Dispositivos Lab-on-a-Chip y su relación con los biosensores

Los biosensores y quimiosensores electroquímicos pueden detectar múltiples analitos de interés para varias industrias. He aquí algunos ejemplos.

En la elaboración de alimentos, los sensores de pH ayudan a controlar el proceso de fermentación de productos como los yogures.

En la agricultura, los quimiosensores pueden detectar los nutrientes de las plantas, como el nitrato, que es una parte integral de los fertilizantes. De este modo, los quimiosensores ayudan a producir más alimentos, de forma más eficiente.

Y en el ámbito de la sanidad, los biosensores, como los glucómetros, ayudan a la gestión diaria y al diagnóstico de las enfermedades.

Sin embargo, adaptar los sensores a un analito específico significa algo más que cambiar el receptor de su superficie. También implica el pretratamiento y la extracción de la muestra. Por este motivo, los biosensores suelen formar parte de un sistema más complejo denominado Lab-on-a-Chip (LoC).

¿Qué es un LoC?

Un LoC es un dispositivo que miniaturiza un laboratorio en un pequeño chip, normalmente no más grande que una tarjeta de crédito.

Los LoCs automatizan algunas de las tareas rutinarias que se realizan en los laboratorios de análisis, como por ejemplo

  • Separando
  • Mezclando
  • Filtrado
  • Calefacción/refrigeración
  • Detección de
  • Transportar
Vjsieben, CC BY 3.0, vía Wikimedia Commons

Al automatizar estas tareas, los RdC permiten llevar las pruebas de laboratorio al punto de atención, además de mejorar la reproducibilidad de los resultados adquiridos y reducir el trabajo manual.

Dado que los LoC se utilizan habitualmente en el diagnóstico médico, son dispositivos de un solo uso. Así se evita la contaminación cruzada de las muestras y se garantiza un lugar de trabajo seguro.

¿Cómo diseñar un LoC?

Las LoC se fabrican a medida, ya que esto permite que los dispositivos sean más pequeños y eficientes. Además, los LoC suelen llevar reactivos para funciones específicas, como la detección de biomarcadores clave. Por lo tanto, cada LoC es diferente.

Pasos para diseñar una RdC

El primer paso para diseñar un LoC es desarrollar el ensayo de prueba utilizando equipos de laboratorio tradicionales. Hay que tener en cuenta que los LoCs son mini laboratorios que automatizan procesos rutinarios. Por lo tanto, para desarrollar un LoC es necesario saber qué procesos serán necesarios.

El segundo paso es determinar qué procesos pueden automatizarse. Por ejemplo, en los análisis de sangre es habitual separar el plasma de las células. Así que este proceso de separación es interesante de automatizar. Sin embargo, la extracción de sangre del paciente la realiza normalmente personal especializado en el punto de atención. Por lo tanto, para un RdC diseñado para ser utilizado en un laboratorio de análisis, este proceso no necesita ser automatizado, ya que el laboratorio ya recibe la sangre extraída.

El tercer paso consiste en diseñar un sistema integrado que pueda automatizar los procesos identificados en el paso 2. Es decir, combinar la fluídica, los actuadores, los reactivos y los sensores en un cartucho desechable.

El cuarto paso consiste en fabricar pequeños lotes de LoC para probarlos y comparar su rendimiento con el de un laboratorio tradicional. Con estos resultados, se identifican las posibles mejoras en el diseño del LoC y se puede asegurar que todo funciona correctamente antes de pasar a la producción en masa. En caso de que el dispositivo no funcione correctamente o requiera nuevas mejoras, la información obtenida en este paso puede utilizarse para rediseñar la RdC.

Por último, el quinto paso es la producción en masa del dispositivo para su introducción en el mercado. Una vez que el dispositivo LoC ha sido optimizado y funciona bien, se puede organizar la producción en masa. Esto permitirá la comercialización del dispositivo LoC una vez que se obtengan todos los certificados necesarios (es decir, ISO/FDA).

Desafíos en el desarrollo de los LoCs

Aunque los pasos para desarrollar los LoCs están muy claros, hay ciertos retos que hacen que las RdC sean viables sólo para un puñado de casos.

Reto 1: integración con los dispositivos de medición

La mayoría de los LoC se fabrican con plásticos como el PMMA o el PP. Debido a las características de estos materiales, es difícil integrar estos dispositivos con otros componentes electrónicos.

La baja temperatura de fusión de los plásticos los convierte en candidatos ideales para el moldeo por inyección, el principal proceso de fabricación de los LoC. Sin embargo, también los hace inadecuados para la integración con componentes electrónicos de terceros, ya que las temperaturas de soldadura fundirían las piezas de plástico.

Del mismo modo, si hay que implantar sensores electroquímicos serigrafiados en un LoC, la elección de tintas se reduce drásticamente. Debido a las temperaturas de procesamiento de las pastas de oro y platino, éstas no son compatibles con el sustrato de plástico. Esto significa que las únicas tintas adecuadas son las basadas en carbono, para el electrodo de trabajo, y Ag/AgCl para el electrodo de referencia.

Reto 2: proceso de producción en masa

El proceso industrial más común para la producción en masa de LoCs es el moldeo por inyección. Se trata de un método económico y reproducible para fabricar grandes volúmenes de LoCs.

Sin embargo, la mayoría de las industrias capaces de fabricar por contrato piezas moldeadas por inyección requieren volúmenes muy elevados. Esto significa que los costes de puesta en marcha son elevados cuando se introduce el LoC en el mercado. Como resultado, la producción en masa se convierte en una gran barrera de entrada para la mayoría de las empresas que desarrollan LoCs. Por ello, a menudo los LoCs no se comercializan debido a esta barrera de costes de puesta en marcha.

Reto 3: integración de los lectores y actuadores con el LoC

Cuando los LoCs se vuelven muy complejas, es habitual encontrar múltiples dispositivos de terceros integrados en ellas. Algunos ejemplos serían las bombas de fluidos, las válvulas y los sensores complementarios.

All these 3rd party devices tend to significantly increase the instrument’s weight and introduce the need for routine maintenance. Therefore, complex LoCs are not suitable for point-of-care applications.

Esta es una gran limitación para los LoCs. Aunque la automatización de las operaciones en un laboratorio también es deseable, el mercado más atractivo para los LoC es el de los puntos de atención (PoC). Pero los PoCs requieren sistemas de detección portátiles.

¿Cómo produce Macías Sensors en masa los LoCs?

En Macias Sensors somos conscientes de los retos que supone el desarrollo y la comercialización de los LoC. Por este motivo, nos hemos centrado en el desarrollo de biosensores con tecnología PCB. La pila de tecnología PCB nos permite desarrollar Lab-on-PCBs (LoPCBs). Que son la contraparte basada en PCB de los LoCs.

¿Qué es un LoPCB?

Una LoPCB es muy similar a un LoC. Ambas son capaces de miniaturizar y automatizar procesos rutinarios de laboratorio dentro de un pequeño chip. La diferencia radica en el método de fabricación.

Mientras que la¡os LoC se fabrican mediante microfabricación y/o moldeo por inyección de plástico, las LoPCB se fabrican utilizando la pila de tecnología para placas de circuitos impresos junto con nuestro proceso propio de deposición de metales para evitar problemas de corrosión durante las mediciones electroquímicas.

¿Cuáles son las ventajas de los LoPCBs frente a los LoCs?

Gracias a las características de los métodos de fabricación de las placas de circuito impreso, las LoPCB ofrecen numerosas ventajas sobre las tradicionales:

  1. Prototipos rápidos y económicos
  2. Fabricación escalable de las placas de circuito impreso desarrolladas en múltiples volúmenes de pedido
  3. Fluídica y detección multicapa
  4. Fabricación en sustratos rígidos (FR4), flexibles (poliimida) y rígido-flexibles (FR4 + poliimida)
  5. Integración de la electrónica de terceros
  6. Excelente estabilidad térmica, propiedades mecánicas y eléctricas, así como resistencia química a los reactivos habituales utilizados en el desarrollo de biosensores
  7. Reciclabilidad

How is Macias Sensors’ LoPCB development process?

En Macias Sensors, hemos dividido el desarrollo del LoPCB en 4 pasos.

Paso 1 : elegir los módulos necesarios para la LoPCB

Trabajamos con módulos estándar para facilitar y agilizar el desarrollo de LoPCBs. Actualmente contamos con los siguientes módulos:

  • Módulo sensor electroquímico de 3 electrodos
  • Módulo conector de borde con paso de 2,54 mm
  • Módulo conector de borde con paso de 1,27 mm
  • módulo de electroporación
  • módulo calefactor resistivo
  • módulo heatpipe
  • módulo de detección de fluidos

Trabajamos constantemente para ampliar nuestra gama de módulos disponibles para LoPCBs. Por lo tanto, si necesita un módulo que no aparece en esta lista, podemos desarrollarlo para usted.

Paso 2: implementar el módulo en una placa de circuito impreso.

Nuestros ingenieros tomarán los módulos seleccionados por el cliente y, junto con sus especificaciones, prepararán una vista en 3D de cómo será el circuito de la LoC.

Paso 3: diseñar la fluídica para el LoPCB.

Una vez acordado el circuito para el LoPCB con el cliente, nuestro equipo diseñará un sistema fluídico para pretratar la muestra y/o transportarla a través de los diferentes procesos realizados por el LoPCB.

Paso 4: fabricar y montar la LoPCB.

Tras diseñar los circuitos y la fluídica de la LoPCB, acordamos con el cliente un primer volumen de LoPCB y procedemos a su fabricación y montaje.

Con estos primeros prototipos de LoPCB, el cliente puede probar rápidamente su rendimiento antes de comprometerse con un gran volumen de dispositivos. De este modo, se pueden identificar mejoras potenciales desde el principio sin necesidad de una gran inversión de capital inicial. De este modo, el presupuesto de I+D puede gestionarse de forma más eficiente.

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