidad de estos dispositivos, pero será mucho más difícil de resolver que otros problemas de ingeniería», añade.

“En la cultura japonesa se suele decir que la belleza reside en la sencillez. Este sentimiento se repite en el trabajo de Cañada y Velásquez-García. Sus sistemas de microfluidos impresos monolíticamente en 3D propuestos encarnan simplicidad y belleza, y ofrecen una amplia gama de derivaciones y aplicaciones potenciales que prevemos en el futuro”, dice Norihisa Miki, profesora de ingeniería mecánica en la Universidad de Keio en Tokio, que no participó en este trabajo.

“Poder imprimir directamente chips de microfluidos con canales fluídicos y características eléctricas al mismo tiempo abre aplicaciones muy interesantes al procesar muestras biológicas, como amplificar biomarcadores o activar y mezclar líquidos. Además, debido al hecho de que el PLA se degrada con el tiempo, se puede incluso pensar en aplicaciones implantables en las que los chips se disuelven y se reabsorben con el tiempo”, añade Niclas Roxhed, profesor asociado del Real Instituto Tecnológico KTH de Suecia, que no participó en este estudio estudiar.