Pesquisadores projetam novo módulo microfluídico para controlar a porosidade de materiais fabricados
Esquema do chip – a) representação gráfica do chip incluindo um canal estreito para a fase dispersa (azul claro), terminando no degrau com a câmara de emulsificação (verde). Dois canais laterais (brancos) permitem o reabastecimento constante da fase contínua e auxiliam no fluxo da etapa geradora de gotas até a saída do chip. Em uma camada separada, a membrana regulada por pressão (vermelha). b) Amplie a etapa. c) Esquema das diferentes camadas do chip. d e e) Duas imagens do mesmo chip antes e depois da atuação da membrana. f) Imagens confocal do bocal preenchido com moléculas fluorescentes. Durante a imagem, ar pressurizado foi aplicado à camada de membrana, promovendo a deflexão crescente da membrana. g) Esquema da etapa antes e depois da atuação da membrana. Após a atuação, a redução da altura do bico resulta na diminuição do tamanho das gotas. h) Esquema da etapa antes e depois do acionamento, vista frontal. Crédito:Lab on a Chip (2023). DOI:10.1039/D3LC00658A Materiais porosos são essenciais para muitos processos químicos, como coleta de luz, adsorção, catálise, transferência de energia e até mesmo novas tecnologias para materiais eletrônicos. Portanto, muitos esforços têm sido feitos para controlar a porosidade dos diferentes materiais fabricados.
Para resolver isso, pesquisadores do Instituto de Físico-Química da Academia Polonesa de Ciências demonstraram recentemente uma nova tecnologia microfluídica que permite a geração de emulsões com controle dinâmico sobre o volume da gota para modificar a composição química da matriz impressa em 3D em grande escala. usando bicos alinhados para fornecer materiais porosos com porosidade totalmente controlada.
Materiais porosos com formato e tamanho de poros controlados são muito procurados em uma ampla variedade de campos, desde síntese química e pesquisa ambiental até o setor de produção de energia. Dependendo da composição química do material, a porosidade pode ser alcançada por formação de espuma, extrusão, fundição em pasta, granulação, eletrofiação, secagem por pulverização, granulação, emulsificação e muitos outros métodos, inclusive onde a lista de métodos de fabricação é muito mais longa.
Independentemente da técnica utilizada, o controle do tamanho e formato dos poros nessas técnicas ainda apresenta diversas limitações. Qualquer que seja o formato dos poros, cavidades, canais ou fissuras, que sejam cilíndricos, em formato de tinteiro ou funil, esféricos ou outros, controlar seu tamanho, formato e distribuição gradual no material ainda é um desafio. Principalmente quando se trata de preparar estruturas funcionais de grande porte.
No entanto, graças ao projeto de um novo módulo microfluídico proposto por pesquisadores do Instituto de Físico-Química da Academia Polonesa de Ciências (IPC PAS), é possível produzir materiais porosos com tamanho de poro controlado e distribuição por todo o volume do sintetizado. material.
Os pesquisadores combinaram o dispositivo microfluídico com uma impressora 3D customizada, gerando e extrusando uma emulsão óleo em água em banho de gel de agarose, seguida de polimerização, foi possível controlar a estrutura única no hidrogel impresso em 3D.
Porém, tudo começou com a aplicação de tecnologias microfluídicas que permitem o controle do fluxo de fluidos imiscíveis em minúsculos microcanais para gerar pequenas gotículas com volume consistente variando de femtolitros a nanolitros. Embora tal tecnologia seja bem conhecida em todo o mundo e tenha sido amplamente desenvolvida há três décadas, a maioria dos métodos produz gotículas com um volume que depende muito das taxas de fluxo.
Devido a este aspecto, controlar o diâmetro da gota durante a extrusão 3D da emulsão é uma tarefa desafiadora, uma vez que a vazão deve ser mantida constante. Em um artigo recente publicado na revista Lab on the Chip, pesquisadores do IPC PAS sugeriram uma nova tecnologia microfluídica para controlar dinamicamente o diâmetro das gotas sem alterar a taxa de extrusão das fases emulsionadas.
Os cientistas combinaram uma tecnologia existente (emulsificação por etapas) com uma membrana flexível que permitiu alterar a geometria do bocal ajustando a pressão na membrana. Uma diminuição na altura do bocal reduziu o diâmetro da gota em três ordens de grandeza e foi testada com sucesso para diferentes taxas de fluxo.
Esta etapa ajustável (também conhecida como etapa de atum) permitiu gerar emulsões Óleo-em-Água (O/A) e Água-em-Óleo (A/O) com alterações no tamanho das gotas e na fração volumétrica, mantendo uma taxa de extrusão constante .
Marco Costantini afirma:"Em nosso trabalho, demonstramos como a mudança na geometria do bico pode controlar o tamanho das gotas e a fração volumétrica. Aqui, primeiro analisamos como a etapa de atum pode ser usada efetivamente tanto para a produção de A/O quanto Emulsões O/W, sendo esta última possível graças a uma estratégia inovadora de modificação de superfície hidrofílica PDMS que desenvolvemos adicionalmente."
"Em seguida, integramos o tuna-step em uma plataforma de impressão 3D personalizada e extrudamos emulsões O/W em um banho granular de gel-fluido de agarose. Essa estratégia permite separar ainda mais as propriedades reológicas da tinta de emulsão de sua capacidade de impressão e obter precisão espacial posicionamento durante o processo de extrusão."
Como duas configurações diferentes foram usadas para criar emulsões óleo-em-água, os pesquisadores criaram uma modificação hidrofílica personalizada da superfície do chip com polidimetilsiloxano (também conhecido como PDMS) para evitar que incha quando exposto a solventes orgânicos como o hexadecano.
Esse procedimento nos permitiu gerar gotículas de óleo em água continuamente por quase 24 horas, o que, combinado com a tecnologia de impressão 3D, possibilitou a impressão combinada com a polimerização de materiais com classificação funcional de porosidade e composição variadas. Até agora, com a configuração experimental proposta, a combinação de gradientes de composição, microarquitetura ou ambos os tipos de gradientes em um único material pode criar muitos tipos de materiais diferentes com características estruturais e funcionais distintas.
As descobertas descritas acima não apenas mostram que nosso design em etapas de atum é adequado para impressão 3D de emulsões e ciência de materiais, mas também demonstram possíveis aplicações futuras. Além disso, a impressão 3D pode ser realizada utilizando vários bicos simultaneamente, tornando a configuração proposta uma ferramenta versátil para a produção de materiais porosos.
"Nosso design versátil nos permitiu obter adicionalmente a deposição 3D de vários materiais, alternando rapidamente entre diferentes fases contínuas. Finalmente, demonstramos o potencial de escalabilidade de nossa etapa de atum, produzindo gotículas usando um dispositivo de 14 bicos, aumentando o rendimento do sistema em um fator de ∼14, aspecto particularmente importante para a fabricação de hidrogel macroscópico com porosidade controlada em todo o volume", comenta o dr. Marco Constantini.
Por que a porosidade controlada é tão importante? Conforme mencionado, existem muitos setores que lidam com esse recurso, desde energia, como matriz porosa para supercapacitores, até biocomponentes de reforço de tecidos moles. O projeto proposto aproxima-nos da produção fácil de subestruturas porosas com desenho controlado, à semelhança dos implantes ósseos ou cartilaginosos com porosidade gradual, mas a lista de materiais que podem ser produzidos com a tecnologia proposta é certamente muito mais longa.
As descobertas foram publicadas na revista Lab on a Chip .
Mais informações: Francesco Nalin et al, Tuna-step:emulsificação de etapa paralelizada ajustável para a geração de gotículas com controle de volume dinâmico para impressão 3D de materiais porosos funcionalmente graduados, Lab on a Chip (2023). DOI:10.1039/D3LC00658A Fornecido pela Academia Polonesa de Ciências
