Introducción y objetivos

La hipoxia tumoral —baja concentración de oxígeno en tejidos— desempeña un papel decisivo en la progresión del cáncer y la resistencia a terapias. Para investigar estos efectos in vitro, Zhang y sus colaboradores (2026) desarrollaron, con la ayuda del programa de simulación multifísica COMSOL Multiphysics^®, un dispositivo microfluídico 3D capaz de generar ocho gradientes paralelos de oxígeno disuelto (DO), acoplado a un sistema de cultivo celular en microplacas. El objetivo fue reproducir de forma controlada distintos microambientes tumorales y estudiar la respuesta celular bajo condiciones hipóxicas.

Los resultados de este trabajo han sido presentados en el artículo titulado “A 3D-printed multi-channel microfluidic device for precise dissolved oxygen regulation in cancer hypoxia research” [1] recientemente publicado en la revista Talanta de Elsevier.

Modelización y simulación

La Figura 1 muestra el esquema del chip microfluídico para la generación de gradientes de concentración de oxígeno disuelto. La solución anóxica y la solución saturada en oxígeno se introducen respectivamente por las entradas #1 y #2 en la red microfluídica. Cada solución se divide en siete flujos con una proporción de caudal de 1:2:3:4:5:6:7. Luego, estos flujos se mezclan entre sí para formar ocho gradientes de concentración relativa: 0, 1/7, 2/7, 3/7, 4/7, 5/7, 6/7 y 1. Cada solución con concentración específica fluye a través de su salida correspondiente con el mismo caudal.

Figura 1. Esquema del diseño del chip microfluídico para la generación de gradientes de concentración de oxígeno disuelto.

COMSOL Multiphysics^® fue la herramienta elegida para simular el comportamiento del dispositivo antes de su fabricación y durante su validación. Se emplearon los módulos Laminar Flow y Transport of Diluted Species para representar el flujo del medio de cultivo y la difusión del oxígeno en condiciones fisiológicas (37 °C, viscosidad y densidad del medio DMEM con suero).

Resultados y conclusiones

La Figura 2 muestra el resultado de una simulación en COMSOL Multiphysics® del chip generador de gradientes de oxígeno disuelto. Las simulaciones mostraron una altísima concordancia con los resultados experimentales (R² = 0.998 para simulación vs. R² = 0.997 en mediciones reales), validando tanto la precisión del diseño como la fidelidad del modelo, como se muestra en la Figura 3. El sistema mantuvo gradientes estables durante 72 horas, con tasas de viabilidad celular superiores al 95 %.

Figura 2. Simulación en COMSOL del chip generador de gradientes de oxígeno disuelto. Los niveles de saturación de oxígeno se representan mediante una escala cromática que va del rojo (alta concentración) al azul (baja concentración).

Figura 3. Oxígeno disuelto calculado en las simulaciones con COMSOL y el teórico.

El estudio demuestra cómo la simulación multifísica en COMSOL Multiphysics^®, integrada desde las fases iniciales del diseño, permite desarrollar dispositivos complejos y fiables para investigación biomédica.

Referencia

[1] Zhang et al. (2026), Talanta, https://doi.org/10.1016/j.talanta.2025.128469