sponsoriséManejo de líquidos Un nuevo enfoque de la microfluídica: mejorar el rendimiento, la sostenibilidad y la rentabilidad

Las exigencias que deben cumplir los sistemas modernos de análisis, diagnóstico y ciencias de la vida aumentan continuamente. Hoy en día, las plataformas de secuenciación, los sistemas de PCR y las tecnologías «organ-on-a-chip» no solo deben funcionar con mayor precisión y rendimiento, sino que, al mismo tiempo, deben ser más compactas, más rentables y más fáciles de escalar. Los sistemas de control de fluidos pueden constituir, en este sentido, características diferenciadoras decisivas. 

Durante mucho tiempo, los sistemas de bombeo y las válvulas de los equipos de laboratorio se consideraban simplemente una infraestructura necesaria, cuya función consistía en hacer circular líquidos de forma fiable a través de un sistema microfluídico. Sin embargo, hoy en día se ha demostrado que las soluciones de control de fluidos eficaces e innovadoras influyen de manera decisiva en la precisión del manejo de los fluidos, el esfuerzo de mantenimiento, el consumo de reactivos, la escalabilidad y los costes totales de explotación.

Costes ocultos de los sistemas mecánicos de control de fluidos

En numerosas aplicaciones de análisis y de laboratorio se siguen utilizando bombas de jeringa y válvulas rotativas. Estas tecnologías consolidadas presentan inconvenientes que cobran cada vez más importancia en los modernos sistemas de alto rendimiento.

Además de los elevados costes de adquisición, las bombas y válvulas de funcionamiento mecánico se desgastan rápidamente y, por lo tanto, requieren un mantenimiento periódico, ya que deben sustituirse. Es necesario realizar calibraciones y los tiempos de inactividad pueden afectar considerablemente a la disponibilidad de un instrumento. Especialmente en sistemas con varias celdas de flujo, las arquitecturas clásicas suelen alcanzar sus límites de escalabilidad. Los canales adicionales suelen requerir más bombas, válvulas y sensores, lo que aumenta considerablemente el esfuerzo de integración y calibración, así como los costes de mantenimiento.

A esto hay que añadir los costes operativos derivados de los volúmenes muertos dentro del sistema de fluidos. Cada microlitro de reactivo que queda en los conductos, distribuidores o válvulas aumenta el coste por análisis. Dado que muchas aplicaciones de biología molecular utilizan reactivos de alto coste, incluso una pequeña reducción de estas pérdidas puede suponer importantes ventajas económicas. Al mismo tiempo, los recorridos de flujo complejos aumentan el riesgo de efectos de arrastre y de contaminación, lo que conlleva ciclos de lavado adicionales y, por lo tanto, un mayor consumo de recursos.

Por qué las celdas de flujo plantean requisitos especialmente exigentes

Cuando es necesario hacer circular líquidos con precisión a través de celdas de flujo o chips microfluídicos, la calidad del control de fluidos influye directamente en la calidad de los resultados de los análisis. Incluso pequeñas fluctuaciones de presión, burbujas de aire o corrientes turbulentas pueden afectar a la reproducibilidad, falsear los ensayos o, en el peor de los casos, inutilizar por completo un ciclo de análisis.

Para los desarrolladores de equipos, esto supone un equilibrio constante entre un volumen muerto mínimo, una alta capacidad de lavado, la máxima precisión y una producción rentable. Al mismo tiempo, los componentes utilizados deben ser resistentes a los reactivos agresivos y funcionar de forma fiable a lo largo de millones de ciclos de conmutación y bombeo. Por lo tanto, el reto ya no radica únicamente en la selección de componentes individuales, sino en el desarrollo de un sistema de control de fluidos optimizado de forma integral.

Ventajas del sistema «air-over-liquid»

En este contexto, el transporte de fluidos basado en la presión atmosférica está cobrando cada vez más importancia. A diferencia de las bombas de desplazamiento clásicas, en este caso el líquido no se transporta directamente. En su lugar, se ejerce una presión definida sobre el espacio de aire de un depósito, lo que hace que el líquido se desplace de forma controlada a través del sistema microfluídico. Este principio, denominado «air-over-liquid» o «pressure-driven flow», separa por completo los componentes neumáticos del recorrido real del líquido.

Las ventajas de esta arquitectura van mucho más allá del mero bombeo del fluido. Dado que el líquido no es transportado por la propia bomba, se reducen los riesgos derivados de incompatibilidades de materiales, contaminaciones o desgaste. Al mismo tiempo, los sensores modernos y los circuitos cerrados de regulación permiten un control preciso de los perfiles de presión y caudal. Incluso ante cambios en la viscosidad o la resistencia al flujo, se pueden mantener unas condiciones de bombeo constantes.

Bomba en miniatura para las exigencias más altas

La bomba piezoeléctrica Disc Pump de Lee se ha desarrollado para este principio de funcionamiento. Mientras que las fuentes de presión clásicas suelen ser grandes, pesadas y presentar pulsaciones, la Disc Pump permite generar presión de forma extremadamente compacta y precisa. Con sus reducidas dimensiones —apenas unos pocos milímetros de altura y un diámetro de 30 mm—, puede integrarse incluso en los espacios de montaje más exigentes y abre nuevas posibilidades para la miniaturización de plataformas de análisis complejas.

Su característica principal es el funcionamiento ultrasónico sin pulsaciones a 20 000 Hz. Esto permite generar flujos laminares estables, tal y como se requieren, en particular, en plataformas de secuenciación, sistemas de PCR, aplicaciones de «órgano en un chip» y dispositivos de análisis microfluídico. Al mismo tiempo, gracias a su accionamiento piezoeléctrico, la Disc Pump reacciona en milisegundos ante los cambios que se producen en el sistema. En combinación con sensores de presión y caudal, se crean circuitos de regulación altamente dinámicos, capaces de reaccionar de forma continua ante los cambios en la fluídica.

Esta rápida capacidad de respuesta no solo permite una dosificación precisa de líquidos, sino que también permite supervisar las resistencias a los fluidos dentro de un chip y proporciona información valiosa sobre cambios biológicos o mecánicos en el proceso. Los picos de presión provocados por burbujas de aire, obstrucciones o cambios en el ensayo pueden detectarse y compensarse de forma temprana. De este modo, aumenta la probabilidad de que los ciclos de análisis se completan con éxito y, al mismo tiempo, se reduce el consumo de recursos debido a mediciones fallidas.

Sin embargo, los desarrolladores siguen mostrando escepticismo ante los sistemas neumáticos. A menudo se da por sentado que la fluídica basada en la presión no alcanza la precisión necesaria o favorece la formación de burbujas de aire. Sin embargo, los sistemas modernos ofrecen una perspectiva diferente. La elevada velocidad de regulación de la Disc Pump permite una adaptación mucho más rápida a los cambios en las condiciones del proceso que muchas bombas de jeringa convencionales. De este modo, es posible mantener los caudales y los perfiles de presión con gran precisión. Además, su funcionamiento con bajas pulsaciones reduce el riesgo de formación de burbujas de aire. 

Los sistemas basados en la Disc Pump ofrecen, por tanto, una combinación de precisión, estabilidad y fiabilidad del proceso que satisface plenamente los requisitos de las plataformas de diagnóstico y análisis actuales.

Escalabilidad fácil de usar

Otra ventaja de los sistemas basados en presión se pone de manifiesto en la escalabilidad. Mientras que las bombas de jeringa convencionales suelen tener que ampliarse canal por canal, los sistemas neumáticos pueden suministrar varios flujos de fluido a través de barras de presión comunes. Esto reduce el espacio de instalación y simplifica considerablemente la integración de canales de análisis adicionales.

En concreto, la combinación de la bomba de disco, los sensores y las válvulas miniaturizadas permite crear sistemas compactos de control de fluidos capaces de abastecer a varias células de flujo al mismo tiempo. Para los fabricantes de plataformas de secuenciación o de sistemas de alto rendimiento, esto abre nuevas posibilidades para aumentar el rendimiento de sus dispositivos sin que el tamaño y la complejidad aumenten proporcionalmente.

Soluciones con garantía de futuro

Las soluciones de control de fluidos están pasando de ser un subsistema de apoyo a convertirse en un elemento diferenciador de los modernos equipos de análisis y diagnóstico. Si bien las arquitecturas tradicionales siguen teniendo su razón de ser, cada vez se topan más con sus límites en aspectos como la escalabilidad, el esfuerzo de mantenimiento y los costes del sistema.Los sistemas «air-over-liquid» ofrecen enfoques innovadores. La bomba de disco combina un diseño compacto, una alta precisión de regulación, un flujo sin pulsaciones y una larga vida útil en un único componente. De este modo, da respuesta a los principales retos de los sistemas microfluídicos modernos y ayuda a los fabricantes a desarrollar instrumentos más eficientes, más económicos y preparados para el futuro.