Cuando piensas en micro o nanotecnología, es probable que pienses en dispositivos electrónicos pequeños como tu teléfono, un pequeño robot 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 horas sin la necesidad de enviar una muestra a un laboratorio. y la mayoría de estas pruebas utilizan un método llamado microfluídica.

Soy profesor de bioingeniería y trabajo con microfluidos para mi investigación. Todo, desde las pruebas de embarazo hasta las tiras de glucosa, las impresoras de inyección de tinta y las pruebas genéticas, se basan en microfluidos. Esta tecnología, sin que mucha gente lo sepa, 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 utilizar las cargas superficiales de ciertos materiales; y otra más es utilizar la llamada acción capilar, más comúnmente conocida como mecha. La mecha es el proceso mediante 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 lo turbulento, flujo caótico que sale de una manguera de jardín o de la regadera. En lugar de, 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 el flujo laminar siguen trayectorias 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 mediante capilaridad, la inspiración para los circuitos de microfluidos que funcionan de forma autónoma. Imitando las propiedades físicas de las gotas de lluvia, Los químicos han diseñado dispositivos que rompen una muestra en millones de gotitas y las analizan 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 comida, oxígeno y moléculas de señalización a cada célula.

Los beneficios de la tecnología diminuta

Al igual que la microelectrónica, el tamaño es clave en 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 operar 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 muestras pequeñas. 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, biologia 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 fármacos, nutrientes o cualquier fluido a partes muy específicas de organismos para simular con mayor precisión procesos biológicos.

Por ejemplo, Los investigadores han atrapado gusanos en canales y los han estimulado con olores para aprender sobre los circuitos neuronales. Otro equipo dirigió los nutrientes hacia áreas específicas de la raíz de una planta para observar diferentes reacciones a los químicos de crecimiento. Otros grupos han ideado trampas de microfluidos que capturan físicamente células tumorales raras de la sangre. Multitudes de chips genéticos de microfluidos proporcionan el poder de secuenciar rápidamente el genoma humano y hacer realidad las pruebas de ADN personalizadas como 23andMe. Nada de esto hubiera sido posible sin microfluidos.

El futuro de la microfluídica

Los microfluidos serán fundamentales para llevar la medicina a un nuevo de ritmo rápido, era asequible. Los dispositivos portátiles que miden las sustancias presentes en el sudor para controlar el ejercicio y los 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 complejos, fascinantes sistemas de microfluidos 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 los medicamentos contra el cáncer de manera más eficiente. Estos avatares de pacientes permitirán a los científicos probar nuevos tratamientos de una manera que no implica el costo, sufrimiento y 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 usar 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.

Imagina ir al doctor obtener una biopsia extraída, y en menos de una semana, mediante el uso de nuestro dispositivo de microfluidos, el médico puede determinar qué combinación de medicamentos funciona mejor para extirpar el tumor. Que todavía está en el futuro, pero lo que sí sabemos es que el futuro será microfluídico.

Este artículo se ha vuelto a publicar de The Conversation con una licencia de Creative Commons. Lea el artículo original.