Microfluídica a partir de LEGO

Engenheiros do MIT tornam a microfluídica modular usando os populares LEGO

Os pesquisadores do MIT desenvolveram uma nova plataforma para a Microfluídica utilizando blocos LEGO. Crédito: Massachusetts Institute of Technology

Olá querido leitor! Você costuma ou costumava brincar com blocos LEGO? Eu sinceramente não lembro de ter brincado com eles na minha infância. Atualmente, esses blocos LEGO vão muito além de simples blocos de montar coisas. Por exemplo, o filme Uma Aventura Lego, longa-metragem que dá vida aos personagens da empresa, lançado em 2014 arrecadou US$ 470 milhões, uma quantia que seguramente faria seu criador, o carpinteiro Ole K. Christiansen,  muito feliz.

E o que blocos LEGO tem a haver com a Microfluídica?

Bom, agora você poderá utilizar esses blocos para fabricar microdispositivos.

O grupo do Prof. John Hart do Massachusetts Institute of Technology (MIT) perfuraram minúsculos canais nas paredes de blocos LEGO e os usaram para construir sistemas microfluídicos modulares. Os blocos LEGO são fabricados de forma tão consistente que não importa onde no mundo eles são encontrados, qualquer dois blocos de montar irão se alinhar e encaixar de forma segura no lugar. Dado esse alto grau de precisão e consistência, os pesquisadores do MIT escolheram os blocos de montar LEGO como base para um novo projeto microfluídico modular.

Em um artigo publicado na revista Lab on a Chip, os pesquisadores apresentaram canais pequenos microfresados em LEGOs e posicionando a saída de cada “bloco fluídico” para se alinhar precisamente com a entrada de outro bloco. Os pesquisadores então selaram as paredes de cada bloco modificado com um adesivo, permitindo que os dispositivos modulares fossem facilmente montados e reconfigurados.

Cada bloco pode ser projetado com um padrão particular de canais para executar uma tarefa específica. Os pesquisadores até agora criaram blocos como resistores e misturadores de fluidos, bem como geradores de gotas. Os blocos fluídicos podem ser encaixados ou desmontados, para formar dispositivos microfluídicos modulares que realizam várias operações biológicas, como triagem de células, mistura de fluidos e filtração de moléculas.

“Você poderia construir um sistema microfluídico de maneira semelhante a construção de um castelo LEGO – bloco por bloco”, diz Crystal Owens, um dos autores do estudo e estudante no Departamento de Engenharia Mecânica do MIT. “Esperamos que no futuro, outros possam usar blocos LEGO para fazer um kit de ferramentas microfluídicas”.

Motivação da pesquisa

Frequentemente nós conversamos aqui no blog sobre processos de fabricação de microdispositivos e de fato processos como a litografia macia pode ser um processo difícil, demorado e que envolve muitos recursos.

A maioria dos microdispositivos contém todos os canais e portas necessários para executar várias operações em um chip. Os autores do trabalho procuraram maneiras, em essência, de explodir esta plataforma de um chip e tornar a microfluídica modular, atribuindo uma única operação a um único módulo ou unidade. Um pesquisador poderia então misturar e combinar módulos microfluídicos para realizar várias combinações e sequências de operações.

Ao se lançar em torno de maneiras de concretizar fisicamente seu design modular, Owens e Hart encontraram o modelo perfeito em blocos LEGO, que são quase um chip microfluídico típico. “Como os LEGOs são tão baratos, amplamente acessíveis e consistentes em seu tamanho e repetibilidade de montagem, desmontagem e montagem, perguntamos se os blocos LEGO poderiam ser uma maneira de criar um conjunto de ferramentas de blocos microfluídicos ou fluídicos”, diz John Hart, outro autor do estudo e diretor do Laboratório de Fabricação e Produtividade do MIT e do Grupo de Mecanossíntese.

Fabricando microcanais em blocos LEGO

Para responder a esta pergunta, a equipe comprou um conjunto de blocos LEGO padrão e tentou várias maneiras de introduzir canais microfluídicos em cada tijolo. O método mais bem sucedido revelou-se ser a micromilling, uma técnica bem estabelecida comumente usada para perfurar cavidades extremamente finas e características submilimétricas em metais e outros materiais.

Owens usou uma micromill de mesa para usinar um canal simples de 500 micrômetros de largura na parede lateral de um bloco LEGO padrão. Ela então colocou um filme claro sobre a parede para selá-lo e bombeou fluidos através do canal recém usinado do bloco. Ela observou que o fluido fluía com sucesso pelo canal, demonstrando que o bloco funcionava como um resistor de fluxo – um dispositivo que permite que pequenas quantidades de fluido escoem.

Os pesquisadores do MIT usaram uma maquina de microusinagem de mesa para perfurar canais pequenos nas paredes laterais de blocos LEGO. Crédito: Massachusetts Institute of Technology

Aplicação da pesquisa

Usando essa técnica, ela fabricou um misturador de fluidos por usinagem de um canal horizontal em forma de Y e enviando um fluido diferente através de cada braço do Y. Onde os dois braços se encontraram, os fluidos foram misturados com sucesso. Owens também transformou um bloco LEGO em um gerador de gotas usinando um padrão em forma de T na sua parede. Como ela bombeou fluido através de uma extremidade do T, ela descobriu que um pouco do líquido caiu pelo meio, formando uma gotícula quando saiu do bloco.

Para demonstrar a modularidade, Owens construiu um protótipo em uma placa de base LEGO padrão composta por vários blocos, cada um projetado para realizar uma operação diferente à medida que o fluido é bombeado. Além de fazer o misturador de fluido e o gerador de gotículas, ela também equipou um bloco LEGO com um sensor de luz, posicionando precisamente o sensor para medir a luz à medida que o fluido passava por um canal no mesmo local.

Pesquisador constrói uma plataforma para um sistema de blocos fluídicos. Crédito: Massachusetts Institute of Technology

Owens diz que a parte mais difícil do projeto era descobrir como conectar os blocos  sem vazamento de fluidos [você não sabe o quanto isso ocorre em microdispositivos querido leitor]. Enquanto os blocos LEGO são projetados para encaixar de forma segura, há, no entanto, um pequeno espaço entre eles, algo em torno de 100 e 500 micrômetros. Para selar essa lacuna, Owens fabricou um pequeno anel, o O-ring, em torno de cada entrada e saída em um bloco.

“O O-ring se encaixa em um pequeno círculo usinado na superfície do bloco. Ele é projetado para manter uma certa quantidade, então quando outro bloco é colocado ao lado dele, ele comprime e cria uma vedação de fluido confiável entre os bloco. Isso funciona simplesmente colocando um bloco ao lado de outro “, diz Owens.

Expectativas

Por enquanto, um microdispositivo baseado em LEGO poderia ser usado para manipular fluidos biológicos e realizar tarefas como triagem de células, fluidos filtrantes e encapsular moléculas em gotas individuais. A equipe atualmente está projetando um site que conterá informações sobre como outros pesquisadores podem projetar seus próprios blocos fluídicos usando peças LEGO padrão.

“Nosso método fornece uma plataforma acessível para prototipagem de dispositivos microfluídicos”, diz Hart. “Se o tipo de dispositivo que deseja criar e os materiais com os quais você trabalha são adequados para esse tipo de projeto modular, esta é uma maneira fácil de construir um dispositivo microfluídico para pesquisa em laboratório”.

 

Com informações fornecidas pelo Massachusetts Institute of Technology

Referência

OWENS, C. E. and HART, A. J. High-precision modular microfluidics by micromilling of interlocking injection-molded blocks. Lab on a Chip, 2018. DOI: 10.1039/C7LC00951H

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Explore mais e descubra a relação desse trabalho com a Microfluídica & Engenharia Química

Impressão 3D de laboratórios de chip:

https://www.blogs.unicamp.br/microfluidicaeengenhariaquimica/2017/08/23/impressao-3d-de-laboratorios-de-chip/

Democratizando a Microfluídica:

https://www.blogs.unicamp.br/microfluidicaeengenhariaquimica/2017/08/14/democratizando-a-microfluidica/

Gotas para produzir biodiesel:

https://www.blogs.unicamp.br/microfluidicaeengenhariaquimica/2017/06/12/gotas-para-produzir-biodiesel/

Fabricação de reatores de microcanais por litografia macia:

https://www.blogs.unicamp.br/microfluidicaeengenhariaquimica/2017/05/01/fabricacao-de-reatores-de-microcanais-por-litografia-macia/


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Sobre Harrson S. Santana

Harrson S. Santana obteve seu doutorado em Engenharia Química pela Universidade de Campinas em 2016. Sua tese de doutorado foi a investigação da síntese de biodiesel em microcanais, utilizando simulações numéricas e ensaios experimentais. Em 2015, ele passou vários meses na Universidade de Glasgow (Reino Unido) desenvolvendo pesquisas na área de impressão 3D. Atualmente, ele é pesquisador associado e professor colaborador da Faculdade de Engenharia Química da Unicamp, trabalhando no desenvolvimento de microplantas químicas e uso de impressoras 3D em processos químicos. Ele publicou vários artigos explorando desde simulações numéricas no desenvolvimento de microdispositivos até o uso de microfluídica em reações químicas e operações unitárias. Seu interesse científico se concentra em fenômenos de transporte em sistemas microfluídicos, impressoras 3D e sistemas robóticos aplicados a processos químicos em microescala.

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