Los biorreactores de volumen de nanolíticos para la frabricación de dispositivos microfluídicos consisten en microcanales grabados o estampados en sustratos hechos de polímero, vidrio o silicio. Las intrincadas conexiones de los microcanales a biorreactores con algunas estructuras mecánicas inteligentes como trampas o curvaturas cumplen las funcionalidades deseadas, como la mezcla, la separación, el control del flujo o el establecimiento del entorno para las reacciones bioquímicas. Aquí, describimos los métodos de fabricación de un microbioreactor termoplástico paso a paso. Primero, se realiza la selección del material; luego, se determinan los métodos de producción con el equipo que se puede adquirir fácilmente en un laboratorio. Se eligió COP (polímero de olefina cíclica) por sus características sobresalientes entre muchos polímeros. Se diseñan dos tipos de biorreactores de volumen, con y sin electrodos, utilizando los programas AutoCAD y L-edit. Se emplean la fotolitografía y el grabado electroquímico húmedo para la preparación del molde maestro. Se utiliza un evaporador térmico para la deposición de cromo puro y oro sobre el sustrato de COP, y se usan grabadores para formar los electrodos interdigitados. Una vez producido el molde maestro, se utiliza el termoestampado para obtener la forma diseñada en el COP perforado y planarizado. La cubierta de COP, con o sin electrodos, se une al COP termoestampado mediante termocompresión, y se realiza el dispositivo microfluídico termoplástico. Se conectan tubos al dispositivo y se establece un puente entre el macromundo y el micromundo. Células de levadura o de mamíferos marcadas o etiquetadas con GFP/RFP en productos genéticos específicos se cargan en el dispositivo microfluídico, y se recopilan datos en tiempo real sobre las dimensiones celulares y la intensidad de fluorescencia utilizando un microscopio de fluorescencia invertido; finalmente, se utiliza el procesamiento de imágenes para analizar los datos adquiridos.
El éxito sin precedentes de la industria microelectrónica en la integración de dispositivos de biorreactores de volumen de tamaño micro y nano a muy altas densidades utilizando métodos de fabricación como la litografía, la deposición de películas delgadas y el grabado, allanó el camino para el desarrollo de plataformas microfluídicas. La fuerza impulsora de estas tecnologías siempre ha sido miniaturizar los sistemas de análisis bioquímicos de tamaño de escritorio. La principal ventaja de la miniaturización en estos sistemas es la reducción del volumen de la muestra y del reactivo. Los dispositivos microfluídicos también proporcionan una transferencia de calor más rápida, tiempos de proceso más cortos y una mejor automatización. Las aplicaciones biológicas y médicas en el cultivo celular, la detección de fármacos y los sistemas de punto de atención (POC) adoptan la tecnología microfluídica debido a la integración de varios pasos en plataformas únicas automatizadas, lo que las convierte en plataformas potentes para estudios de células individuales. El cultivo, la separación/aislamiento, la detección y el análisis de células individuales se pueden realizar correctamente dentro de los dispositivos microfluídicos a altas tasas de rendimiento, alta reproducibilidad y alta automatización, con un funcionamiento fácil y de bajo costo. Existe una demanda creciente de estas tecnologías microfluídicas en el mercado global. Este mercado se ha segmentado en hospitales y centros de diagnóstico, institutos académicos y de investigación, y compañías farmacéuticas y biotecnológicas. Los hospitales y centros de diagnóstico son las áreas con la mayor cuota de mercado en este campo. Las tecnologías microfluídicas continúan creciendo y desarrollándose con colaboraciones entre universidades e industrias.
La elección del material para los dispositivos microfluídicos es importante en el estudio de las células. En los últimos años, se han investigado materiales alternativos al vidrio y al silicio entre los materiales elastoméricos y termoplásticos. Los materiales termoplásticos compuestos por moléculas lineales y ramificadas son altamente preferidos debido a su fácil modificación de la superficie y su durabilidad contra los cambios de temperatura y presión en biorreactores de volumen, y tampoco sufren ninguna ruptura estructural. Sin embargo, no es fácil satisfacer los requisitos materiales de las aplicaciones biológicas específicas. Las propiedades ópticas, la termoestabilidad, la estabilidad química y la permeabilidad a los gases son los argumentos clave para la fabricación de dispositivos microfluídicos. Los chips termoplásticos deben ser biocompatibles para que las células sobrevivan y transparentes para poder monitorearlas. Por estas razones, el policarbonato, el polímero de olefina cíclica, el poli(metacrilato de metilo) y el poliestireno destacan en comparación con otros polímeros. Estos polímeros se utilizan comúnmente en la fabricación industrial y poseen excelentes calificaciones ópticas. Permiten la creación rápida de prototipos.
Los métodos de fabricación de los dispositivos termoplásticos son relativamente sencillos en biorreactores de volumen con tanques de acero. Las herramientas de fabricación son de bajo costo y fáciles de usar. El grabado húmedo, el mecanizado convencional, la fotolitografía, el termoestampado, el moldeo por inyección, la ablación con láser y la impresión 3D son algunos ejemplos de métodos de producción. La selección del método de fabricación depende de varios factores, como la disponibilidad de tecnología y equipo, el costo, la velocidad y la capacidad. En este capítulo, se explica la fabricación de dispositivos microfluídicos termoplásticos con y sin electrodos integrados para sistemas simples que no requieren componentes activos como microbombas, microválvulas y sensores. Se utilizan los métodos de fotolitografía, grabado, deposición, termoestampado y unión por termocompresión para la fabricación del dispositivo deseado y cada paso se explica en detalle.