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Dispositivos LoC y su relacion con los biosensores

Dispositivos LoCs y su relación con los biosensores

Los biosensores y quimiosensores electroquímicos pueden detectar multitud de analitos de interés para muchas indústrias. Por ejemplo, en el procesado de alimentos, hay sensores de pH, lo que nos permite controlar los procesos de fermentación de alimentos como el yogurt. También tienen aplicaciones en agricultura, donde quimiosensores capaces de detectar nutrientes como el nitrato, el cual forma parte de los fertilizantes, pueden ayudar a una mayor y más eficiente producción de verduras, frutas y cereales. Y cómo no, en salud, donde biosensores de glucosa son utilizados día a día en el control de la diabetes. 

Sin embargo, adaptar los biosensores a un analito significa más que cambiar el receptor que lo hace específico. También significa, normalmente, hacer un pretratamiento de la muestra. Por esta razón, los biosensores tienden a formar parte de un sistema más complejo llamado Lab-on-a-Chip (LoC).

Qué es un LoC?

Un LoC, del Inglés Lab on a Chip, es un dipositivo que miniaturiza un laboratorio en una tarjeta o chip, normalmente de un tamaño similar al de una tarjeta de crédito.

Los LoCs permiten automatizar algunas de las tareas rutinarias del laboratorio tales como:

  • Separar
  • Mezclar
  • Filtrar
  • Calentar/Enfriar
  • Detectar
  • Transportar

Gracias a la automatización de estas funciones, los LoCs permiten tanto llevar los tests del laboratorio al campo como mejorar la reproducibilidad de los resultados y reducir el trabajo manual en el laboratorio.

Figura 1. LoC, imagen de Vjsieben, CC BY 3.0 , via Wikimedia Commons.
Figura 1. LoC, imagen de Vjsieben, CC BY 3.0, via Wikimedia Commons.

Debido a que comúnmente se utilizan en el diagnóstico clínico, los LoCs suelen ser de un sólo uso para evitar contaminación y asegurar un entorno seguro de trabajo.

Cómo se diseña un LoC?

Los LoCs se realizan a medida ya que esto permite dispositivos más pequeños y eficientes. Además, a menudo los LoCs vienen con una serie de reactivos que le permiten realizar su función específica que puede ser, por ejemplo, detectar una enfermedad. Por lo tanto, no hay dos LoCs iguales.

Pasos para diseñar un LoC

Figura 2. Pasos para desarrollar dispositivos LoC.
Figura 2. Pasos para desarrollar dispositivos LoC.

El primer paso es desarrollar el test en un laboratorio tradicional. Hay que recordar que los LoCs son laboratorios en miniatura que automatizan procesos repetitivos, de modo que hay que conocer previamente qué procesos serán necesarios.

El tercer paso es diseñar un sistema integrado que permita automatizar los procesos identificados en el paso 2. Esto significa, normalmente, integrar microfluídica, actuadores y sensores en una pieza de plástico.

El segundo paso es determinar qué procesos se pueden automatizar. Por ejemplo, en análisis de sangre es común separar el plasma de los glóbulos blancos y rojos, por lo que sería interesante automatizar este proceso. Sin embargo, la extracción de sangre del paciente suele realizarla el personal de enfermería, por lo tanto, como el laboratorio recibe la sangre directamente no es de interés introducir un sistema de extracción de muestra en esta aplicación.

El cuarto paso consiste en fabricar pequeñas cantidades de los dispositivos LoC, probarlos y comparar su funcionamiento con el del laboratorio. Esto permite identificar posibles mejoras en el dispositivo y asegurar que todo funciona correctamente antes de pasar a la fabricación en masa.

Finalmente, el quinto y último paso es pasar a la fabricación en masa del dispositivo para su comercialización. Una vez hemos optimizado el dispositivo LoC y estamos satisfechos con su funcionamiento, se puede pasar a la fabricación en masa del mismo. Esto permitirá su comercialización cuando se hayan obtenido las certificaciones necesarias por organismos tales como ISO o FDA.


Retos en el desarrollo de LoCs

Si bien los pasos a seguir para desarrollar LoCs son bastante claros, hay ciertos retos que hacen que estos dispositivos sean útiles tan sólo en un puñado de casos.

Reto 1: Integración con dispositivos de medida

La mayoría de LoCs se fabrican utilizando materiales plásticos como el polimetacrilato (PMMA) o polipropileno (PP). Debido a estos materiales y sus propiedades, es difícil integrar otros dispositivos electrónicos en el dispositivo LoC. Su baja temperatura de fusión los hacen ideales para fabricar los dispositivos mediante inyección de plástico. Sin embargo, esto significa que no se pueden soldar componentes electrónicos que podrían ayudar a integrar más procesos en el LoC. Del mismo modo, en los casos en que se quiere implementar sensores electroquímicos, los materiales a escoger se limitan a tan sólo carbono y plata, ya que las tintas de oro y platino requieren ser horneadas a temperaturas más altas de lo que los dispositivos LoC son capaces de soportar.

reto 2: método de fabricación en masa

El método más común para fabricar LoCs en grandes cantidades es por inyección. Este es un proceso económico y reproducible para fabricar un alto volúmen de LoCs. Sin embargo, la mayoría de indústrias que pueden fabricar estos dispositivos LoC  requieren pedidos mínimos muy grandes, normalmente mayores al mercado inicial. Esto supone una gran barrera de entrada para muchas empresas que desarrollan dispositivos LoC, pues supone unos costes de operación iniciales demasiado altos. De modo que muchos LoCs no terminan comerciallizándose por este motivo.

Reto 3: lectores/actuadores del dispositivo LoC

Cuando los dispositivos LoC son muy complejos, es común encontrar bombas de flujo, válvulas y demás componentes mecánicos  que controlan los diferentes procesos integrados en el chip. Todos estos elementos mecánicos, si bien funcionan correctamente, también suponen un aumento considerable del peso del lector e introduce la necesidad de un mantenimiento rutinario. Esto significa que dispositivos LoC muy complejos no se pueden utilizar en aplicaciones portátiles. Por lo que limita los LoCs complejos a tan sólo entornos de laboratorio, cuando el mercado donde un LoC es más atractivo es el Point-of-Care (PoC), el cual requiere dispositivos portátiles.

Cómo planeamos realizar LoCs en masa en Macias Sensors?

En Macias Sensors conocemos los retos en el desarrollo y comercialización de dispositivos LoC. Por eso hemos decidido focalizarnos en el desarrollo de biosensores en PCBs, ya que esto nos permite ofrecer el desarrollo de dispositivos Lab-on-PCBs (LoPCBs), también conocidos como laboratorios en placas de circuito impreso.

Qué es un LoPCB?

Un dispositivo LoPCB es parecido a un LoC en el sentido que ambos permiten miniaturizar procesos de laboratorio en un pequeño chip. La diferencia está en el método de fabricación. Mientras que los LoCs se fabrican mediate técnicas de microfabricación y/o inyección de plástico, los LoPCBs se fabrican mediante procesos estándard en la indústria de los circuitos impresos.

Qué ventajas ofrecen los LoPCBs vs los LoCs?

Gracias a las características del proceso de fabricación de los PCBs, los dispositivos LoPCBs ofrecen numerosas ventajas con respecto a los PCBs tradicionales:

  1. Preparación rápida y económica de prototipos.
  2. Fácilmente escalable una vez el dispositivo LoPCB está desarrollado.
  3. Capacidad de incorporar múltiples capas con funcionalidades de sensor/fluídica.
  4. Capacidad de utilizar sustratos rígidos, como el FR4, flexibles, como el Kapton, así como incorporar ambos en el dispositivo.
  5. Capacidad de integrar componentes electrónicos activos como circuitos integrados, sensores complementarios, entre otros.
  6. Excelente estabilidad térmica, buenas propiedades mecánicas y electricas, así como resistencia a productos químicos comunes en el desarrollo de biosensores.
  7. Posibilidad de reciclado de los LoPCBs

Cómo funciona el proceso de desarrollo de LoPCBs en Macias Sensors?

Figura 3. Proceso de desarrollo de LoPCB en Macias Sensors.
Figura 3. Proceso de desarrollo de LoPCB en Macias Sensors.

En Macias Sensors, el proceso de desarrollo de LoPCBs funciona en 4 pasos.

El primer paso es seleccionar los módulos necesarios para el LoPCB. En Macias Sensors trabajamos con módulos estándard para facilitar y agilizar el proceso de desarrollo de biosensores en LoPCB. Actualmente contamos con los siguientes módulos:

  • Módulo de sensor electroquímico de 3 electrodos.
  • Módulo de conexión estándard de  2.54 mm.
  • Módulo de conexión estándard de 1.27 mm.
  • Módulo de electroporación.
  • Módulo de calentador resistivo.
  • Módulo de  transferencia/disipación de calor entre capas.
  • Módulo de detección de fluido.

Estamos trabajando contínuamente en aumentar nuestra gama de módulos disponibles para LoPCB. De modo que si el módulo que estás buscando no está disponible en este momento, podemos desarrollarlo para tí.

El segundo paso es implementar los módulos en un PCB. Esto lo hacemos desde Macias Sensors y proporcionamos al cliente con una visión  en 3D de cómo se verán los circuitos del LoPCB.

El tercer paso es diseñar el sistema de fluídica para el LoPCB. Tras verificar con el cliente que el circuito del LoPCB cumple con sus requisitos, nuestro equipo de ingenieros diseñará un sistema de microfluídica para conectar los distintos procesos.

Finalmente, el cuarto paso es fabricar y montar el dispositivo LoPCB. Una vez el cliente está contento con el diseño, acordamos el volúmen de LoPCBs requeridos y procedemos a fabricarlos.

Con el prototipo de LoPCB, el cliente puede proceder a probarlo para su aplicación. Esto permite evaluar rápidamente cómo funciona el dispositivo e identificar posibles mejoras basadas en los resultados sin necesidad de comprar un gran volúmen de dispositivos. Por lo que el presupuesto de desarrollo e investigación puede utilizarse de forma más eficiente.


Si estás interesado en desarrollar un LoC y crees que los LoPCBs que desarrollamos en Macias Sensors pueden cubrir tus necesidades, contacta con nosotros. Estaremos encantados de organizar una videollamada y ver cómo podemos ayudarte.