“El laboratorio en un chip”: un estudio revoluciona la microfluídica, la ciencia de los volúmenes pequeños que es clave para el desarrollo de fármacos

La microfluídica se dedica al control de flujos en canales o tuberías de tamaño micrométrico. Esta ciencia ha transformado el control de pequeños volúmenes de fluidos, convirtiéndose en una herramienta indispensable para estudios químicos y biológicos como la síntesis química, el desarrollo de fármacos y los análisis de células individuales.

Ahora, investigadores de la UGR han participado en el desarrollo de nuevas técnicas de manipulación de objetos a tamaño 'micro' en suspensión que proporcionan capacidades mejoradas mediante el uso de láser. Dos artículos publicados en Nature Photonics y Lab on a Chip, respectivamente, documentan los avances.

Ambas soluciones utilizan el láser para facilitar la realización de tareas que con otras técnicas no son posibles. Los dos trabajos forman parte de una colaboración estable entre los grupos de investigación Nanoparticle Trapping Laboratory (NanoTLab) de la UGR y Nanophotonic Systems Laboratory (NSL), liderado por el profesor Romain Quidant del ETH Zürich (Suiza).

El potencial de la microfluídica reside en varias fortalezas de la tecnología. "Reduce de manera muy significativa la cantidad de muestra necesaria para realizar ensayos, algo que resulta crucial en el caso de las muestras de origen biológico: por ejemplo, a la hora de reducir la cantidad de sangre necesaria durante los experimentos, pasando de decenas de mililitros a solo una gota. También implica la disminución de costes por el uso de los reactivos, que suelen ser muy caros. Otra ventaja es que mejora la manipulación de especímenes de manera individual, ya sean células, bacterias o micropartículas", detalla Raúl Alberto Rica Alarcón, profesor de Física Aplicada de la UGR y responsable del NanoTLab.

La tecnología 'Lab on a chip' se dedica a desarrollar una serie de herramientas que emulan aquellas que se utilizan de manera rutinaria en laboratorios, pero a escala microscópica, permitiendo la integración en paralelo de distintos protocolos analíticos en un dispositivo del tamaño de un chip, donde múltiples funcionalidades deben integrarse para ofrecer un entorno de trabajo completo.

Entre las tareas a realizar en tales dispositivos están la caracterización, clasificación y filtrado selectivo de objetos de tamaño microscópico (células, bacterias, micropartículas funcionalizadas). Las aplicaciones 'Lab on a chip' tradicionales utilizan barreras físicas. Estas, cuando se colocan y moldean estratégicamente, permiten un control integral sobre la manipulación de fluidos —como el bombeo, la mezcla, la división, la fusión y la contención— y facilitan el aislamiento, captura y clasificación de analitos en suspensión, como partículas coloidales, células y polímeros. Sin embargo, a pesar de su utilidad, la rigidez de estas barreras físicas limita significativamente la flexibilidad en las aplicaciones.

Es aquí donde los avances con la firma de la UGR marcan la diferencia. El primero de estos nuevos estudios demuestra la posibilidad de generar límites virtuales al paso de micropartículas basadas en la generación localizada de gradientes de temperatura (1). Los gradientes guían el fluido mediante diferentes mecanismos, que a su vez arrastran las partículas siguiendo trayectorias que se pueden moldear a voluntad con precisión y en tiempo real.

Para lograr esto, se utiliza una cámara microfluídica cuyas superficies están recubiertas de nanopartículas de oro (AuNPs). Cuando un láser excita resonantemente las AuNPs, ambas caras de la cámara se calientan, lo que a su vez provoca flujos de fluido inducidos térmicamente y movimiento de partículas. Controlando de manera precisa qué zonas de la superficie del canal se iluminan con los diferentes haces láser disponibles, es posible generar distribuciones de temperatura que dan lugar a diferentes funcionalidades.

La superposición de múltiples tipos de barreras permite flujos de trabajo más complejos. Las de carácter optofluídico ofrecen grados de libertad adicionales a través de la interacción por separado de los gradientes de temperatura con los fluidos y las partículas. La combinación de estos efectos térmicos sintonizables individualmente brinda un control preciso sobre el movimiento de partículas, la concentración y el posicionamiento dirigido, lo que mejora la detección de analitos y las reacciones de síntesis. Dado que los gradientes de temperatura a microescala se inducen en milisegundos, estas barreras optofluídicas pueden reconfigurarse en tiempo real para adaptarse a las condiciones experimentales cambiantes.

Así, la plataforma no solo replica las funciones de las barreras físicas, sino que permite ajustar la configuración en tiempo real para tareas complejas. Gracias a la activación basada en la luz y los rápidos cambios de temperatura, la herramienta es completamente reconfigurable.

Por otro lado, el artículo en la revista Lab on a Chip (2) detalla la combinación del uso de una pinza óptica, técnica que permite capturar micropartículas en el foco de un haz láser, con una trampa dielectroforética, consistente en el uso de gradientes de campo eléctrico. Este 'mix' posibilita el trabajo con grupos pequeños de partículas, proporcionando la precisión suficiente para manipular de manera individualizada cada partícula dentro del grupo.

La combinación de estas dos técnicas da lugar a experimentos que no son posibles mediante otras vías, caso de la captura controlada de conjuntos específicos de partículas en la trampa dielectroforética. Con esta idea, es posible llevar una a una las partículas deseadas a la trampa dielectroforética mediante la pinza óptica, estudiando así dentro de aquella las interacciones de partículas de distinto tipo en un ambiente controlado.

En resumen, el uso de haces láser en combinación con otras técnicas ofrece posibilidades sin precedentes de manipulación de partículas en la microescala. Por un lado, el calor generado por la luz dentro de una cámara microfluídica crea obstáculos optofluídicos dinámicamente sintonizables y reconfigurables. Por otro lado, las fuerzas ejercidas por los haces de luz directamente actuando sobre las partículas facilitan su manipulación individualizada.

Los resultados denotan que estas soluciones no solo manipulan partículas generando barreras de manera similar a las físicas, sino que pueden diseñarse para ejecutar tareas más complejas. "En concreto, la reconfigurabilidad y precisión demostradas no tienen precedentes, y abren la puerta hacia la automatización de procesos de interés biotecnológico en la microescala. La reconfigurabilidad permite la integración virtual de múltiples tareas dentro de un solo microambiente y la adaptación en tiempo real a una amplia gama de analitos, incluyendo partículas y potencialmente células", concluyen los firmantes del estudio.