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En colaboración con Itainnova

La fábrica del futuro

Microfluídica, la diminuta Venecia de la ciencia

Son tan pequeños que una mínima cantidad de fluido es más que suficiente. Dentro de estos laboratorios del tamaño de un chip, la muestra debe recorrer tan corto camino, atravesando un entramado de microcanales, que los procesos se aceleran y se acorta el tiempo de respuesta. Por eso los sistemas microfluídicos proporcionan diagnósticos en tiempo real. Itainnova participa en un proyecto europeo que simula estos dispositivos.

Tercer Milenio 15/05/2018 a las 05:00
Equipo multidisciplinar de Itainnova que trabaja en el gemelo digital de dispositivos microfluídicosItainnova

Con un medidor de glucosa portátil, los diabéticos controlan su salud sin salir de casa. Este popular equipo inspiró el concepto ‘lab on a chip’. Hoy, un laboratorio en un chip lleva dentro un sistema microfluídico. Este tipo de dispositivos "integra varias de las operaciones propias de un laboratorio y permite realizar análisis en tiempo real, con muy poca cantidad de muestra, bajo coste y en general con un mejor control sobre el proceso", indica María García Camprubí, técnica en fluidodinámica computacional en Itainnova.

Además de ser una solución portátil y de bajo coste para la detección y diagnóstico de enfermedades, los sistemas microfluídicos se aplican a la síntesis química y el análisis biológico, así como a la óptica y las tecnologías de la información.

García Camprubí añade que "otro potencial campo de aplicación de sistemas tipo ‘lab on a chip’ es el sector agroalimentario, donde se requieren dispositivos portátiles, rápidos y de alta sensibilidad para la detección de micotoxinas en productos agrícolas y alimentarios". Este tipo de sistemas microfluídicos puede también utilizarse "para analizar el nivel de contaminantes en aguas residuales, ‘in situ’, en tiempo real y de manera continua, sirviendo así como alarma medioambiental". Asímismo, los sistemas microfluídicos "también se están desarrollando para aplicaciones más avanzadas, como la separación de una única célula y posterior caracterización de sus propiedades biofísicas, en el estudio de varios tipos de cáncer".

Pero ¿cómo es por dentro un sistema microfluídico? Como en una diminuta Venecia, un fluido recorre canales de tamaño micrométrico. "El núcleo central de un sistema de este tipo es el chip microfluídico", explica García Camprubí. Consiste en un conjunto de microcanales grabados o moldeados en un soporte de vidrio, silicona o polímeros, generalmente transparente. Además, el chip contiene entradas y salidas por las que los fluidos (líquidos o gases) se inyectan y extraen del chip.

Tuberías, válvulas y adaptadores, reservorios de fluidos, equipos de bombeo, controladores de flujo... Todo está diseñado a escala micro e interconectado en una red de microcanales cuya configuración depende de la función que queramos pedirle al sistema.

Hoy en día, "la mayoría de las tecnologías basadas en dispositivos microfluídicos están en fase de demostración y prototipo", asegura García Camprubí. "Para dar el salto a su industrialización y comercialización se está trabajando en el desarrollo y estandarización de los procesos de fabricación", añade.

Itainnova participa en uno de los 35 experimentos del proyecto europeo Fortissimo 2. El objetivo es "instalar en la nube una librería de modelos de simulación de dispositivos microfluídicos que permita realizar una simulación virtual en tiempo real del comportamiento del sistema antes de construirlo físicamente". La pyme francesa Elvesys es el destinatario final; la empresa Gompute suministra los necesarios servicios de computación de alto rendimiento; Itainnova participa en el proyecto como experto tecnológico para desarrollar y proveer un gemelo digital de sistemas microfluídicos.

Así funciona un gemelo digital

Cuando, como ocurre en los sistemas microfluídicos, todo es de tamaño micrométrico y los caudales se miden en microlitros por minuto, "el control de los flujos del sistema es crítico", advierte María García Camprubí desde Itainnova. Una pyme de ingeniería y fabricación de sistemas microfluídicos como Elvesys, centrada en el desarrollo de sistemas de control, necesita "un simulador virtual en tiempo real que le ayude a desarrollar, probar y ajustar sus nuevos algoritmos de control, y que además sirva como herramienta comercial para ayudar a sus clientes a seleccionar los equipos más adecuados para cada aplicación particular". Un gemelo digital, una herramienta que simule el comportamiento del sistema en tiempo real.

Microfluídica, la diminuta Venecia de la ciencia

"El modelado de la física del chip microfluídico se realiza mediante un modelo de orden reducido (ROM)", explica García Camprubí. Se diseña una batería de experimentos que define las decenas o hasta cientos de condiciones de operación que se deben simular. Las simulaciones fluidodinámicas del flujo a través del chip requieren cálculos con un alto nivel de resolución y precisión, muy exigentes computacionalmente y que generan un ingente volumen de datos. Los resultados de todas estas simulaciones se sintetizan en el ROM, el modelo del chip microfluídico, que, "acoplado a modelos menos exigentes computacionalmente que describen la física de los otros componentes del sistema (válvulas, tuberías, reservorios) y a los algoritmos de control de los controladores de flujo, conforma el núcleo del gemelo digital". Con esta herramienta, Elvesys dispondrá de un laboratorio virtual para dar soporte al desarrollo de nuevos algoritmos de control. Asímismo, la empresa francesa podrá poner a disposición de sus clientes "un entorno web donde probar virtualmente el comportamiento de sus productos (sistemas de control, sensores de caudal, presión, etc.) para facilitar y mejorar la selección de equipos para cada aplicación".





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