Estudio experimental y numérico de modelos de imbibición capilar en microfluídica en papel

GABRIEL S. GERLERO; ANDRÉS R. VALDEZ; RAÚL URTEAGA; PABLO A. KLER

Congreso; XVI Reunión sobre Recientes Avances en Física de Fluidos y sus Aplicaciones; 2021

El auge de la microfluídica en papel ha impulsado el desarrollo y estudio de dispositivos analíticos basados en papel. Estos dispositivos altamente portátiles y autocontenidos tienen aplicaciones en diagnóstico clínico, biomedicina, y monitoreo ambiental, entre otros. En la realización de un ensayo en estos dispositivos, los fluidos se mueven por acción de la capilaridad a través del sustrato poroso, el cual puede contener reactivos pre-adsorbidos como nano-partículas, marcadores, o anticuerpos. Si bien el control de flujo en estos dispositivos ha sido estudiado principalmente con un enfoque empírico, la aparición de dispositivos cada vez más complejos ha expuesto la necesidad de contar con modelos de flujo más generales y precisos. De hecho, el modelado matemático del flujo capilar en estos dispositivos en general implica la consideración las condiciones de flujo no saturado, las cuales son particularmente difíciles de modelar. En este trabajo, proponemos un análisis objetivo sobre la factibilidad del uso de diferentes modelos para representar la imbibición de fluidos en sustratos porosos empleados en dispositivos de microfluídica en papel. En primer lugar, se obtienen datos experimentales a través de ensayos de imbibición en papel en condiciones controladas. Luego, se evalúan las predicciones de diferentes modelos de imbibición en su capacidad de reproducción aproximada de los datos experimentales. Para este proceso de optimización, consideramos tanto modelos actualmente empleados para modelar flujo en medios porosos en general, así como un modelo matemático simplificado de imbibición de construcción propia, surgido de la comparación entre el comportamiento de los modelos existentes con las observaciones experimentales. Las predicciones de los modelos se obtuvieron mediante el uso de un programa numérico especializado, el cual fue empleado por primera vez en un caso de optimización y mostró gran eficacia y eficiencia. De este estudio surgen medidas cuantitativas de la aptitud de los diferentes modelos para representar imbibición en papel---con los conjuntos de mejores parámetros de cada uno---incluyendo un análisis de propagación de incertidumbres. Con los resultados de este trabajo, nuestra intención es proveer a la comunidad de la microfluídica basada en papel nuevas y mejores herramientas de modelado de flujo de imbibición en régimen no-saturado para mejorar los diseños y desempeño de estos dispositivos.