Métodos de fabricação convencionais, como litografia suave e processos de gravação a quente, podem ser usados ​​para a bioengenharia de chips microfluídicos, embora com limitações, incluindo dificuldade na preparação de estruturas multicamadas, processos de fabricação que consomem custos e mão de obra, bem como baixa produtividade.



Cientistas de materiais introduziram o processamento digital de luz como uma abordagem de microfabricação econômica para chips microfluídicos de impressão 3D, embora a resolução de fabricação desses microcanais seja limitada a uma escala inferior a 100 mícrons.

Em um novo relatório publicado em Microsystems and Nanoengineering , Zhuming Luo e uma equipe científica em engenharia biomédica e engenharia química na China desenvolveram um método inovador de processamento digital de luz.

Eles propuseram um modelo matemático modificado para prever a irradiância UV para fotopolimerização de resinas e orientaram a fabricação de microcanais com resolução aumentada. O método avançado de microfabricação pode facilitar grandes desenvolvimentos na formação precisa e escalável de microcanais como um próximo passo significativo para aplicações generalizadas em estratégias baseadas em microfluídica em biomedicina.

Chips microfluídicos

Os chips microfluídicos oferecem uma ferramenta poderosa para miniaturizar aplicações em cultura de células 3D para aplicações de triagem e teste de drogas e ensaios de órgãos em um chip. Os métodos convencionais para desenvolver chips microfluídicos incluem litografia suave e fabricação capilar a quente com um processo de engenharia complicado, baixa produtividade e alto custo.

A bioimpressão 3D tem atraído cada vez mais atenção para projetar e fabricar estruturas personalizadas de forma inovadora em microescala. Cientistas de materiais usaram processamento digital de luz para fotopolimerização de cuba camada por camada para microfabricar com resoluções de até dezenas de mícrons com rápida velocidade de processamento e facilidade de função.

Neste trabalho, Luo e colegas desenvolveram um novo método de processamento digital de luz para fabricação em alta resolução e em escala de dispositivos microfluídicos por dosagem e zoneamento de polimerização em cuba. A equipe ajustou os parâmetros de impressão e outros parâmetros para adaptar com precisão a fotopolimerização das camadas de resina vizinhas e evitar o bloqueio do canal devido à exposição excessiva aos raios UV.

Quando comparado aos métodos convencionais, o processo permitiu o desenvolvimento em um lote de até 16 chips microfluídicos. O método atual pode facilitar grandes avanços no desenvolvimento preciso e escalonável de microcanais como um avanço significativo em dispositivos baseados em microfluídica na biomedicina.

Uso de um modelo matemático para prever os parâmetros característicos da resina

A equipe regulou a dosagem de irradiação UV aplicando UV passo a passo para polimerizar a resina camada por camada usando um modelo matemático. Após a irradiação UV por um tempo de exposição específico, os cientistas polimerizaram uma profundidade específica da solução de resina. Então, usando o modelo matemático, eles determinaram um método abrangente para calcular o limiar de polimerização da resina. O caminho de impressão incorporado no trabalho dividiu com precisão o microcanal em camada inferior, camada de canal e camada de teto.

Lógica do projeto e configuração experimental para desenvolvimento de microcanais

Com base nos resultados, os pesquisadores propuseram uma versão modificada da estratégia de impressão por processo de luz digital (DLP) para fabricar microcanais substancialmente pequenos por meio de fotopolimerização de cuba regulada por dosagem e zoneamento (abreviado como DZC-VPP). Este processo dividiu os microcanais em várias camadas. A capacidade de regular as zonas para cada etapa de projeção permitiu a regulação precisa da polimerização local da resina, os cientistas imprimiram com sucesso os canais com resolução significativamente maior.

A equipe estudou a qualidade de impressão da nova abordagem comparando-a com o método convencional. Enquanto o método convencional levou a uma baixa fidelidade dos canais devido ao acúmulo de exposição excessiva aos raios UV, o novo método ofereceu microcanais com fidelidade de impressão significativamente melhorada para permitir o desenvolvimento de superfícies internas mais lisas dentro dos microcanais com impacto significativo na manipulação de líquidos. O método DZC-VPP também é altamente escalonável e econômico.

Estabilidade mecânica dos materiais desenvolvidos

Em seguida, Luo e colegas investigaram a estabilidade mecânica dos dispositivos microfluídicos projetados com o novo método DZC-VPP e novamente compararam-no com o processo convencional. Embora a estabilidade mecânica seja crucial para que os chips microfluídicos tolerem alta pressão líquida, os dois materiais demonstraram curvas de tensão-deformação semelhantes.

O chip fabricado DZC-VPP apresentou tensão e deformação de fratura significativamente maiores quando comparado ao chip DLP, indicando que a nova estratégia melhorou a resolução de impressão e a estabilidade mecânica dos chips microfluídicos projetados.

Geração de gotículas e microgéis e encapsulamento de células com microgéis

Para realizar a geração microfluídica de gotículas, os cientistas usaram água pura como fase aquosa e uma emulsão de óleo-glicol para criar gotículas aquosas monodispersas. A equipe encapsulou as células com microgéis nos chips fabricados usando o sistema de alginato. Para prevenir a citotoxicidade no instrumento, os pesquisadores testaram a biocompatibilidade dos chips usando microgéis carregados de células.

Tanto as células HeLa quanto as células mesenquimais de rato usadas no estudo mantiveram a viabilidade celular após o encapsulamento para proliferar gradualmente em aglomerados de células, indicando a natureza bioamigável do dispositivo microfluídico projetado por DZC-VPP. O método também é mais adequado para outras aplicações relacionadas a células, incluindo o desenvolvimento de instrumentos de órgão em um chip.

Quando comparado ao processo convencional de impressão digital por luz, o método DC-VPP mais recente pode regular a profundidade de penetração UV para fotopolimerização de resina. Os resultados destacaram a confiabilidade do novo processo de impressão de alta resolução para fabricar chips microfluídicos impressos em 3D.

Perspectiva

Desta forma, Zhuming Luo e a equipe de pesquisa desenvolveram um novo método de fotopolimerização de cuba regulada por dosagem e zoneamento (abreviado como DZC-VPP) para imprimir microcanais em 3D com resolução aprimorada e estabilidade mecânica. A equipe conseguiu isso propondo um modelo matemático para prever a irradiância UV acumulada para a polimerização da resina como um guia para projetar e imprimir os microcanais.

Usando a abordagem, a equipe imprimiu um microcanal com litografia macia convencional ou gravação a quente para gerar gotículas monodispersas de alto rendimento e microgéis carregados de células. Este método altamente eficiente de microfabricação representa um passo fundamental para a fabricação ampliada e de alta resolução de dispositivos microfluídicos para aplicações generalizadas.

Mais informações: Zhiming Luo et al, Impressão 3D com processamento digital de luz para chips microfluídicos com resolução aprimorada por meio de fotopolimerização em cuba controlada por dosagem e zoneamento, Microssistemas e Nanoengenharia (2023). DOI:10.1038/s41378-023-00542-y
Fei Shao et al, Encapsulamento Microfluídico de Células Únicas por Microgéis de Alginato Usando uma Estratégia Gelificada por Gatilho, Frontiers in Bioengineering and Biotechnology (2020). DOI:10.3389/fbioe.2020.583065

Informações do diário: Microssistemas e Nanoengenharia

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