Asistemas microfluídicos integrados con microimpulsores de activación termo-neumática para aplicaciones lab-on-chip

Resumen

RESUMEN Este trabajo está centrado en la investigación de nuevas estructuras microfluídicas en tecnología de microsistemas orientadas al control y transporte de fluidos a escala microscópica para aplicaciones Lab-on-Chip (LOC). En vista de las necesidades actuales en este campo en cuanto a capacidad de integración, portabilidad y coste de fabricación, el objetivo consiste en establecer una metodología de diseño fácil e intuitiva a la hora abordar el desarrollo de plataformas microfluídicas. En el capítulo 1 se ha descrito la motivación que ha impulsado el desarrollo del microimpulsor termo-neumático descrito, explicando la utilidad del concepto propuesto y analizando sus aplicaciones más inmediatas. También se han mencionado los requerimientos que deben cumplirse para alcanzar los objetivos propuestos, con intención de desarrollar una propuesta interesante y novedosa en este campo. A continuación, en el capítulo 2 se ha realizado un estudio de los materiales y procesos de fabricación más extendidos, con especial énfasis en el empleo de polímeros, para establecer la base tecnológica sobre la que se desarrollará el resto de este trabajo. También se ha realizado un breve repaso de las leyes que rigen la mecánica de fluidos a escala microscópica para el posterior diseño y modelado matemático del dispositivo. En este sentido, la equivalencia con la teoría de circuitos ha sido estudiada para poder analizar posteriormente el comportamiento fluídico del microimpulsor. A continuación se ha llevado a cabo un completo estudio del estado del arte de las microválvulas centrado en las de actuación electrotérmica, como la presentada en este trabajo. Por último, puesto que el objetivo final consiste en llevar a cabo su integración en una plataforma microfluídica, se ha presentado el estado del arte de los dispositivos LOC existentes en la bibliografía reciente, mostrado algunos ejemplos de integración LOC publicados así como algunos disponibles en el mercado. Partiendo del estado del arte, se ha concebido una nueva estructura de sistema microimpulsor, diseñando una microválvula electrotérmica integrada junto con un mecanismo de actuación neumático. El capítulo 3 comienza presentando la estructura y el principio básico de funcionamiento de este dispositivo, analizando separadamente el sistema de presurización integrado y la microválvula. Este último componente ha sido ampliamente estudiado desde la perspectiva de los dos mecanismos que intervienen en su activación, mecánico y térmico. Sobre esta base, se han planteado modelos matemáticos y simulaciones para comprender los mecanismos involucrados en la activación del dispositivo, realizar su correcto dimensionado, y así poder determinar sus condiciones óptimas de funcionamiento. Finalmente, el siguiente apartado se ha centrado en el estudio del sistema microimpulsor completo desde la perspectiva microfluídica con intención de realiza un modelado que permita predecir el transporte de fluido 27 llevado a cabo, basándose en la equivalencia fluídico-electrónica. De nuevo las simulaciones numéricas han determinado que el modelo empleado resulta válido como herramienta de diseño y que es aplicable al modelado matemático de sistemas microfluídicos más complejos. En el capítulo 4 se ha descrito el proceso de fabricación del dispositivo completo en la sala blanca así como su caracterización experimental en el laboratorio. Tomando como referencia las tecnologías de fabricación estudiadas en el capítulo 2, en primer lugar se ha mostrado el flujo de procesos llevado a cabo, desarrollando un procedimiento para presurizar y sellar monolíticamente microdepósitos. Una vez fabricado el dispositivo, se han realizado una serie de ensayos experimentales para caracterizar completamente la microválvula así como para determinar el nivel de estanqueidad del sistema cuando almacena aire a presión. Con estos datos se han obtenido las zonas de operación de la microválvula, diferenciando el mecanismo de activación dominante en su activación, lo que permite la posibilidad de optimizar el consumo en función de las necesidades específicas de la aplicación. A continuación se ha realizado un análisis comparativo de los datos experimentales frente a los modelos matemáticos y resultados de simulación planteados en el capítulo 3, observando una buena correlación y justificando la validez de las hipótesis empleadas. Por último, las prestaciones de la microválvula evaluada han sido comparadas con las de otros dispositivos similares publicados en la literatura, presentando unas características apropiadas de cara a su integración en el sistema microimpulsor. Asimismo, los ensayos de estanqueidad realizados sobre el dispositivo completo han validado el procedimiento de presurización descrito. A continuación, el capítulo 5 se ha centrado en la integración del dispositivo evaluado en varias propuestas de plataformas microfluícas básicas. Para ello se ha llevado a cabo un primer diseño formado por el microimpulsor unido a un circuito microfluídico, con el objetivo de que la activación de la microválvula desencadene el transporte de fluido requerido para realizar el mezclado de dos muestras. El sistema ha sido diseñado aplicando la equivalencia con teoría de circuitos descrita anteriormente, y empleando simulaciones con bloques modulares que modelan matemáticamente el comportamiento fluídico. Tras fabricar y caracterizar el dispositivo en el laboratorio, los resultados obtenidos demuestran un comportamiento similar al teórico, validando el concepto propuesto como herramienta de diseño y fabricación de sistemas microfluídicos pasivos. Por último, se ha desarrollado una plataforma genérica que combina dos etapas de impulsión neumática, demostrando que el concepto de diseño modular propuesto podría ser fácilmente ampliable a un número mucho mayor de elementos fluídicos pasivos así como de etapas de impulsión neumáticas. Para finalizar, en el capítulo 6 se han presentado las conclusiones de esta investigación, destacando las aportaciones originales de la misma. Entre ellas se encuentran la estructura del microimpulsor propuesto, el proceso de fabricación empleado para sellar monolíticamente depósitos presurizados, el procedimiento de diseño para modelar sistemas microfluídicos pasivos con flujos impulsados por diferencia de presiones aplicando la equivalencia con la teoría de circuitos, y finalmente la integración de este concepto en términos de fabricación. Estas contribuciones ofrecen un mecanismo de transporte de fluido que elimina la necesidad de emplear interfaces microfluídicas externas y abre un amplio abanico de posibilidades en el desarrollo de dispositivos LOC portátiles. Por último, también se han mencionado las posibles mejoras que podrían aplicarse al dispositivo y las futuras líneas de investigación orientadas a aumentar la funcionalidad de la plataforma microfluídica.