5 decisiones de ingeniería que determinan si un microdispositivo impreso en 3D funciona o falla en la detección de contaminantes del agua

 Imagen generada con IA

Resumen

Fabricar por impresión 3D un microdispositivo, no garantiza que funcione en condiciones reales, especialmente cuando las sustancias que se quieren detectar se encuentran en el agua. Por ejemplo, en aplicaciones como sensores para medir la calidad del agua, la microescala magnifica problemas que en prototipos “macro” a nivel laboratorio pasan desapercibidos: como superficies que no se mojan, canales que se obstruyen, materiales que cambian su respuesta con el tiempo, piezas que simplemente no son repetibles o una mala selección del método de detección, ya sea cualitativo o cuantitativo. Este artículo, presenta cinco decisiones de ingeniería que pueden marcar la diferencia entre un dispositivo que funciona de manera confiable a uno que falla en la práctica.

 

Introducción: el reto no es imprimir, es que funcione en el medio

La impresión 3D, se ha vuelto una tecnología de manufactura muy utilizada para desarrollar microdispositivos: porque permite iterar geometrías rápidamente, combinar funciones y reducir barreras de acceso a la microfabricación, y esto está permitiendo la democratización de estas tecnologías de sensado. Sin embargo, cuando estos dispositivos tienen que operar adecuadamente en agua (por ejemplo, en microfluídica o sensado), el óptimo funcionamiento deja de ser “una pieza que salió bien impresa”, a ser un sistema complejo que mantiene desempeño en condiciones reales.

En este contexto, el objetivo no es inventar algo desde cero, sino aplicar con rigor un conjunto de buenas prácticas de ingeniería como: selección del material, control del proceso de fabricación, diseño de superficie y por último validación de la funcionalidad. A continuación, se presentan cinco consejos fundamentales para ayudar a entender por qué un microdispositivo puede ser completamente funcional o fallar en condiciones reales.

1) Elegir y optimizar el material pensando en el agua, no sólo en la impresora.

Por ejemplo, en la microfabricación por MSLA (Masked Stereolitography), la resina no es solo un insumo: es el punto fundamental de partida para garantizar la estabilidad dimensional, la compatibilidad química y la interacción con el fluido. Por eso, en aplicaciones acuosas, suele ser necesario considerar aspectos como:

• Estabilidad y envejecimiento en contacto con el agua (por ejemplo, dependiendo de los niveles de pH del medio acuoso puede o no haber degradación de la resina), lo que involucra cambios en propiedades mecánicas, superficiales e interferencia con las mediciones.
• Compatibilidad química con la muestra acuosa, con soluciones de limpieza y con tratamientos superficiales posteriores.
• Reactividad y curado, ya que la respuesta de la resina durante la fotopolimerización tiene un impacto en contracción, precisión y porosidad. Por otra parte, el nivel de conversión de la resina durante la fotopolimerización es un factor que puede generar la presencia de monómero residual que podría transferirse a las muestras acuosas transportadas por los microcanales, por lo que es fundamental establecer el tiempo de exposición entre capas que permita el máximo nivel de conversión posible, además de un buen proceso de post-curado.
• Cuestiones ambientales, se buscan formulaciones y estrategias de uso que reduzcan impacto (por ejemplo, eficiencia en consumo, menor toxicidad relativa, buenas prácticas de manejo y post-curado).

En conclusión, la decisión importante en este punto es conceptual, ya que el material debe seleccionarse por desempeño en el entorno final y se realiza con criterios de ingeniería, no por ensayo aleatorio.

2) Tratar los parámetros de impresión como un problema de optimización, no de intuición

En este punto, tanto en FFF (Fused Filament Fabrication) como en MSLA, los parámetros de procesamiento tienen un impacto en microgeometrías, rugosidad, tolerancias, repetibilidad y, en última instancia la capacidad del dispositivo para operar sin fugas, sin obstrucción y con comportamiento repetible.

En la práctica de la manufactura de los microdispositivos, los problemas típicos en agua suelen estar vinculados a parámetros mal ajustados, por ejemplo, variación de dimensiones críticas, superficies demasiado rugosas para flujo estable, microcanales que no mantienen su sección, o zonas que quedan con defectos de impresión que luego son puntos de falla de operación en condiciones reales.

Por lo anterior, una decisión fundamental no es “ajustar hasta que salga”, sino definir qué significa “óptimo” para el uso específico del microdispositivo propuesto. Precisamente, en microdispositivos orientados a sensado, lo óptimo no solamente se refiere a la resolución de impresión, generalmente suele ser un balance entre precisión dimensional, integridad de los microcanales, robustez mecánica, tiempo de fabricación, posprocesado y repetibilidad en la fabricación.

3) Usar optimización metaheurística para reducir iteraciones y mejorar repetibilidad

Cuando existen muchos parámetros, múltiples objetivos y restricciones, entonces el espacio de búsqueda es grande, por lo tanto, es común recurrir a optimización metaheurística, para explorar soluciones de manera inteligente y estratégica sin depender de una única aproximación determinista.

En términos sencillos, una ventaja de esta estrategia es que facilita pasar de un proceso artesanal (prueba y error) a un proceso más sistemático donde se definen objetivos (por ejemplo, reducir el error dimensional y maximizar la calidad superficial) y se estructura la búsqueda de soluciones para encontrar combinaciones de parámetros de procesamiento que cumplan mejor con el desempeño requerido.

Esto no es inventar el “hilo negro”, es ingeniería aplicada, lo que suele reflejarse en dos puntos importantes:

•  Menos iteraciones para llegar a un conjunto de parámetros óptimos.
• Mayor reproducibilidad, porque el proceso se vuelve menos dependiente de ajustes subjetivos.

4) Funcionalizar superficies para hidrofilicidad: en agua, la superficie manda

La interacción fluido-superficie en microescala, de manera práctica está definida si el agua entra, fluye como se espera o por el contrario se queda atorada en los microcanales. Un microdispositivo puede estar dimensional y geométricamente correcto y aun así fallar por un tema simple como la mojabilidad de las paredes de los microcanales y depósitos. Superficies hidrofóbicas pueden dificultar el transporte, generar burbujas persistentes o producir flujos erráticos, incluso pequeñas variaciones pueden cambiar el comportamiento capilar.

Por eso, otra parte clave en la toma de decisiones, se refiere a considerar la funcionalización superficial como parte del diseño, no como un “parche” para alcanzar la funcionalidad. Dependiendo de la aplicación y del material, se buscan y seleccionan tratamientos que reduzcan la hidrofobicidad o que controlen la energía superficial para lograr un comportamiento estable. Desde una perspectiva de ingeniería, se busca que el tratamiento sea:

• Compatible con el material y con el entorno acuoso.
• Estable en el tiempo (no solo “funciona hoy”).
• Verificable, con pruebas de mojabilidad y flujo.

5) Habilitar conductividad cuando sea necesario, seleccionar un método de cuantificación funcional y validar contra caso de uso real

Algunos sensores para agua requieren también una interacción eléctrica con zonas funcionales que permitan una lectura electroquímica o resistiva. En impresión 3D, dos de las rutas más utilizadas son: materiales funcionalizados (resinas con propiedades eléctricas ajustadas con la adición de materiales conductores) o integración híbrida (impresión e incorporación posterior de elementos conductores).

La decisión fundamental no es “que sea conductor” a toda costa, sino que sea lo suficientemente conductor y tenga una respuesta estable para la medición requerida, sin sacrificar otras características como la compatibilidad con agua o estabilidad química.

Y finalmente, la conductividad eléctrica tiene sentido solo si hay una orientación al caso de uso específico.

En calidad del agua, los objetivos más comunes incluyen la detección de contaminantes como arsénico, hierro, fluoruro, y también contaminantes emergentes como residuos farmacéuticos. Sin entrar en detalles, la validación de estos microdispositivos puede comprender:

• Mantener un desempeño en contacto prolongado con agua y matrices reales.
• Ser repetible y comprobable entre impresiones.
• Responder consistentemente a condiciones operación reales (temperatura, pH, interferentes, entre otros). Es posible que el tipo de sustancias usadas y los volúmenes requeridos de cada una de estas gobiernen muchos parámetros de diseño como la dimensión de pozos, zonas de reacción, microválvulas de control de dirección de flujo, dimensión de los canales, entre otros.

En otras palabras, el criterio de prueba no es que el prototipo se vea bien, sino que el sistema sea confiable en el entorno real para el cual se concibió desde el diseño.

Finalmente, la efectividad y funcionalidad de un sensor de algún contaminante del agua ideado con el principio de microescala depende en gran medida de una buena selección del método de detección a emplear. Para empezar, es fundamental decidir si la detección será cualitativa o cuantitativa, seguido de seleccionar o desarrollar el método analítico más adecuado. De manera ilustrativa a continuación describiremos un método colorimétrico que permite la detección de arsénico en el agua.

Método colorimétrico de determinación de arsénico en agua.

 

La reacción química del Trióxido de Arsénico (As₂O₃) con Yodato de Potasio (4KIO₃) en medio ácido genera yodo metálico (I₂) mediante una reacción de oxido-reducción usando la metodología desarrollada por Shingara S (1). Este método permite determinar de manera indirecta la concentración de Arsénico (III) en muestras acuosas a través de la cuantificación por espectroscopia de UV-vis del yodo metálico generado.

 

5As2O3

+

4KIO3

+

4HCl

®

5As2O5

+

2I2

+

4KCl

+

2H2O

 

El método consiste en la formación de yodo metálico mediante la reacción del As(III) con yodato de potasio en medio ácido, pH = 1 a 2 (reacción 1). La concentración de yodo metálico puede medirse por espectrofotometría de UV-vis, a través de la determinación de la absorbancia a del yodo a 502 nm. Para lo cual, previamente se preparó una curva de calibración de yodo metálico a diferentes concentraciones en diclorometano (CH₂Cl₂)

Este método ofrece un límite de detección adecuado para monitoreo con buena reproducibilidad, lo que lo convierte en una alternativa práctica para la detección tanto cualitativa como cuantitativa de arsénico en agua contaminada. Llevar un método químico analítico a la escala de un microdispositivo significa un reto importante, considerando todos los factores que describimos anteriormente, por lo que el ayudarse de este tipo de guías puede simplificar y acortar de manera importante el trabajo de investigación.

 

Y para ti que estas leyendo este blog, ¿qué te ha hecho fallar más en microdispositivos para aplicaciones en agua, el material, los parámetros de procesamiento (impresión), la interacción superficie-fluido o una mala selección del método de detección? Si te interesa que compartamos más criterios de diseño, no dudes en contactar a CIATEQ.

 

 

 

Autores:

Isabel Pereyra Laguna

Noemi Jardón Maximino

Miguel Ángel González López

Luis Edmundo Lugo Uribe

Jan Mayen Chaires

Manuel Gutierrez Nava

 

Referencia

(1) Colorimetric method for the determination of arsenic (III) in potable water. Shingara S. Sandhu. Analyst, Issue 1208, 1976 .