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Resumen: Presentamos un método novedoso para la generación de vórtices microfluídicos de alta resolución mediante transductores de ultrasonidos focalizados FUS orientado a la entrega dirigida de fármacos. Empleando una matriz híbrida de 64 microtransductores piezoeléctricos con control de fase dinámico se consigue crear vórtices localizados y estables dentro de canales microfluídicos con resolución espacial de aproximadamente 5µm. La dinámica del vórtice se modela mediante una versión modificada de la ecuación de Navier Stokes que incorpora la fuerza de radiación acústica, lo que permite controlar con precisión tamaño, velocidad y duración del vórtice. Validación experimental por seguimiento de partículas fluorescentes confirma la estabilidad del vórtice y una encapsulación eficiente de nanopartículas cargadas con un fármaco modelo.
Introducción: La entrega dirigida de fármacos promete mejorar la eficacia terapéutica y reducir efectos adversos. Los dispositivos microfluídicos permiten el control fino del flujo y la mezcla a escala microscópica, pero las técnicas pasivas tradicionales limitan la resolución y la eficiencia de encapsulación. El uso de ultrasonidos focalizados aporta una fuerza no invasiva capaz de manipular fluidos y partículas a distancia. En este trabajo combinamos microfluídica y FUS para generar vórtices de alta resolución que actúan como microcámaras de mezcla para encapsulación y liberación controlada.
Fundamento teórico y metodología: La generación de vórtices se explica añadiendo la fuerza de radiación acústica al modelo de Navier Stokes. Esta fuerza depende de la distribución de intensidad acústica generada por la matriz de transductores y se calcula con una formulación basada en la ecuación de Basset Sigmund adaptada al régimen microfluídico. La matriz 2D de microtransductores opera a 2.2 MHz y cada elemento es direccionable individualmente para ajustar fases y desplazar el foco acústico. Un sistema de realimentación cierra el ciclo mediante seguimiento óptico de partículas fluorescentes y ajuste automático de fase para mantener el vórtice en la posición objetivo con resolución del orden de 2µm.
Diseño experimental: Los canales microfluídicos se fabricaron en PDMS por soft lithography con dimensiones típicas de 100µm de ancho y 30µm de altura optimizadas para confinamiento acústico. El medio de trabajo fue agua desionizada con 1% Ficoll y 0.1% fluoresceína para visualizar la dinámica. Se empleó un generador de pulsos personalizado que emitía ráfagas de 10µs a 1 kHz y una cámara de alta velocidad para el seguimiento de partículas. Para las pruebas de encapsulación se introdujeron nanopartículas cargadas con Rhodamina 6G y se cuantificó la eficiencia mediante intensidad fluorescente dentro de la región del vórtice.
Resultados: Se observaron vórtices localizados y estables cuya diámetro medio fue cercano a 5µm. La eficiencia de encapsulación alcanzó 85% ± 5% frente al 45% obtenido por difusión pasiva, representando una mejora sustancial en la captura de nanopartículas. La posición y el tamaño del vórtice se controlaron dinámicamente mediante ajustes de fase en la matriz, y la resolución espacial del sistema de posicionamiento fue de 2µm. Los experimentos se repitieron múltiples veces con análisis estadístico que mostró alta reproducibilidad.
Discusión: La incorporación explícita de la fuerza de radiación acústica en el modelo de flujo permite predecir y diseñar estrategias de mezcla activas que no dependen exclusivamente de la geometría del canal, ampliando la versatilidad de los microreactores y sistemas de encapsulación. La técnica facilita tiempos de entrega más cortos y mayor eficiencia, lo que abre camino a aplicaciones clínicas y a sistemas personalizados de administración de fármacos.
Conclusiones y aplicaciones: Este enfoque representa una herramienta potente para la encapsulación y liberación dirigida de fármacos en microescala y puede integrarse con plataformas más amplias de diagnóstico y terapia. En el ámbito industrial y sanitario, soluciones como esta requieren software de control avanzado, analítica en tiempo real y algoritmos de aprendizaje automático para optimizar parámetros en campo. Q2BSTUDIO aporta experiencia en desarrollo de software a medida y aplicaciones a medida que permiten implementar interfaces de control, pipelines de procesamiento de imágenes y sistemas de retroalimentación para dispositivos microfluídicos. Para proyectos que exigen desarrollo de front y back end especializado puede consultarse nuestra oferta de desarrollo de aplicaciones y software a medida en servicios de desarrollo de aplicaciones multicanal.
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