ES2282726T3 - Sistema microfluidico modular. - Google Patents

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Abstract

Un sistema microfluídico modular que comprende al menos una placa base (9; 31) que tiene una pluralidad de aberturas de suministro de fluido unidas en la dirección de flujo en uno o ambos lados del mismo, una pluralidad de módulos microfluídicos (35, 36, 37) adaptados para unirse de manera desmontable a la placa base, teniendo cada uno una o más entradas y/o salidas de fluido, y una pluralidad de acoplamientos de fluido para efectuar una conexión estanca al fluido desconectable entre un módulo y una placa base por medio de una abertura de suministro en la placa base y una entrada/salida en el módulo microfluídico, comprendiendo un acoplamiento de fluido un medio de canal (7, 9) que puede insertarse en un hueco con forma adecuada en una entrada/salida/abertura tal para efectuar entre ellos una comunicación estanca al fluido.

Description

Sistema microfluídico modular.
La invención se refiere a un sistema microfluídico que tiene una construcción modular para el rápido montaje y desmontaje, y un procedimiento para proporcionar un sistema de este tipo.
Los dispositivos y sistemas microfluídicos se han vuelto cada vez más importantes en los últimos años para realizar gran cantidad de diferentes operaciones químicas y/o biológicas a escala manejable ya que permiten que se lleve a cabo un gran número de reacciones químicas o bioquímicas como parte de un procedimiento analítico y/o sintético en un volumen de líquido relativamente pequeño. Tales operaciones analíticas o sintéticas miniaturizadas son generalmente más eficaces, produciendo un aumento de los tiempos de respuesta y reducen el requisito de reactivos potencialmente caros.
Los dispositivos y componentes microfluídicos convencionales se han construido en un chip usando en general tecnología análoga a la seguida en la industria de fabricación de silicio, por ejemplo construyendo los dispositivos de un modo plano usando técnicas de fotolitografía y grabado. Convencionalmente ha habido una tendencia, en particular por analogía con la miniaturización en otras partes de la industria del silicio, a concentrar los esfuerzos de desarrollo para miniaturizar en un único chip de un tamaño lo más pequeño posible todos los procedimientos químicos, bioquímicos y biológicos asociados con un procedimiento sintético y/o analítico particular.
Tales construcciones ofrecen muchas ventajas. Sin embargo, el chip resultante es relativamente rígido. No siempre es fácil entremezclar diferentes materiales y tecnologías de dispositivos dentro de un único chip de este tipo. La inspección, el mantenimiento y la reparación puede ser compleja.
Es un objeto de la invención proporcionar un sistema microfluídico que ofrezca una mejora de la flexibilidad y que atenúe algunas o todas las desventajas de los sistemas integrales de un único chip.
Un objeto particular de la presente invención es proporcionar un sistema microfluídico modular en el que diversos componentes microfluídicos diferentes puedan montarse y desmontarse fácilmente en un sistema completo para ofrecer una mejora de la flexibilidad y utilidad.
Por tanto, según la presente invención, en un primer aspecto se proporciona un sistema microfluídico modular según la reivindicación 1. Comprende al menos una placa base que tiene una pluralidad de aberturas de suministro de fluido unidas en la dirección de flujo en uno o ambos lados de la misma, una pluralidad de módulos microfluídicos adaptados para unirse de manera desmontable a la placa base, teniendo cada uno una o más entradas y/o salidas de fluido, y una pluralidad de acoplamientos de fluido para efectuar una conexión de fluido estanca al fluido sustancialmente desconectable entre un módulo y una placa base por medio de una abertura de suministro en la placa base y una entrada/salida en el módulo.
El sistema comprende preferentemente además al menos una abertura de fuente de fluido unida en la dirección de flujo al mismo para suministrar fluido de la fuente al sistema, y/o al menos una abertura de salida de fluido unida en la dirección de flujo para sacar el fluido del sistema. Las aberturas de fuente y/o salida pueden disponerse en comunicación directa con la placa base o por medio de módulos. Puede proporcionarse una pluralidad de tales aberturas de fuente de fluido y/o aberturas de salida de fluido.
El suministro de fluido puede ser gaseoso o líquido. A cualquier sistema dado puede suministrarse más de un fluido.
Según la invención, el circuito microfluídico está construido sobre la placa base, estando formado el sistema de un modo modular con el chip de placa base, en vez de estar integrado con él de una manera convencional. El fluido se suministra al sistema microfluídico construido por medio de la abertura de fuente de fluido en la placa base o mediante la introducción directa dentro de un módulo. El chip de placa base está construido preferentemente con un modelo de canales microfluídicos al menos parcialmente interconectados para proporcionar una pluralidad de canales y/o cámaras de fluido que unen en la comunicación de fluido al menos algunas de las aberturas de suministro entre sí y/o con la abertura de fuente. Los pasos de suministro de fluido dentro de los módulos actúan en funcionamiento conjunto en ellos para completar un circuito microfluídico deseado cuando se monta la estructura modular, sirviendo el circuito para distribuir el fluido a puntos de interconexión en la placa y por tanto a los módulos. El sistema montado puede proporcionar una pluralidad de tales circuitos que funcionan en asociación o independientemente.
La invención ofrece ventajas significativas, particularmente en relación con la flexibilidad de construcción en uso si se compara con sistemas de la técnica anterior. Las interconexiones del módulo del chip a la placa base pueden hacerse convenientemente compactas y sencillas, mientras que al mismo tiempo las conexiones entre la placa y el equipo externo pueden utilizar accesorios bien establecidos para conectarse a ese equipo. Se permite el entremezclado de diferentes materiales y tecnología de dispositivos (por ejemplo chips de vidrio en una placa polimérica). Del mismo modo se ofrece una elección de sistemas externos tales como bombas externas, además de bombas montadas sobre la placa o la superficie del módulo, y válvulas, etc.
El sistema de la invención ofrece flexibilidad para la elección del diseño. Por ejemplo, un diseño sencillo de placa base puede estar provisto de módulos complejos intercambiables, o pueden incluirse sistemas complejos dentro de la placa base, siendo los módulos que pueden unirse a la misma sencillos y/o desechables. Los sellados y las conexiones entre módulo y placa puede seleccionarse según la función del módulo.
El sistema completo proporciona una sencilla inspección y mantenimiento, flexibilidad de uso y facilidad de reparación de los sistemas, por ejemplo, al reemplazar solamente un módulo que está defectuoso en vez todo el sistema.
Un módulo microfluídico según la invención comprende uno o más dispositivos microfluídicos. Como se usa en este documento, un dispositivo microfluídico puede comprender cualquier elemento conocido de un sistema microfluídico, que incluye sin limitación una unidad de dispositivo activo, tal como un reactor, calentador, refrigerador, analizador, detector, mezcladora, procesador, separador o similares, una unidad de función de fluido tal como una bomba, válvula, filtro o similares o simplemente un canal, cámara o colector de fluido para completar un circuito microfluídico particular.
Los dispositivos microfluídicos según la invención pueden ser tridimensionales o generalmente planos. En una realización preferida, los dispositivos son generalmente planos. Cada módulo tiene una construcción generalmente plana para incorporarse con una placa base generalmente plana. Las aberturas de entrada/ salida están dispuestas muy convenientemente en una de las caras planas de cada módulo. Las aberturas de suministro están dispuestas muy convenientemente en una cara plana de la placa base, y la(s) abertura(s) de fuente pueden disponerse en un borde o borde de la cara o la misma cara plana u opuesta de la misma.
En particular, cada módulo tiene preferentemente una construcción tipo sándwich generalmente plana que comprende al menos una capa tipo sándwich interna que define una parte de canal y/o cámara de fluido, y al menos una capa de cubierta que cubre y efectúa el cierre de la misma. En una realización preferida, el módulo comprende al menos una capa tipo sándwich que define una parte de canal y/o cámara de fluido encerrada, por ejemplo que está constituida por pares de elementos tipo sándwich en la superficie de al menos uno, creándose canales de tal manera que el par montado define un cierre tal con capas de cubierta en los dos lados del mismo. Pueden estar presentes otras capas intermedias.
Los elementos microfluídicos activos pueden incorporarse dentro de los canales y/o cámaras así formados en la capa tipo sándwich o adicionalmente o alternativamente pueden disponerse con la superficie del módulo en comunicación de fluido con el canal dentro de él. Se disponen una o más aberturas de entrada y/o salida para efectuar una comunicación de fluido entre el canal y una superficie externa del módulo para la comunicación del fluido con la placa base. Similarmente puede construirse una placa base.
La placa base y de los módulos puede fabricarse convenientemente en material de plástico adecuado. Pueden construirse de bloques monolíticos de material, de capas tipo sándwich como se describe anteriormente, o de laminados de capa fina o combinaciones de los mismos. Las capas o materiales que se ponen en contacto con el fluido en uso se fabrican preferentemente cuando sea necesario de material de plástico químicamente resistente, tal como epoxi, siendo el más preferido un epoxi fotosensible. Materiales laminados de película fina resistentes adecuados pueden incluir laminados de PEN encolados con epoxi. Éste permite una buena resistencia con buena capacidad de fabricación de canales y cámaras de fluido. En estructuras tipo sándwich, las capas de cubierta que incluyen puertos de entrada/salida de fluidos que también pueden ponerse en contacto con fluido en uso también se fabrican preferentemente de materiales que presentan buena resistencia química, por ejemplo epoxi u otros plásticos tales como polieteretercetona (PEEK). Alternativamente, a los materiales puede dársele un recubrimiento adecuadamente resistente en tales áreas.
Las propiedades químicas de las capas de cubierta o intermedias simplemente estructurales pueden ser menos críticas. Asimismo, la selección de material puede ser menos crítica para componentes previstos para uso con fluidos que presentan un ambiente menos duro. En estos casos pueden ser adecuados materiales menos resistentes tales como PMMA, PET, polímeros acrílicos y similares.
Adicionalmente también puede modificarse cualquier material o capa, y en particular las capas de cubierta, para propiedades específicas, por ejemplo para transparencia, para propiedades eléctricas, magnéticas o dieléctricas, para proporcionar soportes para componentes del dispositivo microfluídico externamente montado, etc. Pueden proporcionarse o incorporarse capas metálicas, por ejemplo para servir como conductor, calentador resistivo o de otra manera.
En la práctica, las diferentes partes de los componentes individuales pueden tener diferentes requisitos funcionales, por ejemplo en lo que respecta a la transparencia, resistencia estructural, resistencia química, etc. Pueden usarse combinaciones de materiales, por ejemplo usando una combinación de materiales y componentes y usando sustratos compuestos para la placa base y los módulos para alcanzar la mejor combinación de propiedades.
Por ejemplo, en el caso de un reactor microquímico es beneficioso usar un polímero de sustrato que sea ópticamente transparente para permitir una fácil inspección del recorrido del fluido y/o para permitir mediciones y/o que sea térmicamente transparente o transparente a otras longitudes de onda para cualquier fin. Sin embargo, se entenderá que un polímero fácilmente disponible con buena transparencia que también es resistente a una amplia gama de disolventes usados en la química sintética no está generalmente disponible. Adoptando una aproximación compuesta puede formarse fácilmente un sustrato que comprende una estructura compuesta que tiene áreas de un material transparente (no presenta necesariamente alta resistencia química), donde se requiera, y áreas de un material químicamente resistente (no presenta necesariamente alta transparencia) al menos en regiones en las que es posible el contacto con el disolvente, evitando el contacto con el material de sustrato transparente menos resistente. Por ejemplo, una estructura básica comprende material transparente, pero en el que los insertos de material químicamente resistente están incluidos en el sustrato en regiones en las que es posible el contacto con el disolvente. Alternativamente, una estructura básica de material químicamente resistente con insertos de "ventana" de material transparente servirá para el mismo fin. Perfectamente serán de suponer de manera similar áreas específicas con otra funcionalidad.
Como se usa en este documento, microfluídico se entenderá que se refiere a microestructuras que tienen al menos algunas dimensiones de sub-milímetros, usando microestructura en este caso para referirse a cualquiera de una variedad de estructuras bien conocidas en tales sistemas, que incluyen, pero no se limitan a, los canales y cámaras descritos anteriormente en este documento, que pueden proporcionar el paso o almacenamiento de un fluido.
Según la invención se proporciona una pluralidad de acoplamientos de fluido para efectuar una conexión estanca al fluido entre al menos una abertura de suministro de fluido en una placa base y al menos una entrada/salida en un módulo de dispositivo microfluídico. La conexión estanca al fluido se efectúa preferentemente mediante un ajuste de interferencia entre un acoplamiento y una abertura de suministro, y los acoplamientos y las aberturas están dimensionados y por consiguiente seleccionados los materiales para su fabricación siendo, por ejemplo, flexiblemente resilientes al menos en la región de conexión.
Este ajuste de interferencia solo puede ser suficiente para mantener una conexión estanca al fluido, al menos en uso bajo la acción de la presión del fluido suministrado. Alternativamente pueden proporcionarse medios de conexión para mantener unido el montaje en uso y ayudar en el mantenimiento de una conexión estanca al fluido entre los módulos y la placa mediante el impulso de un acoplamiento y la abertura en estrecha asociación y mantenimiento en ese lugar con una fuerza impulsora adecuada. Tales medios de conexión pueden comprender, por ejemplo, clips de muelle, tornillos, pernos, abrazaderas o fijaciones mecánicas similares. Los medios de conexión conectan juntos los módulos y la tabla. No hay necesidad de medios de conexión específicos asociados por separado con cada acoplamiento/conexión de abertura. Pueden usarse uno o algunos cierres mecánicos para mantener junto un sistema que hace conexiones de múltiples fluidos.
Estos medios de conexión podrán desconectarse normalmente ya que un rasgo de la invención es que los módulos puedan montarse fácilmente en múltiples configuraciones y un usuario pueda desmontarlos, por ejemplo, para volverlos a montar con otras configuraciones. Sin embargo, se apreciará que en ciertos casos el usuario pueda desear usar más fijaciones permanentes para mantener el acoplamiento y la abertura en asociación estanca al fluido en una base semipermanente o permanente, por ejemplo mediante fijación mecánica permanente o encolado, y un sistema según la invención permite que un usuario elija hacer esto.
Convenientemente, la conexión comprende un acoplamiento desconectable, por ejemplo en forma de un medio de canal separable que puede insertarse en un hueco adecuado en una entrada/salida/abertura tal para efectuar entre ellos una conexión de comunicación estanca al fluido. Tal medio de canal comprende convenientemente un elemento tubular, en particular un elemento tubular rígido que es, por ejemplo, de lados paralelos, que es, por ejemplo, cuadrado o rectangular, poligonal, o que alternativamente tenga una sección transversal circular o elíptica, con algún hueco en el que va a alojarse un elemento tubular tal, que preferentemente está moldeado correspondientemente.
Un elemento tubular tal puede ser una unidad separable y distinta. Sin embargo, por comodidad, particularmente en lo referente a la realización preferida en la que la placa base y el módulo comprenden generalmente componentes planos, el elemento tubular comprende preferentemente un casquillo que sobresale integrado con y que sobresale de una primera abertura que comprende o una abertura de suministro de fluido en la placa base o una entrada/salida en el módulo, y está adaptado para alojarse en un hueco comprendido como una segunda abertura, correspondientemente o una entrada/salida en el módulo o una abertura de suministro en la placa base. En particular el casquillo sobresale generalmente perpendicularmente de una superficie generalmente plana, para efectuar una conexión de fluido entre una placa base y el módulo adaptado para descansar generalmente de manera paralela cuando están unidos.
En una forma más preferida se proporcionan casquillos que sobresalen por encima de la superficie de la placa base en la que van a alojarse dentro de huecos que comprenden las aberturas de entrada/salida de módulos que además van a unirse.
Los casquillos como se describen anteriormente pueden ofrecer ventajas particulares. El sistema de casquillo permite que se minimice el volumen muerto en el recorrido de fluido entre "chips". El uso de casquillos permite mayor densidad de interconexiones que otros accesorios tales como accesorios de cromatografía líquida de alta presión (HPLC) y similares. Los casquillos pueden soportar altas presiones. Los casquillos requieren generalmente un espesor de material reducido en el que se van a sujetar en comparación con el espesor necesario para sujetar un filete de tornillo o accesorio similar, permitiendo que se interconecten capas mucho más delgadas, hasta capas que comprenden esencialmente películas. Pueden usarse uno o algunos cierres mecánicos para mantener junto un sistema que hace conexiones de múltiples fluidos a través de los casquillos.
Los casquillos garantizan una alineación mecánica precisa de elementos de fluido, permitiendo la precisa colocación del módulo.
Generalmente es sencillo mecanizar huecos de casquillo adecuados dentro de los materiales normalmente previstos para uso para placa base y módulos, dejando un margen para un intervalo de formas de casquillo y hueco. El taladro interno y el diámetro externo pueden variarse dentro de unos límites, haciendo posible que el casquillo incorpore funcionalidad microfluídica. Por ejemplo, el taladro interno podría incorporar una función de filtración, que opcionalmente comprende múltiples orificios (de manera análoga a un cristal fotónico). Por ejemplo, el casquillo puede modificarse a una forma mayor para incluir una función de reserva.
Opcionalmente, el acoplamiento de fluido puede incorporar funcionalidad adicional porque dentro de un canal de fluido incluye un componente activo de fluido, en vez de servir simplemente como un canal. El acoplamiento de fluido podría contener una válvula antirretorno, por ejemplo una válvula de bola. La válvula de bola podría ser convenientemente una válvula magnéticamente conmutable. El acoplamiento de fluido podría contener un material sinterizado de catalizador o podría incorporar un filtro. Pueden concebirse diversos conmutadores.
Es posible usar, por ejemplo, un acoplamiento de fluido metálico conductor tal como un casquillo metálico para efectuar una interconexión eléctrica, además de una de fluido, entre módulos y/o placas. Tal acoplamiento metálico puede esta provisto opcionalmente de una capa aislante en una superficie en contacto con el fluido y/o módulo, efectuándose un contacto eléctrico entre módulos y/o contacto eléctrico con fluido en los mismos. Un diseño basado en casquillos ofrece flexibilidad particular porque el sistema puede proveerse fácilmente de otras interconexiones funcionales (por ejemplo, magnéticas, ópticas) o integrarse con o separadamente del casquillo.
Opcionalmente, el casquillo puede incorporar o disponer de un cierre para cerrar una ruta que no va a usarse en una combinación de dispositivo particular, permitiéndose redundancia en la elección de ruta en la placa base, por ejemplo durante el uso de plug and play (conectar y listo). El cierre puede comprender un tapón que va a aplicar un usuario, o una válvula de cierre integral adaptada para accionarse manualmente, o para accionarse automáticamente con la inserción del casquillo en el hueco.
La invención anterior se ha descrito en términos de una única placa base con una pluralidad de módulos dispuestos allí en una única capa. Se apreciará fácilmente que la invención no se limita así. Una flexibilidad particular de la invención es que permite el apilamiento en múltiples niveles de módulos y/o placas base primarias y/o placas de nivel intermedio. Tales placas de nivel intermedio pueden servir simplemente para proporcionar conexiones de fluido en forma de canales, cámaras o similares, o también pueden incluir componentes microfluídicos activos. Similarmente se entenderá que la invención engloba estructuras modulares que comprenden una pluralidad de módulos como se describe anteriormente en este documento y al menos una placa base primaria, en las que la placa base también está provista opcionalmente de componentes microfluídicos activos.
Se entenderá que las referencias anteriores a rasgos de la placa base primaria son igualmente aplicables a tales placas de nivel intermedio. Las placas de nivel intermedio pueden construirse como se describe anteriormente y los rasgos preferidos de las mismas se interpretarán por analogía. En particular, las placas son preferentemente planas, y preferentemente de una construcción tipo sándwich como antes.
En realizaciones que comprenden un sistema tal de apilamiento en múltiples niveles, cualquier componente adaptado para uso en un nivel intermedio comprenderá al menos una abertura de entrada en una primera superficie "inferior" y al menos una abertura de salida en una segunda superficie "superior" (entendiéndose que inferior y superior se usan en este documento por comodidad para referirse a superficies proximales y distales a la placa base, y no para suponer cualquier orientación restrictiva). Las referencias en este documento a entradas/salidas en un módulo se entenderán que se aplican de la misma manera cuando sea apropiado a una abertura inferior tal, y las referencias en este documento a una abertura de suministro de fluido de placa base se entenderán que se aplican de la misma manera cuando sea apropiado a una abertura superior tal en un componente de nivel intermedio. Es particularmente fácil apilar múltiples capas usando la realización de casquillo preferida.
En una realización preferida, las conexiones de fluido se efectúan mediante casquillos que sobresalen entre componentes adaptados para descansar generalmente de manera paralela. En sistemas de múltiples niveles será conveniente que todos estos casquillos sobresalgan en la misma dirección. En particular, los casquillos se disponen preferentemente en aberturas en la superficie superior de la placa base y en aberturas en la superficie superior de todos los módulos de nivel intermedio, para engranarse de manera interferente en conexión estanca al fluido dentro de partes empotradas en aberturas en la superficie inferior de todos los componentes de nivel intermedio y todos los componentes del nivel de arriba.
La unión de un módulo a la placa, o de un módulo de capa superior a un módulo de capa inferior en sistemas de múltiples capas, puede lograrse mediante cualquier medio de unión desconectable adecuado, que incluye sin limitación tornillos o fijaciones por tornillo, accesorios de bayoneta de desconexión rápida o no, conectores de ajuste suave y a presión, conexiones de sujeción con abrazaderas a vacío o mecánicas, gancho resiliente engranado que puede desconectarse mutuamente y almohadillas de fieltro, ganchos, clips, etc. Los propios acoplamientos de fluido, especialmente en la forma preferida como medio de canal en ajuste de interferencia entre pares de aberturas unidas, por ejemplo casquillos engranados en ajuste de interferencia en huecos, pueden ayudar a o incluso ser suficientes para constituir tal conexión mecánica. Sin embargo, normalmente se preferirán conectores mecánicos adicionales.
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El sistema según la invención proporciona una pluralidad de elementos intercambiables que permiten que se realice una pluralidad de diferentes funciones microfluídicas en uno o más niveles.
Según la invención, en otro aspecto se proporciona un procedimiento para proporcionar un sistema microfluídico como un montaje modular según la reivindicación 19. En particular, el procedimiento comprende las etapas de:
proporcionar al menos una placa base que tiene una pluralidad de aberturas de suministro de fluido unidas en la dirección de flujo en uno o ambos lados de la misma y una pluralidad de canales y/o cámaras de fluido que en comunicación de fluido unen al menos algunas de las aberturas de suministro;
proporcionar una pluralidad de módulos microfluídicos, teniendo cada uno una o más entradas y/o salidas de fluido y al menos un canal o cámara de fluido en comunicación de fluido entre ellos;
conectar los módulos a la placa base por medio de acoplamientos de fluido adaptados para efectuar una conexión estanca al fluido desconectable entre ellos por medio de una abertura de suministro en la placa base y una entrada/salida en el módulo;
tal que los canales o cámaras de fluido dentro de los módulos actúan en funcionamiento conjunto con canales o cámaras de fluido en la placa base para completar un circuito microfluídico deseado.
Por analogía se entenderán otros rasgos del procedimiento.
La invención se describirá ahora a modo de ejemplo solamente con referencia a las figuras 1 a 8 de los dibujos adjuntos en las que:
La fig. 1 ilustra en sección transversal cómo se efectúa la conexión de fluido entre componentes según la invención;
la fig. 2 es una ilustración esquemática de una sencilla construcción básica de un dispositivo microfluídico para uso con la invención;
la fig. 3 es un sistema microrreactor de ejemplo que emplea los principios de la invención;
la fig. 4 es una vista en planta de la placa base del reactor de la figura 3;
la fig. 5 es un colector de chip del reactor de la figura 3;
la fig. 6 es una vista en planta de un primer dispositivo microfluídico activo del reactor de la figura 3;
la fig. 7 es una vista en planta de un segundo dispositivo microfluídico activo del reactor de la figura 3;
la fig. 8 es una vista en planta de un tercer dispositivo microfluídico activo del reactor de la figura 3;
las fig. 9 y 10 son ejemplos de disposiciones de dispositivos/sustratos microfluídicos compuestos que usan una combinación de materiales para lograr la mejor combinación de propiedades;
las fig. 11 y 12 son ejemplos de disposiciones de chip de reactor que emplean los materiales compuestos de las figuras 9 y 10.
La figura 1 ilustra en sección transversal el diseño básico de la conexión de fluido según la realización preferida de la invención que emplea casquillos que sobresalen.
En la figura 1 se ilustra esquemáticamente una placa base (1), una primera capa componente de nivel (2) y una segunda capa componente de nivel (3). Las tres capas se muestran en vista en despiece ordenado desmontadas pero alineadas para su montaje.
La conexión de fluido dentro del sistema se efectúa mediante inserción de casquillos (7, 9) dispuestos respectivamente en una abertura de suministro superior en la placa base (1) y en una abertura de salida superior en la primera placa de nivel (2) que se alojan en los huecos (6, 8) dispuestos respectivamente en una superficie inferior de la primera placa de nivel (2) y en una superficie inferior de la segunda placa de nivel (3). En la realización, la conexión emplea orificios sencillos con lados paralelos para llevar tubos de PTFE que forman los casquillos (7, 9), aunque se entenderá que son posibles orificios y casquillos más complejos. Los casquillos se mantienen dentro de los orificios en ajuste de interferencia para proporcionar una conexión resistente al goteo estanca al fluido.
En el ejemplo mostrado, el suministro de fluido se efectúa por medio de una abertura de fuente de fluido de entrada (10) que comprende tubería flexible (11) de diámetro 1/16 pulgadas (1,5 mm) mantenida dentro de accesorios de HPLC (12). El recorrido del fluido se muestra por la línea oscura (14).
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Para montar la estructura modular en un sistema de laboratorio se aplica una carga mecánica en la dirección de las flechas (L) para efectuar el engranaje entre los casquillos (7, 9) y los huecos (6, 8). Pueden disponerse fijaciones mecánicas adicionales (no mostradas) para garantizar una conexión mecánica más segura entre los componentes (1, 2, 3).
En la vista en despiece ordenado en la figura 2 se ilustra una sencilla construcción del dispositivo esquemático. El dispositivo del ejemplo tiene una estructura de capa tipo sándwich que comprende una capa base externa (21) de polieteretercetona (PEEK), un par de capas interiores (22) de epoxi fotosensible y una capa superior (24) de poli(metacrilato de metilo) (PMMA) y capas internas (22). Los medios de canal (23) se disponen en la capa tipo sándwich epoxi interna (22) para proporcionar la microestructura microfluídica necesaria. Los puertos de fluido (25) a través de la capa superior (24) dan una comunicación de fluido de una superficie del dispositivo completo a los medios de canal (23) que forman canales internos cerrados una vez que se montan las dos partes ilustradas en la vista en despiece ordenado de la figura 2.
Los elementos de capa tipo sándwich (22) y la capa superior (24) se ponen en contacto con el fluido en uso, respectivamente en los canales (23) y puertos (25). Por consiguiente, éstos se fabrican a partir de materiales que presentan buena resistencia química, en el ejemplo respectivamente epoxi fotosensible y PEEK. Las propiedades de la capa inferior simplemente estructural (21) son menos críticas.
El sencillo esquema en la figura 2 no ilustra ningún dispositivo microfluídico activo. Se entenderá que éste podría incorporarse adecuadamente dentro de los propios canales (por ejemplo en particular si éstos toman la forma de bombas, válvulas, filtros o similares) o podrían incorporarse en una superficie de módulo en comunicación de fluido con los canales (23).
En la vista en planta en la figura 3 se ilustra un sistema de reacción microfluídico según la invención. El reactor comprende entradas para dos fluidos de suministro ("fluido A" y "fluido B") y proporciona tres corrientes de proceso ("corriente 1", "corriente 2", "corriente 3").
El reactor comprende una placa base (31) que incorpora una pluralidad de canales de suministro de fluido (32). La placa base tiene varios componentes microfluídicos montados allí, que son un colector (34) para dividir el fluido suministrado (A, B) en las tres corrientes (corrientes 1, 2, 3) y luego dentro de cada corriente una serie de módulos que comprenden un chip de mezcladora (35), un chip de detector (36), un chip de reactor (37) y otro chip de detector (36). Estos componentes se muestran por separado en las figuras 4 a 8.
Un sistema construido según los principios de la invención como se ilustra mediante la figura 3 ofrece una admirable simplicidad y flexibilidad, proporcionado varias ventajas respecto a diseños convencionales. En particular, permite el uso de componentes más interconectados y el escalado del mundo macroscópico al microscópico mediante "ventilación" microfluídica (transición de separación entre distancias grandes a distancias pequeñas entre canales fluídicos). Los accesorios del chip a la placa permiten un empaquetamiento estrecho de interconexiones de separación compacta < 2 mm cuadrados o separación de < 1 mm al tresbolillo.
La figura 4 ilustra en vista en planta la placa base (31) de la figura 3 sin los componentes unidos. Los medios de canal de fluido provistos dentro de la placa base (31) se ilustran más claramente.
En la vista en planta en la figura 5 se ilustra en mayor detalle el colector (34) de la figura 3. De la figura 5 puede verse cómo el colector recibe de una única entrada los dos fluidos (fluido A, fluido B) y produce 6 salidas, 1 a 6, que efectúan un par de suministros de fluido A y fluido B a las tres corrientes ilustradas en la figura 3.
El dispositivo está construido según los principios de la figura 2. El tamaño de canal en el ejemplo es de 150 \mum por 50 \mum. El itinerario se efectúa a través de canales de 300 \mum. El tamaño total del dispositivo es de 62 por 72 por 4 mm.
La figura 6 ilustra en vista lateral (arriba) y en vista en planta (abajo) el chip de micromezcladora de la figura 3. El chip de micromezcladora recibe dos corrientes de fluido en la entrada A y la entrada B que comprenden fluido A y fluido B, respectivamente. Éstos se mezclan mientras que siguen el canal de flujo (41) hasta la salida. El chip es de un diseño básico como se ilustra en la figura 2, con un tamaño de canal de 100 \mum por 50 \mum y un tamaño total de 45 por 25 por 4 mm. Se mantiene en la posición en la placa base por medio de la abrazadera (42).
La figura 7 es una representación de un chip de reactor (37) de la figura 3 mostrado en vista lateral (arriba) y vista en planta (abajo). El fluido fluye de la entrada a la salida por medio del canal de flujo (51) atravesando la parte del reactor (53). La parte del reactor comprende un lecho de catalizador (54) de 3 mm de diámetro y 2 mm de profundidad mantenido por el tapón atornillado (55). El montaje total tiene un tamaño de canal de 100 \mum por 50 \mum, un tamaño total de 36 por 25 por 6 mm, y se mantiene en la posición por la abrazadera (52).
La figura 8 ilustra el chip de detector (36) de la figura 3 en vista lateral (arriba) y vista en planta (abajo). El fluido fluye de la entrada a la salida por medio del canal de flujo (61).
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El área activa del detector (68) incluye una fuente de luz en forma de un LED (63) o una fibra óptica (no mostrada) a una fuente externa, una red de difracción (64) y un colector de luz en forma de la fibra óptica (65). Una lente (66) delante de la fuente de luz colima la luz y una lente (67) delante de la fibra que recoge la luz mejora la eficiencia de recogida de luz. La luz recogida se envía para análisis espectral.
La función de detección eléctrica adicional se proporciona por medio de grupos de 3 microelectrodos de oro (69), 110 \mum de ancho a 200 \mum de distancia. El tamaño de canal es de 400 \mum por 400 \mum, dando una dimensión total del dispositivo de 50 x 30 x 5 mm.
Se ha observado que a los sistemas según la invención puede dárseles una funcionalidad mejorada mediante el uso de una combinación de materiales y componentes y mediante el uso de sustratos compuestos para la placa base y chips para lograr la mejor combinación de propiedades.
Por ejemplo, en el caso de un reactor microquímico es beneficioso usar un polímero de sustrato de "ventana" que es transparente para permitir la fácil inspección del recorrido del fluido, pero en el que los insertos están incluidos en el sustrato en las regiones en las que es posible el contacto con el disolvente; evitando el contacto con el sustrato de "ventana".
En la figura 9 se da un ejemplo de una estructura compuesta tal. En la figura se representan diferentes materiales mediante diferente sombreado que comprenden según la clave ilustrada:
71 - Material de sustrato de placa base (por ejemplo PMMA);
72 - Material de sustrato del chip (por ejemplo PMMA)
73 - Epoxi fotosensible
74 - Insertos químicamente resistentes (por ejemplo PEEK)
75 - Casquillos (por ejemplo PTFE)
76 - Conector de fluido (por ejemplo PEEK).
El inserto es simplemente un cilindro que atraviesa el sustrato a través del que está taladrada una ruta de fluido y un hueco para soportar un casquillo. El material del inserto puede elegirse de polímeros de alta resistencia química tales como PEEK o PTFE o en una resina curable formada por micromoldeo o litográficamente usando una resina fotoconformable. Los insertos pueden producirse por cualquier procedimiento, incluyendo mecanizado o moldeo por inyección.
Insertos más complejos pueden tener el casquillo integrado con el inserto. Aunque esto inhibiría la sustitución del casquillo, puede ser una buena opción para grandes matrices de chips en las que la inserción de múltiples casquillos necesitaría mucho tiempo. Esto se ilustra por los elementos 77 en la figura 10 en la que, por lo demás, se usan números iguales para materiales iguales.
El concepto de usar una aproximación compuesta para lograr las propiedades requeridas en la localización óptima también puede extenderse a las paredes del canal microfluídico. Las propiedades superficiales de las paredes deberían igualarse de manera ideal a las características de flujo deseado del material que va a transportarse por el canal. Por ejemplo, si se requiere una baja resistencia de contacto con la pared, un recubrimiento de energía superficial baja es un procedimiento más conveniente para lograr el efecto deseado en comparación con producir todo el sistema en un polímero de energía superficial baja. Por ejemplo, una epoxi fotosensible tratada con Fluorolink S10 (Ausimont) - un di-trietoxisilano basado en una estructura principal de perfluoropoliéter lineal reduce la energía superficial a 13 dinas/cm. Convenientemente, las paredes de los canales pueden tratarse alternativamente para hacerlas hidrófilas o hidrófobas o para proporcionar biocompatibilidad, etc.
Otro beneficio de la placa base interconectada y el chip de procesador subyacente a la presente invención es la posibilidad de aplicación de escalabilidad vertical por escalabilidad horizontal. Escalabilidad horizontal es el término frecuentemente aplicado para aumentar el rendimiento de un chip de procesador que realiza, por ejemplo, un procedimiento sintético mediante la multiplicación del número de chips del procesador. Esto conserva optimizadas las condiciones de reacción para las dimensiones del canal para un único procedimiento o serie de procedimientos que, de otro modo, cambiaría si aumentaran las dimensiones del canal para lograr un rendimiento mayor. Esto puede lograrse mediante la placa base funcionando como un colector, suministrando reactivos a una matriz de chips de procesador. El colector puede proporcionar una única entrada por muchos lados a múltiples salidas de cada chip de procesador. Un colector en un lado puede proporcionar una matriz de entrada y salida interdigitada de canales o un lado puede proporcionar un colector de entrada y una placa de nivel más alto puede proporcionar un colector de salida.
En las figuras 11 y 12 se muestran ejemplos de tales disposiciones que se aprovechan del concepto compuesto, ilustrando respectivamente el uso de una placa base como un colector para suministrar fluido en paralelo a una matriz de procesadores con múltiples salidas de cada chip de procesador y el uso de placas base como colectores de entrada y salida para alimentar chips de procesadores en paralelo para la escalabilidad vertical por escalabilidad horizontal o mediante réplica de procesadores. La clave sombreada de las figuras 9 y 10 se aplica a los sistemas ilustrados en las figuras 11 y 12.
El sistema de interconexión proporciona un medio listo para desarrollar procedimientos mediante interconexión en serie de cada funcionamiento con optimización de cada funcionamiento fácilmente logrado mediante el intercambio de los chips. Una vez que se ha optimizado una serie de operaciones, pueden integrarse convenientemente en un único chip y luego, si se requiere, convertirse en matrices con la placa base que proporciona múltiples alimentaciones para uso en selección de alto rendimiento o la placa base que sirve como colectores de entrada y salida para el procedimiento de réplica para la escalabilidad vertical o lograr un aumento del rendimiento mediante escalabilidad horizontal. De este modo pueden seleccionarse números muy grandes de chips para lograr una capacidad de producción.
El sistema completo puede ser un híbrido completo de materiales siendo, por ejemplo, el colector de la placa base en polímero, los sellados del casquillo en polímero, los chips del procesador en vidrio, el sistema de bombeo y de valvulería en metal, posiblemente con sellados de poliméricos internos internos, etc.

Claims (19)

1. Un sistema microfluídico modular que comprende al menos una placa base (9; 31) que tiene una pluralidad de aberturas de suministro de fluido unidas en la dirección de flujo en uno o ambos lados del mismo, una pluralidad de módulos microfluídicos (35, 36, 37) adaptados para unirse de manera desmontable a la placa base, teniendo cada uno una o más entradas y/o salidas de fluido, y una pluralidad de acoplamientos de fluido para efectuar una conexión estanca al fluido desconectable entre un módulo y una placa base por medio de una abertura de suministro en la placa base y una entrada/salida en el módulo microfluídico, comprendiendo un acoplamiento de fluido un medio de canal (7, 9) que puede insertarse en un hueco con forma adecuada en una entrada/salida/abertura tal para efectuar entre ellos una comunicación estanca al fluido.
2. Un sistema microfluídico modular según la reivindicación 1, en el que el medio de canal comprende un elemento tubular rígido con algún hueco en el que va a alojarse un elemento tubular de este tipo que está moldeado correspondientemente.
3. Un sistema microfluídico modular según la reivindicación 2, en el que el elemento tubular comprende un casquillo que sobresale integrado con y que sobresale de una primera abertura que comprende o una abertura de suministro de fluido en la placa base o una entrada/salida en el módulo, y está adaptado para alojarse en un hueco comprendido como una segunda abertura, correspondientemente o una entrada/salida en el módulo o una abertura de suministro en la placa base.
4. Un sistema microfluídico modular según cualquier reivindicación precedente, en el que el casquillo sobresale generalmente perpendicularmente de una superficie generalmente plana de la placa base para efectuar una conexión de fluido entre una placa base y el módulo adaptado para descansar generalmente de manera paralela cuando está unido.
5. Un sistema microfluídico modular según cualquier reivindicación precedente, en el que los medios de canal tienen una sección transversal circular o elíptica.
6. Un sistema microfluídico modular según cualquier reivindicación precedente, que comprende además al menos una abertura de fuente de fluido unida en la dirección de flujo al mismo para suministrar fluido de la fuente al sistema, y/o al menos una abertura de salida de fluido unido en la dirección de flujo al mismo para sacar el fluido del sistema.
7. Un sistema microfluídico modular según cualquier reivindicación precedente, en el que la placa base está construida con un patrón de canales microfluídicos interconectados para proporcionar una pluralidad de canales y/o cámaras de fluido en uso que en comunicación de fluido unen al menos algunas de las aberturas de suministro entre sí y/o con la abertura de fuente.
8. Un sistema microfluídico modular según cualquier reivindicación precedente, en el que cada módulo microfluídico comprende uno o más dispositivos microfluídicos.
9. Un sistema microfluídico modular según la reivindicación 8, en el que los dispositivos microfluídicos incluyen dispositivos seleccionados de la lista que comprende un reactor, calentador, refrigerador, analizador, detector, mezcladora, procesador, separador o similares, una bomba, válvula, filtro o similares, o un canal de fluido, cámara o colector.
10. Un sistema microfluídico modular según cualquier reivindicación precedente, en el que cada módulo tiene una construcción generalmente plana para incorporarse con una placa base generalmente plana.
11. Un sistema microfluídico modular según cualquier reivindicación precedente, en el que diferentes partes de placas y/o módulos se fabrican a partir de diferentes materiales para proporcionar diferentes requisitos funcionales en lo que respecta a la transparencia, resistencia estructural, resistencia química y similares.
12. Un sistema microfluídico modular según la reivindicación 11, en el que una placa y/o módulo comprende una estructura compuesta que tiene áreas de un material transparente, donde se requiera, y áreas de material químicamente resistente al menos en regiones en las que es posible el contacto con el disolvente, evitando el contacto con el material de sustrato transparente menos resistente.
13. Un sistema microfluídico modular según cualquier reivindicación precedente, en el que los medios de conexión se proporcionan para mantener unido el montaje en uso y ayudar en el mantenimiento de una conexión estanca al fluido mediante el impulso de un acoplamiento y abertura en estrecha asociación y mantenimiento en ese lugar con una fuerza impulsora adecuada.
14. Un sistema microfluídico modular según cualquier reivindicación precedente, en el que el medio de canal tubular que puede insertarse de manera extraíble incorpora o está provisto de un cierre para cerrar una ruta que no va a usarse en una combinación de dispositivo particular.
15. Un sistema microfluídico modular según cualquier reivindicación precedente, en el que el medio de canal tubular incluye dentro de un canal de fluido un componente activo de fluido.
16. Un sistema microfluídico modular según cualquier reivindicación precedente, en el que el acoplamiento de fluido tubular es un acoplamiento de canal tubular metálico tal como un casquillo metálico para efectuar una interconexión eléctrica, además de una en la dirección de flujo.
17. Un sistema microfluídico modular según cualquier reivindicación precedente, que comprende una pluralidad de módulos, una placa base y una o más placas de nivel intermedio construidas de una manera similar a la placa base, adaptándose el montaje para apilamiento de módulos en múltiples niveles y/o placas base y/o placas de nivel intermedio.
18. Un sistema microfluídico modular según la reivindicación 17, en el que los medios de canal que comprenden casquillos tubulares rígidos se proporcionan en aberturas en la superficie superior de la placa base y en aberturas en la superficie superior de todos los módulos de nivel intermedio, para engranarse de manera interferente en conexión estanca al fluido dentro de partes empotradas en aberturas en la superficie inferior de componentes de nivel intermedio y todos los componentes del nivel de arriba.
19. Un procedimiento para proporcionar un sistema microfluídico como un montaje modular que comprende las etapas de:
proporcionar al menos una placa base que tiene una pluralidad de aberturas de suministro de fluido unidas en la dirección de flujo en uno o ambos lados del mismo y una pluralidad de canales y/o cámaras de fluido que en comunicación de fluido unen al menos algunas de las aberturas de suministro;
proporcionar una pluralidad de módulos microfluídicos, teniendo cada uno una o más entradas y/o salidas de fluido y al menos un canal o cámara de fluido en comunicación de fluido entre ellos;
un acoplamiento de fluido que comprende un medio de canal que puede insertarse en un hueco con forma adecuada en una entrada/salida/abertura de este tipo para efectuar entre ellos una comunicación estanca al fluido
conectar los módulos a la placa base por medio de los acoplamientos de fluido para efectuar una conexión estanca al fluido desconectable entre ellos por medio de una abertura de suministro en la placa base y una entrada/salida en el módulo;
tal que los canales o cámaras de fluido dentro de los módulos actúan en funcionamiento conjunto con canales o cámaras de fluido en la placa base para completar un circuito microfluídico deseado.
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