Modelado y simulación de fenómenos de flujo y transporte en medios porosos integrados a dispositivos de microfluídica

Abstract

Los dispositivos de microfluídica analíticos basados en papel (µPADs) tienen numerosas ventajas: disponibilidad, bajo costo, autonomía, biocompatibilidad, compatibilidad con reacciones incluyendo especies pre-adsorbidas y potencial de empleo de electroforesis. En las etapas de diseño y optimización de estos dispositivos, son de gran utilidad las simulaciones computacionales. Las simulaciones permiten a los diseñadores de los dispositivos probar diferentes configuraciones, materiales y condiciones de operación de manera virtual, antes de pasar a la fabricación física. Esto no solo ahorra tiempo y recursos, sino que también proporciona una comprensión más profunda del comportamiento de los dispositivos en diferentes situaciones. La principal contribución de esta tesis consiste en el desarrollo, validación y publicación de varias herramientas de software numéricas de código abierto para la simulación de flujo y/o transporte en medios porosos destinadas a la caracterización de sustratos y el prototipado numérico de µPADs. Estas herramientas se pueden usar para predecir comportamientos y resultados, y así optimizar diseños sin necesidad de utilizar prototipos físicos. En conjunto con estas herramientas, se han estudiado, extendido, validado e implementado relaciones constitutivas aplicables al flujo capilar en papel. Las herramientas y modelos originales desarrollados constituyen un aporte significativo a la comunidad científico-tecnológica dedicada a esta temática, el cual se ve reflejado en las publicaciones con referato que compila esta tesis.

Microfluidic paper-based analytical devices (µPADs) offer numerous advantages: availability, low cost, autonomy, biocompatibility, compatibility with reactions including pre-adsorbed species, and the potential for performing electrophoresis. In the design and optimization stages of these devices, computational simulations are highly useful. Simulations enable device designers to test different configurations, materials, and operating conditions in a virtual manner before moving on to physical fabrication. This not only saves time and resources but also provides a deeper understanding of the devices' behavior in various situations. The main contribution of this thesis lies in the development, validation, and publication of several open-source numerical software tools for simulating flow and/or transport in porous media, aimed at the characterization of substrates and numerical prototyping of µPADs. These tools can be used to predict behaviors and outcomes, thus optimizing designs without the need for physical prototypes. In conjunction with these tools, constitutive relations applicable to capillary flow in paper have been studied, extended, validated, and implemented. The original tools and models developed constitute a significant contribution to the scientific and technological community dedicated to this topic, as reflected in the peer-reviewed publications compiled in this thesis.