ES2887874B2 - Valvula microfluidica, procedimiento de fabricacion y usos de la misma - Google Patents

Description

DESCRIPCIÓN

VÁLVULA MICROFLUÍDICA, PROCEDIMIENTO DE FABRICACIÓN Y USOS DE LA MISMA

CAMPO DE LA INVENCIÓN

La presente invención pertenece al campo de la microfluídica. Más concretamente, la invención se refiere a una nueva tecnología de actuadores microfluídicos, siendo éstos preferentemente válvulas, que presentan una respuesta mecánica y funcional al ser sometidos a estímulos externos, tales como cambios de intensidad lumínica, temperatura, pH, humedad o campo electromagnético, entre otros.

ANTECEDENTES DE LA INVENCIÓN

Los dispositivos microfluídicos, también denominados como chips microfluídicos, permiten manipular con precisión pequeñas cantidades de muestras de fluidos, facilitando la realización de ensayos analíticos fiables, rápidos, precisos y de alto rendimiento. El avance en el área de la microfluídica ha tenido un gran impacto en el campo de la biomedicina, contribuyendo al desarrollo de nuevas herramientas para la detección de drogas, estudios biológicos y diagnósticos in situ, resultando también este campo muy prometedor para el avance de la medicina personalizada. Además de en el ámbito de la salud, la microfluídica es también una tecnología crucial en otras áreas que requieren herramientas analíticas rápidas y económicas, tales como la monitorización y el control de la contaminación ambiental, la detección de riesgos biológicos o la industria alimentaria, entre otros. Como resultado, se espera que el mercado relativo a la microfluídica continúe creciendo a una tasa de crecimiento anual compuesto (CAGR) del 19% durante los próximos cinco años (estimado en 9 mil millones de euros en 2021).

La mayoría de los dispositivos microfluídicos actuales necesitan equipos auxiliares grandes y costosos que se disponen fuera del chip, con el objetivo de controlar los flujos de líquido dentro de dicho chip o para realizar tareas analíticas sobre dichos flujos. Ello hace que el coste de las plataformas microfluídicas sea alto, típicamente superior a 20.000 €, y las operaciones de las mismas sólo pueden ser realizadas, generalmente, por personal altamente especializado (ver, por ejemplo, J. ter Schiphorst et al., Lab Chip (2018) 18, 699). Si bien en diferentes soluciones existentes se ha intentado integrar todos estos elementos dentro del propio chip a nivel de laboratorio, el pequeño tamaño intrínseco y la complejidad de estos dispositivos, así como las dificultades para procesar diferentes tipos de materiales en los mismos, hacen que la integración de todas las funciones requeridas en un único dispositivo sólo sea viable a escala de laboratorio. Ello impide, por el momento, que sea posible desarrollar dispositivos microfluídicos autónomos con las tecnologías actuales, que resulten industrialmente viables y que sean comercializares.

Con relación a la respuesta mecánica de los dispositivos microfluídicos desarrollados hasta la fecha, éstos tienen una capacidad limitada a la hora de ejecutar determinadas operaciones, por ejemplo, para la realización de la apertura o el cierre de canales a través del uso de válvulas o la generación de flujo controlado de líquido a través del uso de bombas. Por este motivo, la mayoría de dichas operaciones se realiza fuera del propio chip microfluídico, utilizando para ello elementos auxiliares externos. En tecnologías previas pertenecientes al estado de la técnica, se ha ensayado la integración de bombas y válvulas activas en el chip microfluídico, mediante el uso de bombas electro-osmóticas o piezoeléctricas, así como de hidrogeles sensibles a estímulos que realizan determinadas funciones, de modo similar a las válvulas activadas externamente. Sin embargo, el pequeño tamaño intrínseco y la complejidad de los dispositivos microfluídicos, así como la alta diversidad de tipos de materiales empleados en este sector (cuya compatibilidad con las bombas y válvulas conocidas no siempre es posible) y la complejidad de las tecnologías de procesado necesarias para implementarlos en su forma final, hacen que la integración de todos los elementos funcionales en un único dispositivo monolítico y compacto sea difícil, inherentemente costosa y, en suma, inviable para la producción industrial a gran escala. Todas estas limitaciones impiden una mayor penetración de las tecnologías microfluídicas en el mercado y limitan el desarrollo de nuevos dispositivos innovadores, capaces de llevar la tecnología microfluídica a una nueva etapa.

La presente invención está destinada a resolver los problemas mencionados anteriormente, permitiendo la fabricación de novedosos dispositivos microfluídicos que pueden realizar diferentes funciones mecánicas propias del chip, como respuesta a la aplicación de estímulos externos tales como temperatura, luz, pH u otras propiedades físico-químicas, pudiéndose así comandar de forma remota y operándose dinámicamente.

DESCRIPCIÓN BREVE DE LA INVENCIÓN

Con el objetivo de resolver las limitaciones y problemas anteriores, la presente invención propone el uso de la capacidad de respuesta mecánica de las redes o elastómeros de cristal líquido (LCN o LCE, de sus siglas en inglés "Liquid crystal network” o "liquid crystal elastomer”) ante determinados estímulos externos (luz, temperatura, etc.). Los LCN y LCE pueden obtenerse a partir de un polímero cristal líquido (LCP, de sus siglas en inglés "liquid cristal polymer”) que se somete a un proceso de entrecruzamiento de sus cadenas poliméricas. Este último material puede aplicarse de manera controlada mediante técnicas de fabricación aditiva y, una vez entrecruzado, dar lugar a los LCN o LCE que permiten la configuración de válvulas microfluídicas activas con capacidad de respuesta mecánica a cambios de magnitudes físico-químicas tales como la iluminación, la humedad, el pH, la temperatura o el campo electromagnético, entre otros. De esta forma, dicha respuesta mecánica permite regular el flujo de un fluido en un dispositivo microfluídico, por ejemplo, en forma de válvula, regulando o impulsando dicho fluido en un circuito o sistema mayor, de forma variable en el tiempo. En este contexto, los procesos de impresión aditiva de los LCPs y su transformación en LCEs o LCNs con las propiedades funcionales referidas se denominarán, en el ámbito de interpretación de la invención, como procesos de "impresión 4D” (por su capacidad de respuesta en el tiempo, considerándose éste como la cuarta dimensión).

Si bien el uso de procedimientos de impresión 4D de LCEs y LCNs es ya conocido a nivel general (no siendo éste, por tanto, el objeto de la invención), su aplicación específica a la fabricación de válvulas microfluídicas no ha sido previamente descrita según las características aquí reivindicadas, donde los LCPs se imprimen bajo disposiciones geométricas concretas que son fijadas dando lugar a un sistema polimérico entrecruzado LCE o LCN, y que permiten configurar la actuación eficaz de dichas válvulas en dispositivos microfluídicos. Así, gracias al proceso de impresión seleccionado, se logra la anisotropía local de los materiales impresos, de forma que las cadenas largas de polímero de los LCPs se orientan en la dirección de movimiento de la aguja que define la dirección del filamento durante su deposición sobre otros materiales que hacen de sustrato, lo que conduce a un control preciso de la morfología del LCE o LCN resultante del entrecruzamiento de las cadenas de LCP que permite, posteriormente, realizar las funciones de regulación de flujos microfluídicos requeridas. Una vez configurados en forma de válvulas, la disminución en el orden molecular de los LCPs entrecruzados, inducida por un estímulo externo, tal como la temperatura, la luz, etc., conduce a la contracción del material a lo largo de la dirección de orientación preferente de las unidades mesógenas de las cadenas de polímero en su orientación principal, así como a su expansión a lo largo de sus orientaciones ortogonales. Gracias a este comportamiento, es posible regular la funcionalidad de la válvula mediante una adecuada selección de materiales (según se requiera que sus propiedades se regulen mediante unos parámetros químico-físicos y otros) y de una disposición de impresión que permita obtener el comportamiento deseado en el espacio y el tiempo. En general, las propiedades de respuesta mecánica de determinados LCNs o LCEs a cambios externos son conocidas en el estado de la técnica, no constituyendo por tanto parte del objeto de la invención. De nuevo, es su configuración y realizaciones específicas en forma de válvulas microfluídicas lo que aquí se reivindica. Asimismo, si bien en el presente documento se utilizará el término LCP para referirse a las tintas empleadas en el ámbito de la invención, la interpretación de dicho término incluirá no sólo las cadenas poliméricas de cristal líquido, sino también los monómeros de cristal líquido, así como las combinaciones de los mismos y, en general, a cualquier material que al ser depositado adquiere anisotropía, debido a la orientación preferente de sus componentes.

Así pues, un objeto principal de la invención se refiere a un procedimiento de fabricación de una válvula microfluídica que comprende la realización de las siguientes etapas:

- disponer un sustrato configurando una porción estructural de la válvula, donde dicho sustrato comprende al menos un material mecánicamente inerte a una o más propiedades físico-químicas en el tiempo;

- imprimir, mediante fabricación aditiva, al menos un material con respuesta mecánica a una o más de dichas propiedades físico-químicas en el tiempo, pudiéndose adquirir dichas propiedades tanto previamente como durante o posteriormente a su impresión. Dicho material comprende al menos un LCP y se imprime como una sucesión de uno o más filamentos, configurando una porción funcional de la válvula.

Ventajosamente, dicho procedimiento de fabricación comprende una etapa adicional de disponer la sucesión de filamentos de material con respuesta mecánica sobre el sustrato de material mecánicamente inerte aplicando un tratamiento antiadhesión sobre una o más interfaces de dichos filamentos y el sustrato. De esta manera, el sustrato y la sucesión de filamentos configuran, al menos parcialmente, un volumen de paso de un fluido a través de la válvula, donde la sucesión de filamentos del material con respuesta mecánica se dispone, en el citado volumen, de forma que la variación de uno o más de los parámetros físico-químicos induce una alteración en el orden molecular del LCP contrayendo o expandiendo sus cadenas poliméricas a lo largo de una dirección longitudinal o transversal de los filamentos, y conduciendo a la reducción o al aumento del volumen de paso de fluido. En la interpretación de la realización anterior se entenderán igualmente comprendidos los casos en los que el material con respuesta mecánica se imprima directamente sobre el sustrato que forma parte de la estructura de la válvula, como aquellos en los que el material con respuesta mecánica se imprima sobre un primer sustrato con carácter temporal (como apoyo a la fabricación) y que, posteriormente, se traslade o se conecte con un segundo sustrato que es el que forma parte de la estructura de la válvula.

Como resultado, las válvulas obtenidas con la tecnología de la invención permiten establecer una programación precisa de la magnitud y de la direccionalidad de las fuerzas aplicadas al volumen configurado por el sustrato y el material con respuesta mecánica, y que permite regular los caudales de fluido que circulan por un sistema microfluídico. Con ello, es posible controlar con precisión, de forma reversible y bien definida, las estructuras resultantes tanto en el espacio como en el tiempo. Así, con el diseño preciso de la estructura interna y de las fuerzas generadas (que puede obtenerse mediante las plataformas de impresión 4D descritas), la invención permite obtener geometrías y funciones complejas, que no se pueden obtener con las tecnologías de procesamiento para LCPs disponibles en la actualidad. Más allá de la tensión o de la flexión, la invención permite además generar otras funciones más complejas, como por ejemplo la apertura de poros o incluso su rotación de las porciones funcionales de las válvulas, brindando así nuevas posibilidades y funciones de transformación de forma a las tecnologías de actuadores de cristal líquido (LC) conocidos. El concepto de impresión 4D de LCPs puede extenderse potencialmente tanto a la temperatura como a la luz, así como a una amplia variedad de estímulos externos, tales como campos eléctricos y magnéticos, pH o humedad, entre otros, si se proporcionan los materiales adecuados, preparados con los interruptores moleculares o grupos funcionales adecuados. Además, estos actuadores se pueden fabricar directamente sobre otros sustratos o dispositivos, así como sobre grandes superficies, lo que lleva la tecnología propuesta un paso más cerca de la producción industrial. En particular, como un ejemplo de realización preferente, el procedimiento de impresión descrito permite integrar elementos de LCP con respuesta mecánica, impresos en 3D, con materiales inertes de uso habitual en microfluídica, tales como el polidimetilsiloxano (PDMS), lo que permite la preparación de dispositivos compuestos adaptables, donde la porción funcional de la válvula se deforma y sobresale, actuando por ejemplo como una lente. Según lo descrito, el PDMS es un material clave en dispositivos microfluídicos biológicos y médicos, por lo que el procedimiento de impresión 4D de materiales LCP de la invención representa una oportunidad prometedora para generar sistemas ajustables dinámicamente, tales como válvulas o bombas microfluídicas, que pueden integrarse en dispositivos microfluídicos según las realizaciones específicas descritas a continuación.

Así, en una realización preferente del procedimiento de la invención, la sucesión de filamentos del material con respuesta mecánica se dispone, en el citado volumen de paso de fluido, como una pluralidad de filamentos sustancialmente paralelos, conformando una superficie rectangular o cuadrada.

En otra realización preferente del procedimiento, la sucesión de filamentos del material con respuesta mecánica se dispone, en el citado volumen de paso de fluido, adoptando una distribución radial sustancialmente plana, donde cada filamento parte de una región central común al resto de filamentos.

En otra realización preferente del procedimiento, la sucesión de filamentos del material con respuesta mecánica se dispone, en el citado volumen de paso de fluido, como una distribución azimutal o como una aproximación a ésta, más fácilmente implementable en la práctica, una espiral sustancialmente plana, a partir de una región central común a uno o a más filamentos.

En otra realización preferente del procedimiento, éste comprende la etapa adicional de modificación de la superficie para promocionar la adhesión entre los elementos constituyentes. Esta modificación puede consistir, por ejemplo, en la exposición de las superficies correspondientes a ozono generado por radiación ultravioleta (UV), plasma de oxígeno u otros gases. Asimismo, puede aplicarse un agente de acoplamiento entre al menos una parte del material con respuesta mecánica y el sustrato. Más preferentemente, el agente de acoplamiento es de tipo híbrido orgánico-inorgánico (por ejemplo, amino-, mercapto- or epoxi-silanos).

En otra realización preferente del procedimiento, el tratamiento antiadhesión comprende uno o más modificadores fluorinados o silanos alifáticos de cadena larga.

En otra realización preferente del procedimiento, éste comprende la disposición adicional de una o más capas de material mecánicamente inerte posteriormente a la impresión del material con respuesta mecánica, configurando uno o más elementos adicionales de la porción estructural de la válvula.

En otra realización preferente del procedimiento, éste comprende una etapa de aplicación de un tratamiento de curado posterior a la finalización de la impresión del material con respuesta mecánica. Más preferentemente, dicha etapa de curado se realiza de forma selectiva en determinadas regiones de la válvula, y/o se aplica mediante una sucesión de múltiples curados sobre dichas regiones.

Un segundo objeto de la invención se refiere a una válvula para la regulación del paso de un fluido a través de un dispositivo microfluídico que, ventajosamente, se fabrica según un procedimiento según cualquiera de las realizaciones descritas en el presente documento.

En una realización preferente de la válvula de la invención, el material con respuesta mecánica comprende una mezcla de al menos un LCP de cadena principal con grupos acrilatos reactivos al final de dicha cadena, junto con uno o más fotoiniciadores.

En otra realización preferente de la válvula de la invención, el LCP, una vez entrecruzado y formado el LCE o LCN, posee una respuesta mecánica al cambio de iluminación, temperatura, humedad, pH o campo electromagnético. Más preferentemente, el LCE o LCN posee respuesta mecánica a la luz (tanto por vía fotoquímica como fototérmica). La incorporación de la funcionalidad fotoactiva se puede abordar principalmente mediante dos estrategias diferentes. Por un lado, una primera estrategia está basada en la incorporación de unidades fotoisomerizables, de tipo azobenceno, espiropirano, diaretilenos o rotaxanos que, cuando son irradiadas en sus bandas de absorción, experimentan isomerizaciones entre sus estados trans, de forma alargada y por tanto favorecedora del orden CL, y cis, de forma curvada y que perturba el orden CL. La generación de isómeros cis mediante luz, perturba el orden cristal líquido y altera las propiedades mecánicas del sistema. Por otro lado, una segunda estrategia está basada en la incorporación de moléculas o nano-objetos con absorción. Al ser irradiados en sus bandas de absorción ambos liberan, muy eficientemente, calor que es transferido al material en el que están incorporados, el LCE en el presente caso, produciéndose de esta manera la actuación mecánica. También es posible utilizar cromóforos absorbentes, capaces de absorber luz de una longitud de onda y transformar eficientemente energía luminosa en calor, tales como benzofenonas, rodaminas, estilbenos, coumarinas o benzotriazol.

En otra realización preferente de la válvula de la invención, el sustrato comprende PDMS o una estructura polimérica de olefina cíclica.

En otra realización preferente de la válvula de la invención, la porción estructural de la válvula comprende uno o más orificios antiadhesión entre dicha porción estructural y el material con respuesta mecánica de la porción funcional de la citada válvula.

Un tercer objeto de la invención se refiere a una bomba peristáltica que comprende al menos una válvula según cualquiera de las realizaciones descritas en el presente documento, configurada en combinación con un elemento de restricción pasiva de flujo; o configurada como una disposición sucesiva de dos o más válvulas según cualquiera de las realizaciones descritas en el presente documento.

Un cuarto objeto de la invención se refiere a un sistema microfluídico que comprende una válvula según cualquiera de las realizaciones descritas en el presente documento, en combinación con un accionador de dicha válvula que comprende medios adaptados para regular una propiedad físico-química a la que es sensible el material con respuesta mecánica que conforma la porción funcional de la citada válvula.

Un quinto objeto de la invención se refiere al uso de una válvula microfluídica, de una bomba peristáltica o de un sistema según cualquiera de las realizaciones aquí descritas, en análisis biomédicos in vitro, en análisis de detección de drogas, en estudios biológicos in vitro, en la monitorización y el control de la contaminación ambiental, en la detección de riesgos biológicos, en análisis alimentario o en la fabricación de dispositivos de tipo órganoen-chip. Dichos dispositivos microfluídicos (en inglés, "organ on chip”) proporcionan un modelo biomimético fisiológicamente relevante, que permite comprender mejor las funciones y respuestas específicas de los tejidos y órganos y, por tanto, la reacción a tratamientos farmacológicos o la evolución de determinadas patologías, contribuyendo de esta manera al desarrollo de nuevas herramientas para la realización de nuevos estudios fisiológicos, desarrollo y cribado de fármacos, toxicología y para medicina personalizada.

En una realización preferente del sistema de la invención, los medios de regulación de la propiedad físico-química comprenden un subsistema de iluminación, un subsistema de regulación de la temperatura, un subsistema de regulación de la humedad, un subsistema de regulación del pH o un subsistema de regulación del campo electromagnético.

En el ámbito de la presente invención, se interpretará la expresión "con respuesta mecánica en el tiempo” como la propiedad de un material cuya estructura molecular se ve alterada durante el tiempo ante la aplicación externa de una o más magnitudes físico-químicas, tales como la iluminación, la temperatura, la humedad, el pH o el campo electromagnético, entre otras. Asimismo, dicha propiedad es, en el ámbito de la invención, reversible, en el sentido de que si la magnitud físico-química aplicada vuelve a un estado anterior o se aplica bajo otras condiciones o en combinación con otras magnitudes físico-químicas o estímulos, es posible hacer volver la estructura molecular del material a su estado original. En la realización preferente de la invención referida a la obtención de válvulas microfluídicas, la propiedad de respuesta mecánica se interpretará como la capacidad de modificación de la estructura de la porción funcional de dicha válvula, hasta el punto de que ésta pueda impulsar o regular el paso de los fluidos en un dispositivo o sistema microfluídico.

En el ámbito de la presente invención, se interpretará la expresión “mecánicamente inerte en el tiempo” como la ausencia sustancial de reactividad mecánica en el tiempo en un material.

En el ámbito de la presente invención, se interpretará la expresión “sustancialmente” como idéntico o comprendido en un margen de ±10%.

En el ámbito de la presente invención, se interpretará la expresión “porción estructural de la válvula” como aquella porción que configura la forma y estructura general de la válvula, estando conformada por materiales mecánicamente inertes que no sufren cambios sustanciales reversibles de su forma ante variaciones de uno o más parámetros físicoquímicos.

En el ámbito de la presente invención, se interpretará la expresión “porción funcional de la válvula” como aquella porción que configura los elementos móviles y de actuación de la válvula, estando conformada por materiales con respuesta mecánica que sufren cambios sustanciales reversibles de su forma ante variaciones de uno o más parámetros físicoquímicos.

DESCRIPCIÓN DE LOS DIBUJOS

La Figura 1 muestra un ejemplo de válvula microfluídica según la presente invención, en una realización preferente de la misma.

Las Figuras 2a-2c muestran tres ejemplos del patrón de impresión de un material con respuesta mecánica que puede utilizarse para la fabricación de una válvula microfluídica de la invención, según tres realizaciones preferentes de la misma.

La Figura 3 muestra un ejemplo del principio general de funcionamiento de la válvula microfluídica de la invención, según una realización preferente de la misma.

La Figura 4 muestra un ejemplo de la válvula microfluídica de la invención, según una realización preferente de la misma implementada como una válvula inversa.

La Figura 5 muestra una disposición secuencial de válvulas microfluídicas según la invención, configuradas como una bomba peristáltica cuyas etapas pueden activarse con radiación lumínica de diferentes longitudes de onda.

Las Figuras 6a-6b muestran ejemplos de una válvula y de una bomba peristáltica según la invención, respectivamente, donde el sustrato de las mismas incorpora unos orificios que actúan como medio antiadhesión.

Referencias numéricas de los dibujos:

(1) Sustrato de material mecánicamente inerte.

(2) Filamentos de material con respuesta mecánica.

(3) Volumen de paso de fluido.

(4) Región central de impresión de los filamentos de material mecánicamente reactivo. (5) Capas adicionales de material mecánicamente inerte.

(6) Luz.

(7) Orificios antiadhesión.

DESCRIPCIÓN DETALLADA DE LA INVENCIÓN

Según lo descrito en los apartados precedentes, así como en los ejemplos mostrados en las Figuras 1-6 del presente documento, el procedimiento de fabricación de válvulas microfluídicas comprende, esencialmente, al menos las siguientes etapas:

- Se dispone un sustrato (1) configurando una porción estructural de la válvula, donde dicho sustrato (1) comprende al menos un material mecánicamente inerte a una o más propiedades físico-químicas en el tiempo.

- Se imprime, mediante fabricación aditiva, una sucesión de uno o más filamentos (2) de un material con respuesta mecánica a una o más de dichas propiedades físicoquímicas en el tiempo, donde dicho material con respuesta mecánica comprende al menos un LCP, y donde los filamentos (2) impresos configuran una porción funcional de la válvula.

- Se dispone la sucesión de filamentos (2) de material con respuesta mecánica sobre el sustrato (1) de material mecánicamente inerte aplicando un tratamiento antiadhesión sobre una o más superficies de contacto entre dichos filamentos (2) y el sustrato (1).

Tal y como se muestra en la Figura 1, el sustrato (1) y la sucesión de filamentos (2) de material con respuesta mecánica configuran, al menos parcialmente, un volumen (3) de paso de un fluido a través de la válvula. Asimismo, la sucesión de filamentos (2) del material con respuesta mecánica se dispone, en el citado volumen (3), de forma que la variación de uno o más de los parámetros físico-químicos (por ejemplo, mediante iluminación a un determinado rango de frecuencias) induce una alteración en el orden molecular del LCP, contrayendo o expandiendo el material a lo largo de la dirección longitudinal o transversal de los filamentos (2) respectivamente, y conduciendo a la reducción o al aumento del volumen (3) de paso de fluido.

La configuración del volumen (3) de paso mostrado en la Figura 1 adopta, por tanto, forma de canal, pudiendo configurarse tanto con una geometría de canal curva, que se ajusta al actuador en el estado accionado, o puede usar una parte superior plana que actúa sobre un canal, abriéndolo o cerrándolo en función del estado de la válvula (no accionada o accionada), como se muestra en la Figura 3. Esta configuración es también ventajosa, ya que el área de la porción funcional en contacto con la pared opuesta de la porción estructural es parcial, lo que facilita su desprendimiento posterior cuando los materiales con respuesta mecánica vuelven a su estado inicial (no accionado).

Para el adecuado funcionamiento de las válvulas de la invención, es necesario el uso de materiales con respuesta mecánica a modo de tintas cuya reología conduzca, después de su impresión y, opcionalmente, de su curado, a filamentos (2) de LCP con morfología controlada, según las propiedades anteriormente descritas. Para ello, dichas tintas comprenden, preferentemente, una mezcla de LCPs de cadena principal con grupos acrilatos reactivos al final de la cadena, junto con una pequeña cantidad de fotoiniciador. Asimismo, el polímero de cristal líquido con respuesta mecánica contiene, preferentemente, unidades moleculares absorbentes incorporadas en su cadena principal, bien con fotorrespuesta (por ejemplo, azobenceno, espiropirano, etc.), que experimentan cambios conformacionales al absorber luz perturbando el orden cristal líquido, o moléculas absorbentes que transforman la luz absorbida en calor, perturbando también el orden cristal líquido. Otra posibilidad es la incorporación de las unidades a la tinta de LCP como un monómero adicional que se une luego a la estructura polimérica. El polímero se obtiene principalmente mediante un proceso de adición de Michael, realizando una mezcla de diacrilatos mesogénicos con unidades reactivas, que se mezclan a su vez con n-butilamina en una relación molar cercana a 1, con un exceso de diacrilato para asegurar la formación de cadenas poliméricas, a través de la reacción de adición de Michael, con grupos terminales de acrilato que pueden reaccionar posteriormente, en una segunda etapa realizada por fotopolimerización. La química de amina-acrilato se ha utilizado como ejemplo, si bien es también posible utilizar otras reacciones para la formación de las cadenas reactivas, tales como el tiol-acrilato, la amina-epoxi, etc., conduciendo al mismo efecto. Las tintas así preparadas presentan generalmente un comportamiento viscoelástico, siendo posible la fácil formación de filamentos (2) largos y delgados, simplemente imprimiéndolas a partir del material polimérico generando fibras bien orientadas, con los monómeros mesogénicos alineados en la dirección de impresión. Otras posibilidades incluyen también el uso de materiales fotoquímicos o fototérmicos, como son por ejemplo las tintas que contienen nanopartículas o moléculas que transforman la luz en calor. Los efectos magnetotérmicos también pueden ser utilizados en el ámbito de la invención, en diferentes realizaciones preferentes de la misma.

Por su parte, el sustrato (1) de la válvula comprende preferentemente uno o más materiales biocompatibles, seleccionados por ejemplo de entre los empleados habitualmente en aplicaciones microfluídicas, tales como PDMS o estructuras poliméricas de olefina cíclica.

Las Figuras 2a-2c muestran tres ejemplos de configuraciones adoptadas por los filamentos (2) de material con respuesta mecánica para fabricación de diferentes realizaciones preferentes de las válvulas de la invención. Así pues, la Figura 2a muestra una sucesión de filamentos (2) de material con respuesta mecánica dispuesta como una pluralidad de líneas sustancialmente paralelas, conformando una superficie rectangular o cuadrada. Esta configuración es la que adopta, por ejemplo, la válvula de la Figura 1. En otra realización (Figura 2b), la sucesión de filamentos (2) de material con respuesta mecánica se dispone adoptando una distribución radial sustancialmente plana, donde cada filamento (2) parte de una región central (4) común al resto de filamentos (2). En una realización adicional (Figura 2c), la sucesión de filamentos (2) de material con respuesta mecánica se dispone, en el citado volumen (3) de paso de fluido, como una distribución azimutal y, como aproximación a esa en una trayectoria continua, una espiral sustancialmente plana, a partir de una región central (4) común a uno o más de los filamentos (2).

Un posible problema que presentan los actuadores compuestos sometidos a esfuerzos mecánicos es la delaminación de uno o más de los materiales utilizados. Para promover la adhesión de la porción funcional de la válvula a la porción estructural (en aquellos puntos o regiones donde se necesite), pueden realizarse químicas específicas aplicadas a esta última. Por ejemplo, con el objetivo de promover la adhesión de tintas a base de acrilato, se pueden realizar tratamientos de PDMS con agentes de acoplamiento híbrido orgánicoinorgánico, tales como 3-aminopropiltrietoxisilano, 3-aminopropiltrimetoxisilano, 3-aminopropil triclorosilano, 3-mercaptopropil trimetoxisilano, 3-mercaptopropil trietoxisilano, 3-metacriloxi propil trimetoxisilano. Ello genera especies reactivas unidas covalentemente a la superficie, que luego pueden servir como enlaces para la tinta de acrilato cuando se fotocuran, aumentando la fuerza de unión de las mismas.

Preferentemente, el tratamiento antiadhesión comprende uno o más modificadores que comprenden, por ejemplo, nonil triclorosilano, octadecil triclorosilano, octil triclorosilano, fluoro-n-octil triclorosilano o fluoro-n-octil trimethoxisilano. Con ello, se reducen las fuerzas de adhesión de la fricción entre la porción funcional y la porción estructural de la válvula, lo que reduce el riesgo de falla de la misma por la posible fijación de una porción a la otra.

En otras realizaciones de la invención, el procedimiento de fabricación también puede comprender la disposición adicional de una o más capas (5) de material mecánicamente inerte posteriormente a la impresión de la sucesión de filamentos (2) del material con respuesta mecánica, configurando uno o más elementos adicionales de la porción estructural de la válvula.

En otras realizaciones de la invención, el procedimiento de fabricación también puede comprender una etapa de aplicación de un tratamiento de curado, preferentemente posterior a la finalización de la impresión de los filamentos (2) de material con respuesta mecánica. Dicha etapa de curado se puede realizar de forma selectiva en determinadas regiones de la válvula, donde opcionalmente se puede aplicar una sucesión de múltiples curados sobre dichas regiones. El procedimiento de la invención permite, asimismo, imprimir filamentos (2) que se deforman (por ejemplo, por una acción mecánica externa) antes de curarse. Esta posibilidad es interesante para determinados diseños de válvulas o actuadores complejos. En otras realizaciones, el procedimiento de la invención permite también imprimir estructuras multiestables de filamentos (2), obteniéndose diferentes deformaciones en cada curado.

A modo de ejemplo de realización preferente de la invención, referido a una válvula sensible a la luz (6), es posible usar un sustrato (1) de PDMS sobre el que se imprimen los filamentos (2) de LCP. El sistema compuesto LCP-PDMS se puede fabricar imprimiendo en 3D el material LCP sobre el PDMS, estando configurado este último en forma de película, chip o una pieza precursora de chip previamente fabricada. Se puede agregar y curar material PDMS adicional, para completar el proceso de fabricación del chip. El elemento LCP impreso en 3D también se puede incrustar dentro del PDMS o en su parte inferior. Por ejemplo, las franjas del material con respuesta mecánica a la luz (6) pueden imprimirse en 3D, para crear una membrana con su orientación de director del LCP paralela a la dirección del canal en el bloque PDMS, en la parte superior de la delgada base de membrana PDMS del canal (tal como se muestra en la Figura 1). Teniendo en cuenta la expansión inducida por la luz (6) en la dirección perpendicular al director del LCP, la iluminación sobre el elemento LCP activo produce la expansión de la banda a lo largo de la dirección perpendicular al canal. Si está confinada entre dos paredes fijas suficientemente gruesas, la banda se dobla bloqueando el flujo de fluido a través del canal, actuando por tanto como una válvula, según el objeto de la invención.

En otra realización preferente de la invención, la válvula no accionada cierra el canal. El accionamiento con luz (6) abre la válvula, permitiendo que el líquido fluya como se muestra en la realización de la Figura 4, configurando por tanto un diseño de válvula inversa.

En otras realizaciones preferentes de la invención, es posible fabricar actuadores más complejos con el procedimiento propuesto. Por ejemplo, es posible configurar una sucesión de dos o más elementos de tipo válvula, ubicados de manera individual, conformando una bomba peristáltica según muestra la Figura 5. En dicha realización, los materiales con respuesta mecánica de la porción funcional pueden ser accionados de manera independiente con tres haces de luz que iluminan cada uno de ellos de manera aislada. Alternativamente, pueden fabricarse con materiales sensibles a diferentes longitudes de onda (por ejemplo, rojo (R), verde (G) e infrarrojo (IR) en dicha figura), y/o siendo accionada cada válvula por diferentes luces (6). De este modo, se proporciona un control independiente de cada válvula, facilitando la realización de movimientos de tipo peristáltico en el volumen (3) de paso de la misma, mediante una secuencia apropiada de eventos de iluminación. La irradiación con intensidades y secuencias de luz (6) apropiadas provoca, así, un flujo unidireccional del fluido. En otras realizaciones de la invención, es posible configurar la bomba peristáltica como una combinación de una o más válvulas según cualquiera de las realizaciones descritas en el presente documento y de un elemento de restricción pasiva de flujo.

En otras realizaciones mostradas en las Figuras 6a-6b, se representa un diseño de válvula donde la porción estructural de dicha válvula (y, preferentemente, su sustrato (1)) comprende uno o más orificios (7) que actúan como medios antiadhesión, dado que el uso de geometrías que minimizan el contacto entre superficies paralelas disminuye la adhesión entre las mismas.

Finalmente, otro objeto de la invención se refiere a un sistema microfluídico que comprende una válvula según lo descrito en combinación con un accionador de dicha válvula, donde dicho accionador comprende medios adaptados para regular una propiedad físico-química a la que es sensible el material con respuesta mecánica que conforma la porción funcional de la citada válvula. Ejemplos de dichos accionadores pueden ser:

Luz: La luz puede aplicarse mediante el uso de fuentes luminosas tales como LEDs o láseres que pueden formar parte preferentemente de un dispositivo externo que comanda el chip microfluídico.

Temperatura: El chip puede incorporar elementos resistivos próximos al LCE/LCN, de manera que al aplicar una corriente se disipa calor accionándose la válvula. El chip podría tener en este caso electrodos de contacto que se conecten a un módulo de control externo.

Eléctrico: mediante la incorporación de aditivos que aporten resistividad al material, tales como nanotubos de carbono, negro de carbón, etc. es posible calentar el LCE/LCN mediante la aplicación de corriente y, con ello, actuar el sistema.

Humedad o pH: Para ello se emplean materiales que incorporen, por ejemplo puentes, de hidrogeno. La aplicación de soluciones de pH adecuado puede debilitar estos enlaces, cambiando las propiedades mecánicas.

Claims (21)

REIVINDICACIONES

1.

- Procedimiento de fabricación de una válvula microfluídica, donde dicho procedimiento comprende la realización de las siguientes etapas:

- disponer un sustrato (1) configurando una porción estructural de la válvula, donde dicho sustrato (1) comprende al menos un material mecánicamente inerte a una o más propiedades físico-químicas en el tiempo;

- imprimir, mediante fabricación aditiva, una sucesión de uno o más filamentos (2) de un material con respuesta mecánica a una o más de dichas propiedades físico-químicas en el tiempo, donde dicho material con respuesta mecánica comprende al menos un LCP, y donde la sucesión de filamentos (2) configura una porción funcional de la válvula;

caracterizado por que dicho procedimiento comprende una etapa adicional de disponer la sucesión de filamentos (2) de material con respuesta mecánica sobre el sustrato (1) de material mecánicamente inerte aplicando un tratamiento antiadhesión sobre una o más interfaces de dichos filamentos (2) y el sustrato (1);

donde el sustrato (1) de material mecánicamente inerte y los filamentos (2) de material con respuesta mecánica configuran, al menos parcialmente, un volumen (3) de paso de un fluido a través de la válvula, donde la sucesión de los filamentos (2) del material con respuesta mecánica se dispone, en el citado volumen (3), de forma que la variación de uno o más de los parámetros físico-químicos induce una alteración en el orden molecular del LCP, contrayendo o expandiendo el material a lo largo de una dirección longitudinal o transversal de los filamentos (2), y conduciendo a la reducción o al aumento del volumen

(3) de paso de fluido.

2.

- Procedimiento según la reivindicación anterior, donde la sucesión de filamentos (2) de material con respuesta mecánica se dispone, en el citado volumen (3) de paso de fluido, como una pluralidad de filamentos (2) sustancialmente paralelos, conformando una superficie rectangular o cuadrada.

3.

- Procedimiento según la reivindicación 1, donde la sucesión de filamentos (2) del material con respuesta mecánica se dispone, en el citado volumen (3) de paso de fluido, adoptando una distribución radial sustancialmente plana, donde cada filamento (2) parte de una región central (4) común al resto de los filamentos (2).

4.

- Procedimiento según la reivindicación 1, donde la sucesión de filamentos (2) del material con respuesta mecánica se dispone, en el citado volumen (3) de paso de fluido, como una distribución azimutal o espiral sustancialmente plana, a partir de una región central (4) común a uno o más filamentos (2).

5.

- Procedimiento según cualquiera de las reivindicaciones anteriores, que comprende una etapa adicional de añadir un agente de acoplamiento entre al menos una parte de los filamentos (2) de material con respuesta mecánica y el sustrato (1) de material mecánicamente inerte.

6.

- Procedimiento según la reivindicación anterior, donde el agente de acoplamiento es de tipo híbrido orgánico-inorgánico.

7.

- Procedimiento según cualquiera de las reivindicaciones anteriores, donde el tratamiento antiadhesión comprende uno o más modificadores fluorinados o alifáticos de cadena larga.

8. - Procedimiento según cualquiera de las reivindicaciones anteriores, que comprende la disposición adicional de una o más capas (5) de material mecánicamente inerte, posteriormente a la impresión de los filamentos (2) de material con respuesta mecánica, configurando uno o más elementos adicionales de la porción estructural de la válvula.

9. - Procedimiento según cualquiera de las reivindicaciones anteriores, que comprende una etapa de aplicación de un tratamiento de curado posterior a la finalización de la impresión de los filamentos (2) de material con respuesta mecánica.

10.

- Procedimiento según la reivindicación anterior, donde la etapa de curado se realiza de forma selectiva en determinadas regiones de la válvula, y/o donde se aplica una sucesión de múltiples curados sobre dichas regiones.

11.

Válvula para la regulación del paso de un fluido a través de un dispositivo microfluídico, caracterizada por que se fabrica mediante un procedimiento según cualquiera de las reivindicaciones anteriores.

12.

Válvula según la reivindicación anterior, donde el material con respuesta mecánica comprende una mezcla de al menos un LCP de cadena principal con grupos acrilatos reactivos al final de dicha cadena, junto con uno o más fotoiniciadores.

13. - Válvula según cualquiera de las reivindicaciones 11-12, donde el LCP posee respuesta mecánica al cambio de iluminación, temperatura, humedad, pH o campo electromagnético.

14.

Válvula según cualquiera de las reivindicaciones 11-13, donde el LCP posee capacidad de respuesta a la luz (6) vía fototérmica y/o fotoquímica.

15.

- Válvula según la reivindicación anterior, donde el LCP comprende azobenceno, espiropirano, diaretileno, rotaxano, nanopartículas absorbentes y/o cromóforos absorbentes, tales como benzofenonas, rodaminas, estilbenos, coumarinas y/o benzotriazoles.

16.

Válvula según cualquiera de las reivindicaciones 11-15, donde el sustrato comprende PDMS o una estructura polimérica de olefina cíclica.

17.

Válvula según cualquiera de las reivindicaciones 11-16, donde la porción estructural de la válvula comprende uno o más orificios (7) antiadhesión entre la porción estructural y el material con respuesta mecánica.

18.

Bomba peristáltica que comprende una disposición sucesiva de dos o más válvulas según cualquiera de las reivindicaciones 11-17 y/o una o más válvulas según cualquiera de las reivindicaciones 11-17 en combinación con un elemento de restricción pasiva de flujo.

19.

Sistema microfluídico que comprende una válvula según cualquiera de las reivindicaciones 11-17, en combinación con un accionador de dicha válvula que comprende medios adaptados para regular una propiedad físico-química a la que es sensible el material con respuesta mecánica que conforma la porción funcional de la citada válvula.

20.

Sistema según la reivindicación anterior, donde los medios de regulación de la propiedad físico-química comprenden un subsistema de iluminación, un subsistema de regulación de la temperatura, un subsistema de regulación de la humedad, un subsistema de regulación del pH o un subsistema de regulación del campo electromagnético.

21.

Uso de una válvula microfluídica según cualquiera de las reivindicaciones 11­ 17, de una bomba peristáltica según la reivindicación 18 o de un sistema según cualquiera de las reivindicaciones 19-20 en análisis biomédicos in vitro, en la fabricación de dispositivos de tipo órgano-en-chip, en análisis de detección de drogas, en estudios biológicos in vitro, en la monitorización y el control de la contaminación ambiental, en la detección de riesgos biológicos o en análisis alimentario.