Haga un recorrido por el diminuto y maravilloso mundo de los microfluidos

Cuando piensa en micro o nanotecnología, probablemente piense en pequeños dispositivos electrónicos como su teléfono, un pequeño robot o un microchip.

Pero COVID-19 pruebas, que han demostrado ser fundamentales para controlar la pandemia – también son una forma de tecnología miniaturizada. Muchas pruebas de COVID-19 pueden dar resultados en cuestión de horas sin la necesidad de enviar una muestra a un laboratorio, y la mayoría de estas pruebas utilizan un enfoque llamado microfluidos.

soy un profesor de bioingeniería y trabajar con microfluidos para mi investigación.

Todo, desde pruebas de embarazo hasta tiras de glucosa, impresoras de inyección de tinta y pruebas genéticas, se basa en microfluidos. Esta tecnología, desconocida para muchas personas, está en todas partes y es fundamental para muchas de las cosas que hacen girar el mundo moderno.

¿Qué son los microfluidos?

Los sistemas de microfluidos son cualquier dispositivo que procesa cantidades minúsculas de líquidos. Los fluidos viajan a través de canales más delgados que un cabello y pequeñas válvulas pueden abrir y cerrar el flujo. Estos canales están hechos de materiales como vidrio, polímeros, papel o geles.

Una forma de mover fluidos es con una bomba mecánica; otra forma es usar el cargas superficiales de ciertos materiales

; y otro más es utilizar el llamado acción capilar – más comúnmente conocido como mecha. La mecha es el proceso por el cual la energía almacenada dentro del líquido impulsa el líquido a través de espacios estrechos.

A pequeña escala, los fluidos se comportan de formas poco intuitivas. No imagines el flujo turbulento y caótico que sale de una manguera de jardín o de tu regadera. En cambio, en los reducidos volúmenes de un microcanal, los flujos son inquietantemente estables.

Los fluidos se mueven por el canal en corrientes paralelas organizadas, llamadas flujo laminar. El flujo laminar es una de las grandes maravillas de los sistemas microfluídicos. Los fluidos y partículas en flujo laminar siguen caminos que son matemáticamente predecibles – una necesidad para la ingeniería de precisión y el diseño de dispositivos médicos.

Estos procesos, que inspiran a los investigadores, han existido en la naturaleza durante eones. Las plantas transportan nutrientes desde sus raíces hasta las ramas más altas utilizando capilaridad, la inspiración para circuitos de microfluidos que se alimentan de forma autónoma.

Imitando las propiedades físicas de las gotas de lluvia, los químicos han diseñado dispositivos que dividen una muestra en millones de gotas y analizarlas a velocidades vertiginosas

. Cada gota es esencialmente un pequeño laboratorio químico que permite a los químicos estudiar la evolución de biomoléculas y realizar análisis genéticos ultrarrápidos, entre otras cosas.

Y finalmente, cada rincón del cuerpo humano es microfluídico. No podríamos nacer o funcionar sin intrincados capilares sanguíneos que traen alimento, oxígeno y moléculas de señalización a cada célula.

Los beneficios de la tecnología diminuta

Al igual que la microelectrónica, el tamaño es clave en la microfluídica.

A medida que los componentes se hacen más pequeños, los dispositivos pueden confiar en las extrañas propiedades de los líquidos a escalas diminutas, pueden operan más rápido y más eficientemente, y son más baratos de fabricar. La revolución de los microfluidos se ha estado sumando silenciosamente a su contraparte electrónica.

Otro beneficio importante de los dispositivos de microfluidos es que solo requieren cantidades muy pequeñas de líquido y, por lo tanto, pueden ser de tamaño diminuto.

La NASA ha estado considerando analizadores de microfluidos para sus rovers de Marte durante mucho tiempo. El análisis de fluidos preciosos, como la sangre humana, también se beneficia de la capacidad de utilizar pequeñas muestras. Por ejemplo, los medidores de glucosa son instrumentos de microfluidos que requieren solo una gota de sangre para medir el azúcar en sangre de un diabético.

Microfluídica en tecnología, biología y medicina

Lo más probable es que utilice microfluidos con bastante frecuencia en su vida. Las impresoras de inyección de tinta disparan pequeñas gotas de tinta. Las impresoras 3D exprimen el polímero fundido a través de una boquilla de microfluidos. La tinta en plumas estilográficas y bolígrafos fluye a través de principios microfluídicos. Los nebulizadores para pacientes con asma rocían una niebla de gotitas microscópicas de medicamentos. Una prueba de embarazo se basa en el flujo de orina dentro de una tira de papel microfluídico.

En la investigación científica, los microfluidos pueden dirigir medicamentos, nutrientes o cualquier fluido a partes muy específicas de los organismos para simular con mayor precisión procesos biológicos.

Por ejemplo, los investigadores han atrapaba gusanos en canales y los estimulaba con olores para aprender sobre circuitos neuronales. Otro equipo dirigió los nutrientes hacia áreas específicas de la raíz de una planta para observar diferentes reacciones a los productos químicos de crecimiento.

Otros grupos han ideado trampas de microfluidos que físicamente capturar células tumorales raras de la sangre.

Multitudes de chips genéticos de microfluidos proporcionan el poder de secuenciar rápidamente el genoma humano y realizar pruebas de ADN personalizadas como 23andMe una realidad. Nada de esto hubiera sido posible sin los microfluidos.

El futuro de la microfluídica

Los microfluidos serán fundamentales para llevar a la medicina a una nueva era asequible y de ritmo rápido. Dispositivos portátiles que miden sustancias en el sudor. para el seguimiento del ejercicio y Dispositivos implantables que administran localmente medicamentos contra el cáncer al tumor de un paciente. son algunas de las próximas fronteras de la microfluídica biomédica.

Los investigadores están desarrollando sistemas microfluídicos complejos y fascinantes llamados órganos en un chip que tienen como objetivo simular varios aspectos de la fisiología humana.

En mi propio laboratorio y en otros laboratorios de todo el mundo, los equipos están desarrollando plataformas de tumor en un chip para probar cáncer medicamentos de manera más eficiente. Estos avatares de pacientes permitirán a los científicos probar nuevos tratamientos de una manera que no implique el costo, el sufrimiento y los problemas éticos asociados con las pruebas en animales o en humanos.

En mi laboratorio, primero disecamos una biopsia de tumor de un paciente con cáncer en miles de piezas microscópicas regulares que mantenemos con vida. En virtud de su pequeño tamaño, podemos utilizar microfluidos para atrapar los pequeños trozos de tumor en múltiples pozos, un pozo por fármaco.

Estas muestras retienen el entorno celular apropiado del tumor, lo que nos permitirá predecir con mayor precisión cómo funcionará un medicamento para una persona específica.

Imagínese ir al médico, obtener una biopsia y, en menos de una semana, utilizando nuestro dispositivo de microfluidos, el médico puede determinar qué combinación de medicamentos funciona mejor para extirpar su tumor. Eso todavía está en el futuro, pero lo que sí sabemos es que el futuro será microfluídico.

Albert Folch, Catedrático de Bioingeniería, Universidad de Washington.

Este artículo se vuelve a publicar desde La conversación bajo una licencia Creative Commons. Leer el artículo original.

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