La fabricación híbrida de dispositivos microfluídicos beneficia al diagnóstico médico
Los sistemas microelectromecánicos microfluídicos son dispositivos de precisión de tamaño nanométrico que combinan componentes mecánicos y eléctricos capaces de manipular fluidos. Son capaces de manejar volúmenes de muestra inferiores a un mililitro, por lo que pueden utilizarse como dispositivos de diagnóstico médico con funciones inteligentes como la detección molecular y el análisis de señales. Apodados «laboratorios en un chip», estos dispositivos suelen fabricarse con polímeros por sus ventajosas propiedades y ofrecen volúmenes bajos de reactivos, un procesamiento rápido y un control preciso, pero los materiales y la fabricación hacen que su producción sea un reto «La viabilidad funcional y comercial de los dispositivos microfluídicos poliméricos depende de la integración rentable de múltiples funcionalidades, materiales y procesos con alta precisión y repetibilidad», afirma Costas Charitidis, coordinador del proyecto financiado con fondos europeos M3DLoC y director del laboratorio R-Nano de la Universidad Politécnica Nacional de Atenas (NTUA, por sus siglas en inglés), entidad anfitriona del proyecto. El equipo de M3DLoC ha desarrollado un prototipo de línea piloto de fabricación digital capaz de producir precisamente este tipo de microfluidos poliméricos, con soluciones específicas que van desde tiradas de bajo volumen hasta lotes a escala piloto de entre diez y mil dispositivos, en función del tamaño, los requisitos del análisis y la complejidad general del diseño de características. «Mediante el uso de tecnologías de impresión tridimensional (3D) en cadenas de procesos híbridos de adición y sustracción, establecimos una línea de producción totalmente digital y automatizada. Esta línea de producción piloto, única y puntera a nivel internacional, podría abrir nuevas oportunidades de mercado en la industria biomédica», añade Eleni Gkartzou, del equipo de coordinación del proyecto en la NTUA.
El proceso de fabricación híbrido
La línea de producción piloto de M3DLoC consta de cinco estaciones de procesamiento y dos sistemas de metrología en línea para garantizar la calidad de los componentes. Los pasos de la secuencia de fabricación pueden modificarse y combinan la fabricación por adición (FA) mediante extrusión y la impresión por inyección de tinta con el micromecanizado y el procesamiento láser. «Este enfoque integrado vincula la microfabricación flexible y la incorporación de varios materiales para producir características microfluídicas con una relación de aspecto alta en sustratos poliméricos, al tiempo que incluye electrodos microestructurados a base de carbono y biomoléculas depositadas con precisión, hasta volúmenes de picolitros», explica Dimitrios Fantanas, también del equipo de coordinación del proyecto en la NTUA
Integración del análisis de muestras en un cartucho
El equipo del proyecto demostró la capacidad de la línea de producción para fabricar dispositivos adecuados para el diagnóstico clínico a través de protocolos y análisis desarrollados por expertos en microfluídica y usuarios finales para biomarcadores víricos (virus de la inmunodeficiencia humana, coronavirus del síndrome respiratorio agudo grave 2), bacterianos (cepas bacterianas de tuberculosis farmacorresistentes) y tumorales (mutaciones del receptor del factor de crecimiento epidérmico). Se simularon varios parámetros —control de fluidos, diseños de sensores y fabricación— y se compararon con los requisitos de los usuarios finales. Además, se desarrollaron materiales termoplásticos bioderivados y tintas conductoras de base acuosa con bajo impacto ambiental capaces de sustituir a materiales más tradicionales, como el silicio y el vidrio. «Los resultados demostraron que los dispositivos de M3DLoC son adecuados para analizar muestras clínicas difíciles y son comparables a los métodos de referencia con validación clínica», señala Charitidis.
Una cadena de valor completa para múltiples aplicaciones
El equipo del proyecto M3DLoC y sus socios afrontaron con éxito las restricciones de la pandemia de COVID-19, momento en que el sistema de FA de M3DLoC se utilizó para producir equipos de protección personal para los profesionales sanitarios. Superaron los obstáculos de la pandemia y consiguieron desarrollar una cadena de valor completa, desde el diseño de prototipos y el desarrollo, la producción y la aplicación de materiales hasta la evaluación del rendimiento. «Los análisis baratos y de alto rendimiento ofrecen un diagnóstico más precoz, una medicina personalizada y un mejor seguimiento de los pacientes, además de reducir los costes sanitarios y mejorar la calidad de vida», afirma Charitidis. Estos dispositivos de diagnóstico también podrían mejorar las técnicas de control de calidad en las industrias química, petrolera y gasística, farmacéutica y alimentaria, y contribuir a los sistemas de vigilancia ambiental y agrícola. «La línea piloto está disponible para los usuarios finales que necesiten una instalación de microfabricación en un entorno industrial de acceso abierto para la producción piloto de productos sanitarios. Acelera la transición de la innovación y el desarrollo a la producción precomercial mediante la creación rápida de prototipos utilizando una fabricación totalmente digitalizada», concluye Charitidis.
Palabras clave
M3DLoC, fabricación por adición, FA, impresión 3D, laboratorios en un chip, multifluídico, polimérico, análisis, diagnóstico, coronavirus del síndrome respiratorio agudo grave 2
