Novo método de fabricação de dispositivos microfluídico através de impressão 3D

Cortesia: CC BY 4.0 / PLoS ONE 10.1371 / journal.pone.0245206

Como sabemos, a microfluídica estuda o comportamento de líquidos e gases dentro de dispositivos com dimensões micrométricas. Se traduzíssemos isso para termos mais simples seria estudo do escoamento de líquidos ou gases por “canos” com o mesmo diâmetro de um fio de cabelo (60 a 120 micrômetros).

Por isso, usa-se a denominação de microdispositivos. Os microdispositivos podem ser reatores, trocadores de calor, válvulas, entre vários outros equipamentos da indústria repensados para a escala micro.

Uma das principais barreiras enfrentadas na microfluídica é a fabricação dos dispositivos com essas dimensões.

Uma das técnicas mais utilizadas é a litografia macia (ou soft lithography). A litografia macia é uma técnica de fabricação que utiliza a fotogravação dos microcanais em um polímero fotossensível, um substrato sólido (que pode ser o PDMS), a replicação e selagem do microdispositivo. 


Para saber mais detalhes sobre o processo de litografia macia acesse o artigo publicado em nosso blog: Fabricação de reatores de microcanais por litografia macia


Apesar de ser uma técnica amplamente utilizada para construção de microdispositivos, a litografia macia demanda equipamentos específicos e de alto custo, pessoal especializado, sala limpa, etc. Isso, muitas vezes, inviabiliza a pesquisa em lugares que não possuem tais recursos.

Tendo isso em mente os pesquisadores da Universidade de Bristol no Reino Unido, propuseram uma forma de fabricar microdispositivos em PDMS de baixo custo utilizando moldes feitos em impressora 3D.

Impressão 3D e Microfluídica

Figura 1. 1. Projeto CAD do módulo de microcanais usando o plug-in Fusion 360 de código aberto. 2. Impressão 3D de padrão dos microcanais, 3. Biblioteca de padrões de canais pré-impressos, 4. Montagem de canais de interconexão em substrato de vidro, 5. Ligação térmica de canais com o substrato, 6. Resfriamento rápido em uma placa de metal para criar dissipação térmica assimétrica, permitindo a remoção rápida e fácil sem prejuizo ao molde, 7-8. O molde mestre pode então ser usado no processo microfluídico PDMS. Cortesia: CC BY 4.0 / PLoS ONE 10.1371 / journal.pone.0245206

O processo ocorre conforme podemos observar na imagem. Primeiramente o design do canal desejado é obtido em um programa CAD, muito utilizado para desenhar peças industriais.

“O Autodesk Inventor é o programa que utilizamos no nosso laboratório para a elaboração dos microdispositivos das nossas pesquisas. O programa possui a vantagem de ser user-friendly e gratuito para estudantes.”

Depois de realizado o desenho (ponto 1), o mesmo é colocado no programa Cura que é um programa fatiador (slicer) que gera o código (G.code) que será lido pela impressora 3D.


Para saber mais sobre o programa Cura e como obtê-lo acesse o nosso tutorial “Instalação do Cura Slice”, disponível aqui


Os autores afirmaram que foram necessárias algumas mudanças para obter a qualidade de impressão desejada dos dispositivos moldes (ponto 2). Dentre essas mudanças está as configurações do programa Cura, como velocidade de impressão, velocidade de deslocamento, altura da camada de impressão. Também foram necessários ajustes na impressora 3D utilizada que teve seu bico de 0,4 mm trocado por um de 0,1 mm, o que permitiu reduzir a largura dos canais de 350 µm para 100 µm. Todas as impressões foram realizadas utilizando o polímero PLA.

O design escolhido pelos autores para a construção dos moldes foi muito interessante. Eles fizeram os moldes como chave e fechadura, permitindo que vários trechos pudessem ser conectados formando microdispositivos específicos, como observamos nos pontos 3 e 4.

Assim, o molde do dispositivo é montado em vidro com o substrato e posteriormente aquecido para aderi-lo a uma lâmina pesada de vidro (ponto 5). A temperatura e o tempo de exposição foram fatores importantes no processo conforme reportado pelos autores. Depois, o “sanduíche” de vidro e molde é levado para uma base fria e separado (ponto 6). A forma do canal fica gravado na parte do vidro com o substrato e depois é utilizado para processo de fabricação com PDMS.

Dessa forma os pesquisadores conseguiram obter dispositivos microfluídicos de alta qualidade e de baixo custo. Pois, uma impressora 3D pode produzir em torno de 10 moldes em menos de 30 minutos, o que não seria possível se fosse utilizado o processo tradicional de litografia macia (por meio de máscaras).

Isso representa um passo importante para o barateamentode dispositivos como lab-on-chip e point-of-care. Esses dispositivos estão relacionados principalmente ao diagnóstico rápido de doenças ou testes com o desenvolvimento de órgãos em chip, fazendo com que seu acesso seja universal. O fácil acesso também está relacionado com a utilização de programas gratuitos e user-friendly, além de equipamentos, como a impressora 3D, que são baratos e de fácil manuseio, não necessitando de pessoal especializado para sua operação.

Dispositivo microfluídico para mistura de corante criado pelo método dos pesquisadores. (Cortesia: CC BY 4.0 / PLoS ONE 10.1371 / journal.pone.0245206)

Robet Hughes, um dos autores do estudo, em uma entrevista ao site Physicsworld afirmou que espera que sua pesquisa possa contribuir para democratizar a microfluídica, principalmente no avanço do desenvolvimento de dispositivos de diagnóstico rápido, e que também possa inspirar a próxima geração de pesquisadores. (A matéria completa você pode conferir aqui)

É isso que nós esperamos também, que a microfluídica seja difundida e se torne mais acessíveis para todos aqueles que desejam contribuir com avanços na área.

Se você deseja entender mais sobre Impressão 3D nós recomendamos o conteúdo gratuito do canal no Youtube da 3D Print Academy.

Porém, se você deseja algo menos espalhado, com conteúdo direto e execução passo a passo de todos os processo envolvidos na Impressão 3D, desde configurar uma impressora 3D até a impressão de peças com qualidade, nós recomendamos o Curso de Impressão 3D, disponível aqui.


Texto escrito por Mariana G. M. Lopes, @marigmlopes

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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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