Resumen: Presentamos un enfoque innovador para modular dinámicamente el ángulo de contacto en dispositivos microfluídicos mediante redes de elastómeros sensibles a estímulos integradas en la superficie de los canales. A diferencia de las modificaciones superficiales estáticas, este sistema permite controlar en tiempo real la humectabilidad de los fluidos, optimizando la mezcla, la manipulación de gotas y el rendimiento general de laboratorios en un chip. En pruebas experimentales se observó una mejora de 10x en las tasas de difusión de analitos y un incremento del 20% en la eficiencia de fusión de gotas frente a dispositivos pasivos, abriendo la puerta a plataformas avanzadas de diagnóstico y síntesis química.

Introducción: El ángulo de contacto condiciona el comportamiento de gotas, la eficiencia de mezcla y las interacciones superficiales en microfluidos. Las técnicas tradicionales como tratamiento por plasma o recubrimientos poliméricos modifican el ángulo de contacto de forma estática. Aquí proponemos una estrategia basada en redes elastoméricas que incorporan una mezcla de polímero con memoria de forma, permitiendo variar la rugosidad superficial y por tanto el ángulo de contacto mediante control térmico, lo que modifica dinámicamente las condiciones de confinamiento y flujo.

Materiales y métodos: La red elastomérica se fabrica con una mezcla de silicona PDMS Sylgard 184 en proporción 10:1 base agente de curado. En la matriz de PDMS se dispersa un blend de Shape Memory Polymer con temperatura de transición Ttrans = 45°C. La mezcla se desairea en vacío y se cura a 80°C durante 2 horas. La fracción volumétrica de dominios SMP se ajusta variando la proporción SMP/PDMS para controlar la respuesta de la red. Los dispositivos microfluídicos se moldean por soft lithography sobre un master de silicio y se moldean con PDMS, que tras curado se enlaza a vidrio mediante plasma de oxígeno. Se integra un microcalentador resistivo para controlar uniformemente la temperatura superficial de los canales. Las mediciones del ángulo de contacto se realizan con un goniómetro y una platina con control térmico para variar desde 25°C hasta 60°C, registrando el CA en tiempo real durante la deformación de la red elastomérica.

Marco teórico: La modulación del ángulo de contacto se explica mediante las formulaciones de Wenzel y Cassie Baxter para superficies rugosas. En el caso de Wenzel se aplica cos(theta) = r cos(theta0) donde theta es el ángulo aparente theta0 es el ángulo de Young y r es el factor de rugosidad. La rugosidad de la superficie está relacionada con la deformación de los dominios SMP que, al experimentar transición térmica, expanden o contraen la microestructura cambiando r y por tanto el CA. Un modelo por elementos finitos que incorpora los coeficientes de dilatación térmica CTE de SMP y PDMS predice la evolución de la microtopografía. El modelo de potencia del microcalentador se describe por P = I^2 R donde I es corriente y R la resistencia conocida.

Resultados y discusión: Se demostró la modulación dinámica del ángulo de contacto con una reducción desde aproximadamente 85° a 25°C hasta 40° a 60°C al sobrepasar la temperatura de transición del SMP. Esta variación facilita la expansión de películas liquidas y mejora la fusión de gotas en un 20% según análisis automatizado de contornos en imágenes experimentales. En ensayos de difusión de analitos el control dinámico del CA produjo incrementos de hasta 10x en las tasas efectivas de difusión atribuibles a una mezcla lateral mejorada y a variaciones adaptativas en el espesor de película. El acoplamiento entre la respuesta térmica y la topografía genera una paleta operativa para conmutar entre modos de retención separación o mezcla dentro del mismo canal. Limitaciones prácticas incluyen la necesidad de control térmico preciso para evitar gradientes no deseados y la dependencia de la ventana térmica de funcionamiento del SMP.

Validación y modelado: Las predicciones del modelo FEA fueron validadas experimentalmente midiendo la rugosidad superficial y correlacionándola con el CA. El control en tiempo real del microcalentador y la retroalimentación del sistema aseguran estabilidad en la modulación, aunque se requiere calibración para cada composición SMP/PDMS y geometría de canal. En el apéndice se describe la formulación PDE empleada para modelar la hinchazón y la deformación térmica de los dominios SMP aportando rigor matemático a las observaciones experimentales.

Aplicaciones y perspectivas: La capacidad de ajustar dinámicamente el ángulo de contacto tiene aplicaciones directas en diagnósticos point of care, síntesis microreactores y plataformas de análisis analítico donde una misma vía debe alternar entre mezcla y separación. Además, la integración de sensores y algoritmos de control permite automatizar procesos complejos. Para acelerar la adopción de este tipo de tecnologías es clave el desarrollo de software de control y de análisis de imagen a medida integrando técnicas de inteligencia de negocio y modelos de inteligencia artificial para optimizar parámetros en tiempo real. En Q2BSTUDIO ofrecemos desarrollo de aplicaciones a medida capaces de controlar hardware microfluídico y procesar datos experimentales con pipelines de IA adaptados a cada laboratorio.

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Conclusión: El acoplamiento entre SMP y PDMS en una red elastomérica microfluídica permite una modulación dinámica y reproducible del ángulo de contacto que mejora significativamente mezclado y fusión de gotas y acelera la difusión de analitos. Esta tecnología abre nuevas oportunidades para laboratorios en un chip adaptativos. Para implementar soluciones completas que integren hardware, control térmico, adquisición de datos y análisis avanzado, Q2BSTUDIO ofrece servicios de software a medida, inteligencia artificial, ciberseguridad, servicios cloud aws y azure, servicios inteligencia de negocio y automatización que facilitan la transición desde la investigación hacia productos comerciales.

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