Los sistemas microfluídicos son dispositivos que procesan cantidades diminutas de líquidos.
Los fluidos viajan por canales más finos que un cabello, que pueden estar hechos de vidrio, polímeros, papel o geles, y diminutas válvulas pueden activar o desactivar el flujo.
Estructuras similares han estado presentes en la naturaleza desde hace mucho tiempo; por ejemplo, los tallos de las plantas que transportan nutrientes y la totalidad del cuerpo humano.
Se está investigando la microfluídica, ya que sus posibles aplicaciones podrían tener un impacto revolucionario en el mundo de la medicina.
Por ejemplo, podrían utilizarse en forma de dispositivo implantable que bombea fármacos directamente a un tumor.
Cuando piensa en la micro o nanotecnología, probablemente piensa en pequeños dispositivos electrónicos, como su teléfono, un robot diminuto o un microchip. Pero las pruebas de COVID-19, 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 necesidad de enviar una muestra a un laboratorio, y la mayoría de estas pruebas utilizan un enfoque llamado microfluídica.
Soy profesor de bioingeniería y trabajo con microfluídica para mi investigación. Desde las pruebas de embarazo hasta las tiras de glucosa, pasando por las impresoras de inyección de tinta y las pruebas genéticas, todo depende de la microfluídica. Esta tecnología, de la que muchas personas no son conscientes, está en todas partes y es fundamental para muchas de las cosas que hacen funcionar el mundo moderno.
¿Qué es la microfluídica?
Los sistemas microfluídicos son cualquier dispositivo que procesa cantidades diminutas de líquidos. Los fluidos viajan por canales más finos que un cabello, y diminutas válvulas pueden activar y desactivar el flujo. Estos canales están hechos de materiales como vidrio, polímeros, papel o geles. Una forma de mover los fluidos es con una bomba mecánica; otra es utilizar las cargas superficiales de ciertos materiales; y otra más es utilizar la llamada acción capilar –más conocida comúnmente como capilaridad. La capilaridad es el proceso mediante el cual la energía almacenada en el líquido impulsa el líquido a través de espacios estrechos.
A pequeña escala, los fluidos se comportan de formas poco intuitivas. Olvide el flujo turbulento y caótico que sale de una manguera de jardín o de su ducha. En cambio, en los volúmenes restringidos de un microcanal, los flujos son extrañamente estables. Los fluidos se desplazan por el canal en corrientes paralelas organizadas, lo que se denomina flujo laminar. El flujo laminar es una de las grandes maravillas de los sistemas microfluídicos. Los fluidos y las partículas en flujo laminar siguen trayectorias matemáticamente predecibles, algo indispensable para la ingeniería de precisión y el diseño de dispositivos médicos.
Estos procesos, que inspiran a los investigadores, existen en la naturaleza desde hace eones. Las plantas transportan nutrientes desde sus raíces hasta las ramas más altas mediante capilaridad, la inspiración para los circuitos microfluídicos 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 las analizan a una velocidad vertiginosa. Cada gota es, en esencia, un pequeño laboratorio químico que permite a los químicos estudiar la evolución de las biomoléculas y realizar análisis genéticos ultrarrápidos, entre otras cosas.
Y, por último, cada rincón del cuerpo humano es microfluídico. No podríamos nacer ni funcionar sin los intrincados capilares sanguíneos que llevan alimentos, oxígeno y moléculas de señalización a cada célula.
Los beneficios de la tecnología diminuta
Al igual que en la microelectrónica, en la microfluídica el tamaño es fundamental.
A medida que los componentes se reducen, los dispositivos pueden aprovechar las extrañas propiedades de los líquidos a escala diminuta, pueden funcionar más rápido y con mayor eficiencia, y son más baratos de fabricar. La revolución de la microfluídica ha ido avanzando en silencio a la sombra de su homóloga electrónica.
Otra ventaja importante de los dispositivos microfluídicos es que requieren cantidades muy pequeñas de líquido y, por lo tanto, pueden ser de tamaño diminuto. La NASA lleva mucho tiempo considerando analizadores microfluídicos para sus vehículos exploradores de Marte. El análisis de fluidos preciosos, como la sangre humana, también se beneficia de la capacidad de utilizar muestras pequeñas. Por ejemplo, los glucómetros son instrumentos microfluídicos que solo requieren una gota de sangre para medir el azúcar en sangre de una persona diabética.
Microfluídica en la tecnología, la biología y la medicina
Es probable que utilice la microfluídica con bastante frecuencia en su vida. Las impresoras de inyección de tinta expulsan diminutas gotas de tinta. Las impresoras 3D extruyen polímero fundido a través de una boquilla microfluídica. La tinta de las plumas estilográficas y de los bolígrafos fluye según principios microfluídicos. Los nebulizadores para pacientes con asma pulverizan una niebla de gotas microscópicas de fármaco. Una prueba de embarazo se basa en el flujo de orina dentro de una tira de papel microfluídica.
En la investigación científica, la microfluídica puede dirigir fármacos, nutrientes o cualquier fluido a partes muy específicas de los organismos para simular con mayor precisión los procesos biológicos.
Por ejemplo, los investigadores han atrapado gusanos en canales y los han estimulado con olores para conocer los circuitos neuronales. Otro equipo dirigió nutrientes hacia zonas específicas de la raíz de una planta para observar distintas reacciones a las sustancias reguladoras del crecimiento. Otros grupos han diseñado trampas microfluídicas que físicamente capturan células tumorales raras de la sangre. Multitud de chips genéticos microfluídicos permiten secuenciar el genoma humano con rapidez y hacer realidad pruebas de ADN personalizadas, como 23andMe. Nada de esto habría sido posible sin la microfluídica.
El futuro de la microfluídica
La microfluídica será fundamental para llevar la medicina a una era nueva, de ritmo acelerado y asequible. Los dispositivos portátiles que miden sustancias en el sudor para el seguimiento del ejercicio y los dispositivos implantables que administran fármacos contra el cáncer de forma localizada en el tumor del paciente son algunas de las próximas fronteras de la microfluídica biomédica.
Los investigadores están desarrollando sistemas microfluídicos complejos y fascinantes denominados órganos en un chip que pretenden simular distintos 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 fármacos contra el cáncer de forma más eficiente. Estos avatares de pacientes permitirán a los científicos probar nuevos tratamientos de una manera que no conlleva el coste, el sufrimiento ni los problemas éticos asociados a las pruebas en animales o en seres humanos. En mi laboratorio, primero diseccionamos una biopsia tumoral de un paciente con cáncer en miles de piezas microscópicas regulares que mantenemos vivas. Gracias a su pequeño tamaño, podemos utilizar la microfluídica para atrapar las diminutas piezas tumorales en varios pocillos, uno por fármaco. Estas muestras conservan el entorno celular adecuado del tumor, lo que nos permitirá predecir con mayor precisión cómo funcionará un fármaco en una persona concreta.
Imagine que acude al médico, le extraen una biopsia y, en menos de una semana, gracias a nuestro dispositivo microfluídico, el médico puede determinar qué combinación de fármacos funciona mejor para extirpar su tumor. Eso todavía está en el futuro, pero lo que sí sabemos es que el futuro será microfluídico.
