Los dispositivos microfluídicos son herramientas de prueba compactas formadas por diminutos canales tallados en un chip, que permiten a los investigadores biomédicos probar las propiedades de líquidos, partículas y células a microescala. Son cruciales para el desarrollo de fármacos, las pruebas de diagnóstico y la investigación médica en áreas como el cáncer, la diabetes y ahora la COVID-19. Sin embargo, la producción de estos dispositivos requiere mucha mano de obra, con canales y pozos diminutos que a menudo necesitan ser grabados manualmente o moldeados en un chip de resina transparente para la prueba. Si bien la impresión 3D ha ofrecido muchas ventajas para la fabricación de dispositivos biomédicos, sus técnicas anteriormente no eran lo suficientemente sensibles para construir capas con el detalle minucioso requerido para dispositivos microfluídicos. Hasta ahora.

Investigadores de la Escuela de Ingeniería Viterbi de la USC ahora han desarrollado una técnica de impresión 3D altamente especializada que permite fabricar canales de microfluidos en chips a una microescala precisa que no se había logrado anteriormente. La investigación, dirigida por Daniel J. Epstein Departamento de Ingeniería Industrial y de Sistemas Ph.D. el graduado Yang Xu y el profesor de ingeniería aeroespacial y mecánica e ingeniería industrial y de sistemas Yong Chen, en colaboración con el profesor de ingeniería química y ciencia de los materiales Noah Malmstadt y el profesor Huachao Mao de la Universidad de Purdue, se publicó en Nature Communications .

El equipo de investigación utilizó un tipo de tecnología de impresión 3D conocida como fotopolimerización en tina, que aprovecha la luz para controlar la conversión del material de resina líquida a su estado final sólido.

"Después de la proyección de luz, básicamente podemos decidir dónde construir las partes (del chip), y debido a que usamos luz, la resolución puede ser bastante alta dentro de una capa. Sin embargo, la resolución es mucho peor entre capas, lo cual es un factor crítico". desafío en la construcción de canales a microescala", dijo Chen.

"Esta es la primera vez que hemos podido imprimir algo donde la altura del canal está en el nivel de 10 micras; y podemos controlarlo con mucha precisión, con un error de más o menos una micra. Esto es algo que nunca antes se había hecho". hecho antes, por lo que este es un gran avance en la impresión 3D de canales pequeños", dijo.

La fotopolimerización en tina utiliza una tina llena de resina de fotopolímero líquido, a partir de la cual se construye capa por capa un artículo impreso. Luego, la luz ultravioleta se proyecta sobre el objeto, curando y endureciendo la resina en cada nivel de capa. Mientras esto sucede, una plataforma de construcción mueve el elemento impreso hacia arriba o hacia abajo para que se puedan construir capas adicionales sobre él.

Pero cuando se trata de dispositivos de microfluidos, la fotopolimerización en tina tiene algunas desventajas en la creación de los diminutos pozos y canales que se requieren en el chip. La fuente de luz ultravioleta a menudo penetra profundamente en la resina líquida residual, curando y solidificando el material dentro de las paredes de los canales del dispositivo, lo que obstruiría el dispositivo terminado.

"Cuando proyectas la luz, idealmente, solo quieres curar una capa de la pared del canal y dejar intacta la resina líquida dentro del canal; pero es difícil controlar la profundidad de curado, ya que estamos tratando de apuntar a algo que es solo un Brecha de 10 micrones", dijo Chen.

Dijo que los procesos comerciales actuales solo permitían la creación de una altura de canal en el nivel de 100 micrones con un control de precisión deficiente, debido al hecho de que la luz penetra demasiado profundamente en una capa curada, a menos que esté usando una resina opaca que no t permitir tanta penetración de luz.

"Pero con un canal de microfluidos, por lo general quieres observar algo bajo el microscopio, y si es opaco, no puedes ver el material del interior, por lo que necesitamos usar una resina transparente", dijo Chen.

Para crear con precisión canales en resina transparente a un nivel de microescala adecuado para dispositivos de microfluidos, el equipo desarrolló una plataforma auxiliar única que se mueve entre la fuente de luz y el dispositivo impreso, impidiendo que la luz solidifique el líquido dentro de las paredes de un canal. para que el techo del canal se pueda agregar por separado a la parte superior del dispositivo. La resina residual que queda en el canal aún estaría en estado líquido y luego se puede eliminar después del proceso de impresión para formar el espacio del canal.

Los dispositivos de microfluidos tienen aplicaciones cada vez más importantes en la investigación médica, el desarrollo de fármacos y el diagnóstico.

"Hay tantas aplicaciones para los canales de microfluidos. Puede hacer fluir una muestra de sangre a través del canal, mezclándola con otros productos químicos para que pueda, por ejemplo, detectar si tiene COVID o niveles altos de azúcar en la sangre", dijo Chen.

Dijo que la nueva plataforma de impresión 3D, con sus canales a microescala, permitía otras aplicaciones, como la clasificación de partículas. Un clasificador de partículas es un tipo de chip microfluídico que utiliza cámaras de diferentes tamaños que pueden separar partículas de diferentes tamaños. Esto podría ofrecer beneficios significativos para la detección e investigación del cáncer.

"Las células tumorales son un poco más grandes que las células normales, que miden alrededor de 20 micrones. Las células tumorales podrían tener más de 100 micrones", dijo Chen. "En este momento, usamos biopsias para verificar si hay células cancerosas; cortamos órganos o tejidos de un paciente para revelar una mezcla de células sanas y células tumorales. En su lugar, podríamos usar dispositivos de microfluidos simples para hacer fluir (la muestra) a través de canales con letras impresas con precisión. alturas para separar las células en diferentes tamaños para que no permitamos que esas células sanas interfieran con nuestra detección".

Chen dijo que el equipo de investigación ahora estaba en el proceso de presentar una solicitud de patente para el nuevo método de impresión 3D y está buscando colaboración para comercializar la técnica de fabricación para dispositivos de prueba médica. + Explora más

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