Diseño y desarrollo de dispositivos microfluídicos de bajo costo para la generación de microcápsulas
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Universidad Nacional de Tucumán, Facultad de Ciencias Exactas y Tecnología, Departamento de Bioingeniería
Resumen
RESUMEN
El presente trabajo tiene como objetivo diseñar, fabricar y validar funcionalmente plataformas de bajo costo para la generación controlada de microcápsulas de alginato de sodio, orientadas a la protección y liberación de compuestos bioactivos en la industria farmacéutica.
Para eludir los altos costos de la fotolitografía en salas limpias, se utilizaron, evaluaron y compararon dos tecnologías de fabricación accesibles: el micromaquinado por ablación láser CNC, sobre sustratos de símil acetato cristal y películas de PVC, y la impresión 3D mediante Procesamiento Digital de Luz (DLP) en resina estándar. El diseño microfluídico se basó en una intersección en cruz, utilizando aceite vegetal como fase continua y una solución acuosa de alginato como fase dispersa.
Ambas técnicas permitieron la fabricación de gotas. Sin embargo, la evaluación
morfológica de los microcanales determinó un triunfo contundente de la tecnología láser CNC frente a la impresión 3D. El grabado sobre una única capa de símil acetato permitió obtener canales funcionales de hasta 70 μm de ancho con paredes perfectamente lisas, garantizando un sellado adhesivo estanco. Por el contrario, la tecnología DLP evidenció
severas limitaciones para resolver geometrías inferiores a 200 μm debido al
sobrecurado óptico y la retención de resina capilar en los canales. Además, el efecto escalonado (staircasing) propio de la pixelación 3D generó topografías irregulares que impidieron un sellado hermético, provocando la delaminación del chip ante el aumento de la presión hidrodinámica.
En cuanto a la dinámica de encapsulación, se concluyó que la concentración óptima del biopolímero (alginato) es 0.5% (p/p), dado que concentraciones mayores (1%) presentan una alta resistencia viscosa que anula la fuerza de cizallamiento transversal y deriva en un flujo colaminar paralelo. Respecto a la química de gelificación, se validó exitosamente una técnica de reticulación externa (ex situ) utilizando cloruro de calcio.
Finalmente, el análisis demostró que el mayor límite para la estabilización del flujo radica en el instrumental periférico. El uso de bombas de jeringa de empuje solidario limitó las relaciones de caudal, mientras que la incompatibilidad química entre el aceite y la goma de las jeringas generó un avance pulsátil (efecto stick-slip) que indujo picos de sobrepresión destructivos en el canal.
En conclusión, el proyecto confirma la hipótesis inicial: la microfluídica de bajo costo es plenamente viable para la fabricación de microcápsulas. La combinación de la ablación 7 láser CNC sobre acetato y la correcta formulación reológica conforma una plataforma económica, robusta y escalable para tal fin.
Descripción
INDICE
RESUMEN .................................................................................................................. 6
1 INTRODUCCIÓN ........................................................................................... 8
1.1 Motivación e importancia del tema................................................................ 8
1.2 Hipótesis del proyecto...................................................................................... 9
1.3 Objetivos......................................................................................................... 10
1.3.1 Objetivo Principal....................................................................................... 10
1.3.2 Objetivos Específicos................................................................................. 10
2 MARCO TEORICO...................................................................................... 11
2.1 Fundamentos de la microfluídica y laboratorios en chip (Lab-on-a-chip).11
2.2 Dinámica de fluidos en microcanales y formación de microgotas............. 12
2.3 Microfluídica en la fabricación de microgotas............................................ 13
2.3.1 Mecanismos de cizallamiento en la formación de gotas ............................ 13
2.3.2 Relación de caudales .................................................................................. 14
2.4 Microencapsulación y materiales empleados en fases inmiscibles............ 15
2.4.1 Fundamentos de microencapsulación......................................................... 15
2.4.2 Hidrogeles y mecanismos de gelificación iónica ....................................... 15
2.4.3 Dinámica y selección de fases inmiscibles................................................. 16
2.5 Tecnologías de bajo costo para la fabricación de dispositivos microfluídicos
17
2.5.1 Impresión 3D DLP (Digital Light Processing)........................................... 17
2.5.2 Micromaquinado por ablación láser ........................................................... 19
3 MATERIALES Y MÉTODOS ..................................................................... 22
3.1 Diseño digital (CAD) de los microdispositivos............................................ 22
3.1.1 Software para el diseño de los chips para impresión en resina .............. 23
3.1.2 Software para el diseño de los chips para CNC láser................................. 24
3.1.3 Diseño de los chips..................................................................................... 26
3.2 Fabricación de los chips ................................................................................ 31
3.2.1 Protocolo de impresión 3D en resina.......................................................... 31
3.2.2 Protocolo de armado de los chips de CNC láser ........................................ 34
3.3 Ensamblaje y pruebas de viabilidad de canales.......................................... 36
4
3.4 Configuración del sistema de bombeo y conexionado ................................ 38
3.5 Preparación de fluidos de prueba y soluciones de gelificación.................. 40
3.6 Ensayos de generación de gotas.................................................................... 42
3.6.1 Ensayos de aceite vegetal y agua destilada ................................................ 42
3.6.2 Ensayos de aceite vegetal y alginato .......................................................... 43
3.7 Técnicas de observación ................................................................................ 43
3.8 Software ImageJ para el análisis de imágenes............................................ 45
4 RESULTADOS .............................................................................................. 48
4.1 Fabricación de los dispositivos...................................................................... 48
4.1.1 Dispositivos fabricados por ablación láser CNC........................................ 48
4.1.2 Dispositivos fabricados por impresión de resina 3D DLP ......................... 49
4.2 Evaluación morfológica de fabricación........................................................ 54
4.2.1 Dispositivos fabricados por ablación láser CNC........................................ 54
4.2.2 Dispositivos fabricados por impresión 3D DLP......................................... 64
4.3 Resultados de ensamblaje y viabilidad de canales...................................... 99
4.3.1 Evaluación del flujo y desafíos topográficos en el sellado......................... 99
4.3.2 Resistencia hidrodinámica, sobrepresión y fallas de interconexión ....100
4.3.3 Factores instrumentales e interacción de fluidos...................................... 102
4.3.4 Validación funcional final y correlación morfológica.............................. 104
4.4 Resultados de las pruebas de formación de microcápsulas (emulsión W/O)
106
4.4.1 Ensayos iniciales con aceite vegetal y agua destilada con colorante .. 106
4.4.2 Ensayos con alginato al 1%...................................................................... 117
4.4.3 Ensayos alginato al 0.5%.......................................................................... 123
4.5 Evaluación de costos de la fabricación de los chips.................................. 127
4.5.1 Costos asociados a la ablación láser (CNC)............................................. 128
4.5.2 Costos asociados a la impresión 3D (DLP).............................................. 129
5 DISCUSIÓN ................................................................................................. 130
5.1 Análisis del desempeño en la fabricación por ablación láser CNC ......... 130
5.2 Limitaciones de resolución en la fabricación por impresión 3D DLP..... 131
5.3 Análisis comparativo de las tecnologías de fabricación low-cost ............ 132
5
5.4 Desafíos de la interfaz macro-micro (ensamblaje y sellado).................... 134
5.5 Análisis mecánico del sistema de bombeo e inyección.............................. 135
5.6 Dinámica del cizallamiento interfacial....................................................... 137
5.7 Limitaciones del estudio e impacto en los reactivos.................................. 138
6 CONCLUSIÓN ............................................................................................ 140
6.1 Conclusión sobre la hipótesis planteada .................................................... 140
6.2 Conclusiones sobre el diseño y la fabricación ........................................... 140
6.3 Conclusiones sobre el ensamblaje y hermeticidad.................................... 141
6.4 Conclusiones sobre la dinámica de inyección............................................ 142
6.5 Conclusiones sobre la encapsulación y fluidos.......................................... 143
7 PERSPECTIVAS FUTURAS ..................................................................... 144
7.1 Alternativas de gelificación y rediseño del sistema de recolección.......... 144
7.2 Optimización hidrodinámica mediante rediseño CAD ............................ 144
7.3 Actualización del instrumental de inyección periférica ........................... 145
7.4 Interfaz world-to-chip y hermeticidad........................................................ 145
7.5 Encapsulación de compuestos bioactivos reales........................................ 145
8 REFERENCIAS........................................................................................... 146
9 ANEXO I – Registro de mediciones morfológicas y métricas de los
dispositivos............................................................................................................... 149
10 ANEXO II – Análisis métrico de la generación de microgotas in situ.... 165