Investigadores imprimen en 3D componentes clave de un espectrómetro de masas para puntos de atención sanitaria
El hardware de bajo coste supera a las versiones más avanzadas y algún día podría convertirse en un dispositivo doméstico asequible para el control de la salud
La espectrometría de masas, una técnica que permite identificar con precisión los componentes químicos de una muestra, podría utilizarse para controlar la salud de las personas que padecen enfermedades crónicas. Por ejemplo, un espectrómetro de masas puede medir los niveles hormonales en la sangre de una persona con hipotiroidismo.
Investigadores del MIT han impreso en 3D un ionizador en miniatura, componente clave de un espectrómetro de masas. El nuevo ionizador en miniatura podría permitir algún día disponer de un espectrómetro de masas doméstico asequible para controlar la salud. En la imagen se ven las partes del nuevo dispositivo, incluida una placa de circuito impreso (PCB) verde con una carcasa naranja en la parte superior. Bajo la carcasa hay un rectángulo negro donde se encuentra el emisor de electrospray.
Courtesy of Luis Fernando Velásquez-García, et al
Pero los espectrómetros de masas pueden costar varios cientos de miles de dólares, por lo que estas costosas máquinas suelen limitarse a laboratorios a los que hay que enviar muestras de sangre para analizarlas. Este proceso ineficaz puede dificultar especialmente la gestión de una enfermedad crónica.
"Nuestra gran visión es hacer que la espectrometría de masas sea local. Una persona que padezca una enfermedad crónica que requiera un seguimiento constante podría disponer de un aparato del tamaño de una caja de zapatos para realizar la prueba en casa. Para ello, el hardware tiene que ser barato", afirma Luis Fernando Velásquez-García, investigador principal de los Laboratorios de Tecnología de Microsistemas (MTL) del MIT.
Velásquez-García y sus colaboradores han dado un gran paso en esa dirección al imprimir en 3D un ionizador de bajo coste -un componente esencial de todos los espectrómetros de masas- que funciona el doble de bien que sus homólogos de última generación.
Su dispositivo, de unos pocos centímetros de tamaño, puede fabricarse a gran escala en lotes e incorporarse a un espectrómetro de masas utilizando métodos de ensamblaje robóticos eficientes. Esta producción en serie lo haría más barato que los ionizadores típicos, que a menudo requieren mano de obra, necesitan hardware caro para interactuar con el espectrómetro de masas o deben construirse en una sala blanca de semiconductores.
Al imprimir el dispositivo en 3D, los investigadores pudieron controlar con precisión su forma y utilizar materiales especiales para mejorar su rendimiento.
Se trata de un método "hágalo usted mismo" para fabricar un ionizador, pero no es un artilugio que se mantiene unido con cinta aislante o una versión pobre del dispositivo. Al fin y al cabo, funciona mejor que los dispositivos fabricados con procesos caros e instrumentos especializados, y cualquiera puede fabricarlo", afirma Velásquez-García, autor principal de un artículo sobre el ionizador.
Escribió el artículo con Alex Kachkine, estudiante de ingeniería mecánica. La investigación se publica en el Journal of the American Association for Mass Spectrometry.
Hardware de bajo coste
Los espectrómetros de masas identifican el contenido de una muestra clasificando las partículas cargadas, denominadas iones, en función de su relación masa-carga. Como las moléculas de la sangre no tienen carga eléctrica, se utiliza un ionizador para cargarlas antes de analizarlas.
La mayoría de los ionizadores de líquidos lo hacen mediante electrospray, que consiste en aplicar un alto voltaje a una muestra líquida y, a continuación, disparar un fino chorro de partículas cargadas hacia el espectrómetro de masas. Cuantas más partículas ionizadas haya en el chorro, más precisas serán las mediciones.
Los investigadores del MIT utilizaron la impresión en 3D, junto con algunas optimizaciones inteligentes, para producir un emisor de electrospray de bajo coste que superaba a las versiones más modernas de ionizadores para espectrometría de masas.
Fabricaron el emisor a partir de metal mediante un proceso de impresión en 3D en el que se rocía una capa de material en polvo con un pegamento a base de polímeros a través de diminutas boquillas para construir un objeto capa a capa. El objeto acabado se calienta en un horno para evaporar el pegamento y luego consolidar el objeto a partir de un lecho de polvo que lo rodea.
"El proceso parece complicado, pero es uno de los métodos originales de impresión 3D, y es altamente preciso y muy eficaz", afirma Velásquez-García.
Después, los emisores impresos se someten a un paso de electropulido que los afila. Por último, cada dispositivo se recubre de nanocables de óxido de zinc que confieren al emisor un nivel de porosidad que le permite filtrar y transportar líquidos con eficacia.
Pensar con originalidad
Un posible problema que afecta a los emisores de electrospray es la evaporación que puede sufrir la muestra líquida durante su funcionamiento. El disolvente podría vaporizarse y obstruir el emisor, por lo que los ingenieros suelen diseñar los emisores para limitar la evaporación.
Mediante modelización confirmada por experimentos, el equipo del MIT se dio cuenta de que podía utilizar la evaporación en su beneficio. Diseñaron los emisores como conos sólidos alimentados externamente con un ángulo específico que aprovecha la evaporación para restringir estratégicamente el flujo de líquido. De este modo, la muestra pulverizada contiene una mayor proporción de moléculas portadoras de carga.
"Vimos que la evaporación puede ser realmente un botón de diseño que puede ayudar a optimizar el rendimiento", afirma.
También se replantearon el contraelectrodo que aplica tensión a la muestra. El equipo optimizó su tamaño y forma, utilizando el mismo método de inyección de aglutinante, para que el electrodo evitara la formación de arcos. La formación de arcos, que se produce cuando la corriente eléctrica salta un espacio entre dos electrodos, puede dañar los electrodos o causar sobrecalentamiento.
Como su electrodo no es propenso a la formación de arcos, pueden aumentar con seguridad el voltaje aplicado, lo que se traduce en un mayor número de moléculas ionizadas y un mejor rendimiento.
También crearon una placa de circuito impreso de bajo coste con microfluidos digitales incorporados, a la que se suelda el emisor. La incorporación de la microfluídica digital permite al ionizador transportar eficazmente gotas de líquido.
En conjunto, estas optimizaciones permitieron crear un emisor de electrospray que podía funcionar a un voltaje un 24% superior al de las versiones más modernas. Este mayor voltaje permitió duplicar con creces la relación señal/ruido.
Además, su técnica de procesamiento por lotes podía aplicarse a gran escala, lo que reduciría significativamente el coste de cada emisor y contribuiría en gran medida a hacer realidad el espectrómetro de masas en el punto de atención sanitaria.
"Volviendo a Guttenberg, una vez que la gente tuvo la capacidad de imprimir sus propias cosas, el mundo cambió por completo. En cierto sentido, esto podría ser más de lo mismo. Podemos dar a la gente el poder de crear el hardware que necesita en su vida diaria", afirma.
El equipo quiere crear un prototipo que combine su ionizador con un filtro de masas impreso en 3D que ya han desarrollado. El ionizador y el filtro de masas son los componentes clave del dispositivo. También están trabajando para perfeccionar las bombas de vacío impresas en 3D, que siguen siendo un obstáculo importante para imprimir un espectrómetro de masas compacto completo.
Nota: Este artículo ha sido traducido utilizando un sistema informático sin intervención humana. LUMITOS ofrece estas traducciones automáticas para presentar una gama más amplia de noticias de actualidad. Como este artículo ha sido traducido con traducción automática, es posible que contenga errores de vocabulario, sintaxis o gramática. El artículo original en Inglés se puede encontrar aquí.
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