Investigadores del MIT utilizan la impresión 3D para democratizar la producción de emisores de electrospray
Investigadores del Instituto Tecnológico de Massachusetts (MIT) han creado boquillas electrónicas de bajo coste, denominadas emisores de electrospray triaxiales, mediante impresión 3D. Tradicionalmente, la fabricación de estos dispositivos requiere varios días en una «sala blanca» de semiconductores valorada en varios millones de dólares (las mismas instalaciones de alta tecnología donde se fabrican los chips de ordenador). Ahora, el equipo del MIT espera que su diseño imprimible en 3D democratice el proceso. Pero, ¿qué hacen exactamente estos dispositivos y por qué son importantes?
Para comprender el valor de los emisores de electrospray, primero hay que entender cómo funcionan. Imagina un pulverizador estándar. Cuando aprietas el disparador, este empuja el líquido a través de un orificio minúsculo, creando una lluvia de gotitas. Un emisor de electrospray es como una boquilla de pulverización microscópica y avanzada pero en lugar de utilizar presión física para expulsar el líquido, utiliza electricidad. Al aplicar un alto voltaje al líquido a medida que sale de una punta microscópica, la fuerza eléctrica atrae y fragmenta el líquido en un chorro constante de gotitas minúsculas e idénticas. Al utilizar electricidad, puede producir gotitas mucho más pequeñas, más rápido y de forma más uniforme que una boquilla mecánica normal.
Primer plano de las boquillas de electrospray.
El papel de la impresión 3D en la producción de emisores triaxiales
El dispositivo que diseñó el equipo del MIT es único: los investigadores no pudieron encontrar ningún informe previo sobre una matriz de electrospray triaxial miniaturizada en la literatura disponible. La matriz de electrospray mide aproximadamente un centímetro cuadrado y contiene una red de canales internos en espiral que alimentan 16 boquillas perfectamente uniformes. «Triaxial» se refiere a que cada boquilla tiene tres boquillas concéntricas, anidadas unas dentro de otras. Cuando este dispositivo funciona, expulsa tres líquidos no miscibles exactamente al mismo tiempo, formando una gota en capas perfecta.
El equipo fabricó el dispositivo mediante fotocurado en cuba con una Asiga Max X27, lo que les permitió imprimir capas de tan solo 25 micrómetros de altura. Con esta técnica, pudieron fabricar microcanales helicoidales para ayudar a mantener una pulverización uniforme de microgotas en todas las boquillas, al tiempo que se mantenía el dispositivo lo más compacto posible. Estos canales tuvieron que diseñarse sin estructuras de soporte, que podrían obstruir el dispositivo.
«No podríamos fabricar un dispositivo como este en una sala blanca de semiconductores. Esto solo es posible porque están impresos en 3D», afirmó Luis Fernando Velásquez-García, investigador principal de los Laboratorios de Tecnología de Microsistemas (MTL) del MIT y autor principal del artículo.
Evolución del diseño de los emisores de electrospray triaxiales desarrollados en este estudio.
La rapidez de la impresión 3D también permitió a los investigadores probar diversas arquitecturas. Realizaron múltiples diseños para determinar la combinación ideal de caudales de líquido con el fin de maximizar la estabilidad y la consistencia de las microgotas emitidas. «Pudimos optimizar el diseño de forma agresiva porque pudimos iterar de manera mucho más ágil. Esta capacidad de refinar los diseños con gran precisión es una ventaja clave de la impresión 3D», añadió Velásquez-García.
Según el MIT, el equipo se sorprendió al descubrir que la viscosidad del líquido del medio desempeña el papel más importante a la hora de lograr la estabilidad de una microgotita. Esto se debe a que mantiene el grosor de cada capa. Los investigadores también experimentaron con el ajuste de los caudales y los voltajes, descubriendo que podían adaptar el grosor de cada capa de la microgotita.
Aplicaciones en la administración de fármacos y la biosensórica
Una de las principales aplicaciones de estos dispositivos sería su uso para fabricar nanopartículas de administración de fármacos de tres capas. Por ejemplo, cuando se ingiere un fármaco, la capa exterior podría erosionarse lentamente en el estómago, revelando un segundo material que controla la liberación de un material básico, el cual administra el medicamento a una zona específica de los intestinos.
Cuando los investigadores probaron los dispositivos, lograron generar con éxito gotitas uniformes de tres capas a gran escala. La uniformidad es fundamental para la fabricación a gran escala de micropartículas en capas destinadas a aplicaciones como biosensores para detectar sustancias químicas o células artificiales que ayuden en la regeneración de tejidos. Otra posible aplicación reside en los compuestos autorreparables.
De cara al futuro, los investigadores planean seguir perfeccionando su proceso de fabricación y sus diseños para lograr dimensiones aún más pequeñas. También están interesados en integrar materiales conductores o dieléctricos en los dispositivos para crear matrices de emisores de electrospray más avanzadas.
«Las partículas que generan estos dispositivos, ya sea para un compuesto autorreparable o para la administración de medicamentos, pueden tener un gran impacto en muchas aplicaciones», añadió Velásquez-García. En última instancia, el diseño permite la producción rentable de emisores de electrospray a gran escala.
Esta investigación fue financiada, en parte, por el Programa de Nanotecnología del Tecnológico de Monterrey – MIT. Velásquez-García colabora en el artículo con el autor principal, Bryan Iván Quintanár-Abarca, del Instituto Tecnológico de Monterrey en México. Puedes leer la investigación en Virtual and Physical Prototyping AQUÍ.
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*Créditos de todas las fotos: MIT
