Surface Directed Flows and Fluidic diodes: Transforming lateral flow assays into multistep diagnostics devices

Imagina una prueba de diagnóstico que funciona como un diminuto sistema de ríos autónomo. Durante décadas, la forma más común de detectar enfermedades en casa o en clínicas remotas ha sido el ensayo de flujo lateral, la conocida tira que cambia de color cuando detecta un virus o una hormona. Estos dispositivos son maravillas de la simplicidad: se coloca una gota de líquido en un extremo y este se absorbe naturalmente a través de una membrana de papel porosa, transportando productos químicos consigo hasta que llega a una línea de prueba. Este proceso no requiere baterías, ni bombas, ni capacitación. Sin embargo, esta misma simplicidad es también una limitación. Debido a que el líquido se mueve en una corriente continua y única, el dispositivo solo puede realizar un paso a la vez. No puede entregar fácilmente una muestra, esperar a que reaccione y luego introducir un segundo producto químico para amplificar la señal. Para obtener resultados más sensibles, los científicos a menudo necesitan realizar procedimientos complejos de múltiples pasos que son difíciles de automatizar en una tira simple.

Investigadores de la Universidad del Norte de Illinois y la Universidad de Nevada han encontrado una manera de superar este cuello de botella sin añadir complejidad. Han desarrollado un componente diminuto y pasivo llamado diodo fluídico que puede deslizarse en medio de una tira de prueba estándar. Al igual que un diodo eléctrico permite que la corriente fluya en una sola dirección, este nuevo dispositivo permite que el líquido fluya hacia adelante a través del papel, pero evita que fluya hacia atrás. Al disponer estos diodos en una secuencia, los investigadores crearon un sistema donde diferentes líquidos pueden entregarse uno tras otro, en un orden preciso, todo dentro de la misma tira pequeña. Esta innovación transforma una prueba simple de un solo paso en una sofisticada herramienta de diagnóstico de múltiples pasos que sigue siendo tan fácil de usar y fabricar como la original.

El núcleo de este invento es una ingeniosa disposición de materiales que guía el líquido utilizando la tensión superficial en lugar de paredes físicas. En un dispositivo microfluídico tradicional, los canales se tallan en plástico o vidrio para contener el líquido. Aquí, los investigadores construyeron un puente entre dos almohadillas de papel utilizando una fina lámina de plástico, dejando un diminuto e invisible espacio de aire entre el papel y el plástico. Cuando el líquido entra en la primera almohadilla, es atraído a través de este espacio por la atracción natural entre el agua y las superficies de plástico, fluyendo suavemente hacia la siguiente almohadilla. Sin embargo, si alguien intenta empujar el líquido hacia atrás desde la segunda almohadilla, la geometría del dispositivo cambia. El líquido encuentra un borde afilado y una superficie hidrofóbica, o repelente al agua, que actúa como una señal de alto. El líquido queda atrapado en el borde y no puede cruzar el espacio en reversa. Este comportamiento unidireccional es completamente pasivo; no requiere piezas móviles, ni electricidad, ni control externo.

Para demostrar que este concepto funciona, el equipo probó diodos individuales con diversas mezclas de líquidos. Encontraron que cuando se aplicaba líquido a la almohadilla inicial, este cruzaba el espacio de aire y llegaba a la siguiente almohadilla en menos de tres segundos. Cuando intentaron empujar el líquido hacia atrás, este se mantuvo en su lugar, retenido firmemente por la geometría de la válvula de parada, incluso bajo presión. El dispositivo demostró ser lo suficientemente robusto como para manejar aditivos comunes encontrados en pruebas médicas, como los surfactantes, que son sustancias químicas utilizadas para ayudar a que los líquidos se propaguen uniformemente. Incluso con estos aditivos, el líquido fluía hacia adelante rápidamente, pero se negaba a moverse hacia atrás, confirmando que el diodo podía funcionar de manera fiable en condiciones del mundo real.

El verdadero poder de esta tecnología surgió cuando los investigadores conectaron múltiples diodos en una cadena. Al vincularlos, crearon un sistema donde el líquido podía moverse de una sección a la siguiente en una secuencia estricta. En estos ensamblajes en cascada, se introdujeron líquidos de diferentes colores en diferentes momentos. El primer líquido avanzó, luego se detuvo, esperando a que se añadiera el segundo líquido. El segundo líquido fluyó hacia adelante, empujando al primero sin mezclarlos. Esto demostró que el dispositivo podía entregar reactivos en un orden específico, una capacidad que anteriormente era imposible en una tira de papel estándar sin una fabricación compleja o intervención del usuario.

Los investigadores aplicaron luego esta tecnología a una prueba para el SARS-CoV-2, el virus que causa el COVID-19. Construyeron una tira de prueba donde la muestra y los productos químicos de detección se mantenían separados hasta el momento adecuado. Primero, se aplicaba la muestra del paciente y esta fluía hacia la línea de prueba. Luego, se añadía un segundo líquido que contenía los productos químicos de detección, el cual fluía a través del diodo y reaccionaba con la muestra. Este proceso de dos pasos permitió que la prueba realizara una reacción de unión más compleja que una tira estándar. Los resultados fueron sorprendentes: la nueva prueba de dos pasos produjo una señal dos veces y media más fuerte que una prueba convencional utilizando exactamente los mismos productos químicos. La señal más fuerte sugiere que este método podría detectar el virus en niveles más bajos, haciendo la prueba más sensible.

Quizás el aspecto más significativo de este descubrimiento es la facilidad con la que puede fabricarse. El diodo fluídico no requiere maquinaria costosa ni ingeniería de precisión. Debido a que el líquido es guiado por las propiedades superficiales de los materiales en lugar de por canales tallados, los componentes pueden ensamblarse en capas planas, tal como el papel, el plástico y el adhesivo utilizados en las tiras de prueba actuales. Estas capas pueden cortarse en tiras individuales utilizando las mismas máquinas de alta velocidad que ya utilizan las fábricas. Esto significa que la tecnología puede escalarse para la producción en masa sin necesidad de reconstruir toda la infraestructura de fabricación. Al convertir una simple tira de papel en un dispositivo capaz de realizar reacciones complejas y temporizadas, este trabajo ofrece un camino práctico hacia herramientas de diagnóstico más potentes que sigan siendo asequibles y accesibles para todos.