El Centro de Microfabricación de Polímeros diseña procesos de manufactura para una nueva generación de herramientas de diagnóstico.
Jennifer Chu, MIT News Office. Original (en inglés).
En el futuro no tan distante, chips plásticos del tamaño de memorias USB podrían rápida y precisamente diagnosticar enfermedades como el SIDA y el cáncer, así como detectar toxinas y patógenos en el entorno. Dicha tecnología de laboratorio-en-un-chip – conocida como microfluídica – trabaja por medio de hacer pasar fluidos como la sangre a través de canales microscópicos grabados en la superficie de polímeros. Los científicos han desarrollado maneras de manipular el flujo a microescalas y nanoescalas para detectar ciertas moléculas o marcadores que señalizan enfermedades.
Los dispositivos microfluídicos tienen el potencial de ser herramientas de diagnóstico rápidos, baratos y portátiles. Pero la tecnología aún no ha llegado al mercado. Mientras que los científicos han hecho prototipos exitosos en el laboratorio, los dispositivos microfluídicos – particularmente para uso clínico – todavía tienen que ser manufacturados a gran escala.
David Hardt del MIT (Massachusetts Institute of Technology – Instituto Tecnológico de Massachusetts) está trabajando en mover los microfluídicos del laboratorio a la fábrica. Hardt dirige el Centro para Microfabricación de Polímeros – un grupo de investigación multidisciplinario con fondos de la Alianza Singapur-MIT – que está diseñando procesos de manufactura para microfluídicos comenzando desde cero. El grupo analiza el comportamiento de polímeros bajo condiciones de fábrica, construyendo nuevas herramientas y máquinas para hacer chips basados en polímeros a niveles de producción, y diseñando procesos de control de calidad para revisar la integridad de un chip a escalas submicrónicas – todo mientras se minimiza el costo de manufactura.
“Estos son dispositivos que la gente quiere hacer por millones, por unos pocos centavos cada uno,” dice Hardt, el Profesor de Ingeniería Mecánica en el MIT. “El costo material es cercano a cero, no hay suficiente plástico aquí por el cual enviar una factura. Entonces tienes que reducir el costo de manufactura.”
Micromáquinas
Hardt y sus colegas encontraron que al hacer chips microfluídicos, muchos grupos de investigación y emprendedores han adoptado equipo principalmente de la industria semiconductora. Hardt dice que este equipo – como máquinas de nano-indentación y unión – es increíblemente caro, y nunca fue diseñado para trabajar en materiales basados en polímeros. En su lugar, el equipo de Hardt buscó formas de diseñar equipo más barato que es más apropiado para construir con polímeros.
El grupo se enfocó en una técnica de impresión llamada “micro grabado en relieve” (microembossing), en la que un polímero es calentado, entonces estampado con un patrón de pequeños canales. En experimentos con máquinas existentes, los investigadores descubrieron una falla en el proceso de grabado en relieve: Cuando trataron de soltar la herramienta de estampado del chip enfriado, mucho del plástico se arrancó con ella.
Para prevenir fallas del grabado en relieve en un establecimiento de manufactura, el equipo estudió las interacciones entre el enfriado del polímero y la herramienta de grabado en relieve, midiendo las fuerzas mecánicas entre las dos. Los investigadores usaron entonces las mediciones para construir máquinas de grabado en relieve específicamente diseñadas para minimizar la “pegajosidad” del polímero. En experimentos, el grupo encontró que las máquinas fabricaban chips rápida y precisamente, “a un costo muy bajo”, dijo Hardt. “En muchos casos tiene sentido construir tu propio equipo para la tarea a la mano”, añadió.
Adicionalmente a construir equipo microfluídico, Hardt y su equipo están diseñando innovadoras técnicas de control de calidad. A diferencia de las partes de automóviles en una línea de ensamblado que pueden ser rápidamente inspeccionadas a simple vista, los chips microfluídicos tienen pequeñas características, algunas de las cuales solo pueden ser vistas por un microscopio de alta resolución. Revisar cada característica en tan solo un chip es un ejercicio que toma mucho tiempo.
Hardt y sus colegas idearon una manera rápida y confiable de estimar la “salud” de un proceso de producción de chips. En lugar de revisar si cada canal en un chip ha sido grabado en relieve, el grupo agregó una característica adicional – una pequeña X – al patrón del chip. Diseñaron la característica para que fuera más difícil de grabar que el resto del chip. Hardt dice que la claridad con la que la X fue estampada es una buena indicación de si el resto del chip fue creado precisamente.
Iniciando una industria de golpe
La última meta del equipo es cambiar como se hace la manufactura. Típicamente, una industria construye sus procesos de producción gradualmente, realizando ajustes y mejoras con el tiempo. Hardt dice que la industria de los semiconductores es un claro ejemplo del proceso iterativo de manufactura.
“Ahora lo que ellos hacen en manufactura es imposiblemente difícil, pero ha sido una serie de pequeñas mejoras incrementales con el paso de los años”, dice Hardt. “Estamos tratando de iniciar de golpe y no esperar hasta que la industria identifique todos esos problemas cuando están tratando de hacer un producto”.
El grupo está ahora investigando formas de diseñar una “fábrica auto-correctiva” en la que productos son automáticamente probados. Si el producto no funciona, Hardt imagina los procesos de manufactura cambiando en respuesta, ajustando configuraciones en máquinas para corregir el proceso. Por ejemplo, el equipo está buscando maneras de evaluar cómo los fluidos fluyen a través de un chip manufacturado. El punto en el que dos fluidos se mezclan dentro de un chip debe ser exactamente el mismo en cada chip producido. Si ese punto de mezcla se desplaza de chip a chip, Hardt y sus colegas han desarrollado algoritmos que ajustan el equipo para que corrija el desplazamiento.
Holger Becker, cofundador de Microfluidic ChipShop, una compañía de producción de laboratorios-en-un-chip en Jena, Alemania, dice que el centro de investigación juega un papel importante en entender los diferente procesos involucrados en la producción a gran escala de microfluídicos.
“La mayoría del trabajo académico en microfluídicos se concentra en aplicaciones, y desafortunadamente solo muy poco se concentra en las tecnologías de manufactura adecuadas para la industrialización”, dice Becker. “El equipo de David Hardt toma un acercamiento integral viendo todos los diferentes pasos del proceso y el proceso de manufactura completo en lugar de tecnologías individuales”.
“Estamos llegando a una etapa donde nos gustaría que la industria supiera lo que estamos haciendo”, dice Hardt. “Hemos estado laborando en el viñedo por años, y ahora tenemos esta base, y podría llegar al punto donde estemos por delante del grupo”.
Reimpreso con permiso de MIT News.
Fuente
http://web.mit.edu/ (en inglés)