Enzymatic microfluidic fuel cells: from active to passive power sources

Esta tesis presenta el desarrollo y la fabricacion de pilas de combustibles microfluidicas para aplicaciones portatiles de baja potencia. En concreto, pilas biologicas que utilizan las enzimas en la degradacion de la glucosa. El trabajo esta dividido en dos secciones dependiendo de si los dispositivos fabricados son activos, es decir, los reactivos son suministrados a la micropila por bombeo (Capitulo 2 y 3). O si por el contrario los reactivos fluyen sin necesidad de mecanismos externos los dispositivos seran pasivos (Capitulo 4 y 5). En el primer capitulo de la tesis se ha llevado a cabo la primera aproximacion en el desarrollo de micro pilas de combustible glucosa/O2 con el objetivo de hacer posible las primeras medidas electroquimicas con enzimas. La pila microfluidica fue construida sobre un sustrato de vidrio en el cual se grabaron electrodos de oro mediante tecnicas de microfabricacion. Por otro lado, se utilizo fotolitografia suave para la fabricacion de los canales (con forma de Y) en PDMS. Esta forma de canal permitio fluir dos soluciones en paralelo usando una bomba de jeringa. Como primera aproximacion, las enzimas se encontraban fluyendo de manera continua a traves del canal. Eso provocaba experimentos caros y dificultaba su posible aplicacion portatil. De este modo, el siguiente aspecto en abordarse fue la inmovilizacion de los biocatalizadores sobre los electrodos de la micro pila. El Capitulo 2 presenta la fabricacion de una pila de combustible que posee los biocatalizadores inmovilizados en la superficie de los electrodos lo cual hace que los biocatalizores sean aprovechados mas eficientemente que en la anterior pila. Los electrodos se han fabricado utilizando resina pirolizada y se han usado por primera vez con exito en pilas microfluidicas enzimaticas de este tipo. La pila esta compuesta por diferentes capas de material plastico laminado que han sido cortadas usando un plotter de corte. Esto hace que la fabricacion del dispositivo sea rapida, barata y compatible con la manufacturacion a gran escala. El canal microfluidico se ha definido tambien sobre este tipo de material plastico, evitando el largo proceso litografico relacionado con el PDMS. Por otro lado, el canal (en forma de Y) permite optimizar la potencia que obtenemos de la pila cuando bombeamos dos soluciones diferentes. Por otro lado, el dispositivo necesita ser simplificado para finalmente obtener una fuente de energia portatil. Con este objetivo se abordo la siguiente fase de la tesis. El Capitulo 4 describe la fabricacion de una pila microfluidica implementada utilizando sustratos de papel a traves de los cuales fluyen los reactivos (de manera pasiva) por efecto capilar. Los componentes de la pila se cortaron utilizando un plotter de corte, lo que permitia fabricar dispositivos con mucha rapidez. Se probo el buen funcionamiento de una pila de combustible de papel y enzimatica obteniendo valores de potencia similares a los presentados en el Capitulo 3 (donde las soluciones eran bombeadas). A partir de aqui el trabajo se centro en aproximar la pila de papel a la simplicidad de los test de flujo lateral. Asi que la micro pila fue adaptada y operada con exito usando una unica solucion, generando energia de una bebida comercial. El Capitulo 5 presenta una micropila de combustible fabricada en papel mucho mas sofisticada y pequena que la del capitulo anterior. Se probo satisfactoriamente una nueva combinacion de biocatalizadores que permitio trabajar utilizando muestras a pH neutro. Ademas, el tamano compacto del sistema abrio la posibilidad de operar la pila de combustible con fluidos fisiologicos como por ejemplo la sangre. Finalmente, se ha demostrado que es posible tener una pila preparada para alimentar dispositivos que requieran poca demanda de energia. Sin embargo, todavia se deben hacer esfuerzos para acercar esta pila a un mundo real, debido principalmente a que el tiempo de vida de las enzimas es todavia limitado