Los métodos de fabricación convencionales, como la litografía suave y los procesos de estampado en caliente, se pueden utilizar para diseñar chips de microfluidos mediante bioingeniería, aunque con limitaciones, incluida la dificultad para preparar estructuras multicapa, procesos de fabricación que requieren mucho dinero y mano de obra, así como una baja productividad.
Los científicos de materiales han introducido el procesamiento de luz digital como un enfoque de microfabricación rentable para los chips de microfluidos impresos en 3D, aunque la resolución de fabricación de estos microcanales está limitada a una escala de menos de 100 micrones.
En un nuevo informe publicado en Microsystems and Nanoengineering , Zhuming Luo y un equipo científico de ingeniería biomédica e ingeniería química en China desarrollaron un innovador método de procesamiento de luz digital.
Propusieron un modelo matemático modificado para predecir la irradiancia UV para la fotopolimerización de resina y guiaron la fabricación de microcanales con mayor resolución. El método avanzado de microfabricación puede facilitar avances importantes en la formación de microcanales precisa y escalable como un siguiente paso importante para aplicaciones generalizadas en estrategias basadas en microfluidos en biomedicina.
Los chips de microfluidos ofrecen una poderosa herramienta para miniaturizar aplicaciones en cultivos celulares 3D para aplicaciones de detección y prueba de fármacos y ensayos de órganos en un chip. Los métodos convencionales para desarrollar chips de microfluidos incluyen la litografía suave y la fabricación de capilares calientes con un proceso de ingeniería complicado, baja productividad y alto costo.
La bioimpresión 3D ha atraído cada vez más atención hacia el diseño y la fabricación innovadores de estructuras personalizadas a microescala. Los científicos de materiales han utilizado el procesamiento de luz digital para la fotopolimerización en cuba capa por capa para microfabricar con resoluciones de hasta decenas de micrones con una velocidad de procesamiento rápida y facilidad de funcionamiento.
En este trabajo, Luo y sus colegas desarrollaron un nuevo método de procesamiento de luz digital para la fabricación a escala y de alta resolución de dispositivos de microfluidos mediante polimerización en tina dosificada y zonificada. El equipo ajustó los parámetros de impresión y otros parámetros para adaptar con precisión la fotopolimerización de las capas de resina vecinas y evitar el bloqueo de canales debido a la exposición excesiva a los rayos UV.
En comparación con los métodos convencionales, el proceso permitió el desarrollo en un solo lote de hasta 16 chips de microfluidos. El método actual puede facilitar importantes avances en el desarrollo de microcanales precisos y escalables como un importante paso adelante de los dispositivos basados en microfluidos en biomedicina.
El equipo reguló la dosis de irradiación UV aplicando UV paso a paso para polimerizar la resina capa por capa mediante el uso de un modelo matemático. Tras la irradiación UV durante un tiempo de exposición específico, los científicos polimerizaron una profundidad específica de la solución de resina. Luego, utilizando el modelo matemático, determinaron un método integral para calcular el umbral de polimerización de la resina. La ruta de impresión incorporada en la obra dividió con precisión el microcanal en la capa inferior, la capa del canal y la capa del techo.
Con base en los resultados, los investigadores propusieron una versión modificada de la estrategia de impresión con proceso de luz digital (DLP) para fabricar microcanales sustancialmente pequeños mediante fotopolimerización en tina regulada por dosificación y zonificación (abreviada DZC-VPP). Este proceso dividió los microcanales en varias capas. La capacidad de regular las zonas para cada paso de proyección permitió la regulación precisa de la polimerización local de la resina; los científicos imprimieron con éxito los canales con una resolución significativamente mayor.
El equipo estudió la calidad de impresión del nuevo método comparándola con el método convencional. Si bien el método convencional condujo a una fidelidad deficiente de los canales debido a la acumulación de exposición excesiva a los rayos UV, el nuevo método, por el contrario, ofreció microcanales con una fidelidad de impresión significativamente mejorada para permitir el desarrollo de superficies internas más suaves dentro de los microcanales con un impacto significativo en la manipulación de líquidos. Además, el método DZC-VPP es altamente escalable y rentable.
Estabilidad mecánica de los materiales desarrollados
Luego, Luo y sus colegas investigaron la estabilidad mecánica de los dispositivos de microfluidos diseñados con el nuevo método DZC-VPP y nuevamente lo compararon con el proceso convencional. Si bien la estabilidad mecánica es crucial para que los chips de microfluidos toleren la alta presión del líquido, los dos materiales demostraron curvas de tensión-deformación similares.
El chip fabricado DZC-VPP mostró tensión de fractura y tensión significativamente mayores en comparación con el chip DLP, lo que indica que la nueva estrategia mejoró tanto la resolución de impresión como la estabilidad mecánica de los chips de microfluidos diseñados.
Para lograr la generación de microfluidos de gotas, los científicos utilizaron agua pura como fase acuosa y una emulsión de aceite y glicol para crear gotas acuosas monodispersas. El equipo encapsuló las células con microgeles en los chips fabricados utilizando el sistema de alginato. Para evitar la citotoxicidad en el instrumento, los investigadores probaron la biocompatibilidad de los chips utilizando microgeles cargados de células.
Tanto las células HeLa como las células mesenquimales de rata utilizadas en el estudio conservaron la viabilidad celular después de la encapsulación para proliferar gradualmente en grupos de células, lo que indica la naturaleza bioamigable del dispositivo de microfluidos diseñado por DZC-VPP. El método también es más adecuado para otras aplicaciones relacionadas con las células, incluido el desarrollo de instrumentos de órgano en un chip.
En comparación con el proceso de impresión con luz digital convencional, el método DC-VPP más nuevo puede regular la profundidad de penetración de los rayos UV para la fotopolimerización de la resina. Los resultados resaltaron la confiabilidad del nuevo proceso de impresión de alta resolución para fabricar chips de microfluidos impresos en 3D.
De esta manera, Zhuming Luo y el equipo de investigación desarrollaron un nuevo método de fotopolimerización en cuba regulada por dosificación y zonificación (abreviado DZC-VPP) para imprimir microcanales en 3D con resolución y estabilidad mecánica mejoradas. El equipo logró esto proponiendo un modelo matemático para predecir la irradiancia UV acumulada para la polimerización de la resina como guía para diseñar e imprimir los microcanales.
Utilizando este enfoque, el equipo imprimió un microcanal con litografía suave convencional o estampado en caliente para generar microgeles cargados de células y gotitas monodispersas de alto rendimiento. Este método altamente eficiente de microfabricación representa un paso clave para la fabricación ampliada y de alta resolución de dispositivos de microfluidos para aplicaciones generalizadas.
Más información: Zhiming Luo et al, Impresión 3D con procesamiento de luz digital para chips de microfluidos con resolución mejorada mediante fotopolimerización en tina controlada por dosificación y zonificación, Microsistemas y nanoingeniería (2023). DOI:10.1038/s41378-023-00542-y
Fei Shao et al, Encapsulación microfluídica de células individuales mediante microgeles de alginato utilizando una estrategia gelificada mediante activador, Fronteras en bioingeniería y biotecnología (2020). DOI:10.3389/fbioe.2020.583065
Información de la revista: Microsistemas y Nanoingeniería
© 2023 Red Ciencia X
