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Los dispositivos microfluídicos se han vuelto esenciales para controlar concentraciones y entornos químicos en ensayos celulares, estudios de estrés osmótico y experimentos de administración de fármacos en investigación biomédica, criobiología y otras aplicacionesdiagnósticas 1,2. Estos dispositivos permiten el control preciso del flujo y la concentración de fluidos a escala micrométrica. Por ejemplo, se han utilizado dispositivos microfluídicos para la adición y eliminación de agentes crioprotectores durante la criopreservación celular para prevenir dañososmóticos 3. De manera similar, estos dispositivos microfluídicos también se utilizan para establecer diluciones en serie de antibióticos para probar la susceptibilidad antimicrobiana contra organismosresistentes 4. Esto permite identificar combinaciones óptimas de fármacos para tratar infecciones antimicrobianas resistentes (RAM). Además, permite la obtención de imágenes y monitorización de células vivas, reduce el consumo de reactivos y facilita la precisión en los gradientes de concentración, en contraste con técnicas macroscópicas, como la cámara de Boyden, que proporcionan gradientes más gruesos y estáticos sin monitorización celular en tiemporeal 1,5. Estas capacidades permiten imitar ambientes químicos in vivo in vitro para estudios de alta resolución sobre comportamiento celular, migración celular, ensayos de invasión celular, respuesta a fármacos y pruebas de toxicidad.
A pesar de las ventajas de los dispositivos microfluídicos, las técnicas tradicionales de microfabricación para estos dispositivos (por ejemplo, la fotolitografía y el moldeo de polidimetilsiloxano (PDMS)) suelen ser costosas, costosas y requieren equipos y experienciaespecializadas 6. Por lo tanto, crear un nuevo dispositivo mediante litografía suave puede requerir días de trabajo, y los cambios iterativos en el diseño también requieren muchotrabajo 6. Recientemente, la impresión 3D se ha convertido en una alternativa de prototipado rápido para superar estas limitaciones. Sin embargo, la adopción temprana de la microfluídica impresa en 3D estuvo limitada por el coste de las impresoras de alta resolución (a menudo ≥ 10.000 dólares), y las unidades económicas no proporcionan suficienteresolución 7. La mejora en la estereolitografía basada en LCD de bajo coste ha avanzado significativamente en este campo, ya que las impresoras de consumo (a menudo ~$150-$500) ahora ofrecen resolución a microescala (~20-50 μm), suficiente para muchas aplicacionesmicrofluídicas 5. Teniendo en cuenta estos avances, el objetivo general de nuestro trabajo fue establecer un flujo de trabajo rentable y eficiente para dispositivos microfluídicos totalmente impresos en 3D que puedan generar gradientes de concentración controlados sin las barreras típicas de la complejidadde fabricación 8. Nuestro objetivo era desarrollar un método rápido y fiable para producir sistemas de modelos microfluídicos personalizados aprovechando una impresora LCD 3D de consumo y resina biocompatible, haciéndolos accesibles a una amplia gama de laboratorios.
Aquí presentamos un dispositivo microfluídico impreso en 3D capaz de mezclar soluciones, generar gradientes de concentración continuos y programables, y formar combinaciones de soluciones y gradientes de concentración programables. El dispositivo se fabrica mediante estereolitografía de escritorio y se ensambla completamente, utilizando un diseño de canal abierto completamente sellado con una película adhesiva transparente que obstruye el canal inducida por resina; es un desafío ampliamente informado en estereolitografía microfluídica 9,10; sin embargo, este enfoque desarrolla un dispositivo microfluídico robusto y a prueba de fugas sin requerir equipos especializados de tratamiento superficial o unión, y supera el problema común de la resina sin curar que obstruye los pequeños canales durante laimpresión 11. Además, utilizando resinas baratas y curables por UV, cada dispositivo puede producirse rápidamente por solo unos pocos euros en materiales. Otra ventaja es que su diseño no es fijo; puede modificarse y reimprimirse fácilmente, a diferencia de los dispositivos comerciales que cuestan cientos de dólares cada uno y no puedenpersonalizarse 12, 13 y 14.
Para controlar la concentración de la solución, el dispositivo impreso en 3D se integró con bombas de jeringuilla dobles (una para cada solución de entrada) controladas por un script Python de código abierto, como se describió previamente para aplicacionesmicrofluídicas 15. Esto permite regular con precisión los caudales, los escalones de gradiente y el tiempo de forma automatizada. 15 Caudales en nuestro sistema suelen oscilar entre unos pocos microlitros y 30 μl/min por entrada, dentro de los cuales se logró una mezcla uniforme de forma consistente, manteniendo un esfuerzo cortante mínimo. Utilizando este sistema, generamos perfiles lineales de concentración que abarcan desde condiciones aproximadamente iso-osmóticas (~300 mOsm/kg) hasta condiciones hiperosmóticas extremas (~9.000 mOsm/kg) y de nuevo a isotónicas, en intervalos de tiempo definidos. Las lecturas continuas del osmómetro confirmaron que los gradientes generados eran lineales y precisos, y un simple ensayo colorimétrico verificó la mezcla eficiente de las soluciones de entrada. Estos resultados validan que gradientes de concentración complejos y variables en el tiempo pueden lograrse de forma reproducible con nuestra plataforma totalmente impresa en 3D, destacando su potencial para mejorar el rendimiento y la estandarización de los estudios de exposición osmótica a una fracción del coste habitual.
Esta plataforma microfluídica impresa en 3D demuestra los recientes avances hacia soluciones "lab-on-a-chip" que proporcionan una resolución suficiente para muchas aplicaciones microfluídicas basadas en células 16,17. Además, los expertos predicen que la fabricación aditiva se espera que se convierta en un método líder para la fabricación de microdispositivos a medida que persistan los avances en la tecnología y los materiales deimpresoras 6. Una ventaja clave de nuestro enfoque es que la accesibilidad no se perjudica con el rendimiento. En consonancia con estudios previos que demostraron estrategias de fabricación microfluida de bajocoste 18,19, estas impresoras asequibles producen características de dispositivo comparables a muchas de los sistemas industriales comerciales en términos de fiabilidad y precisión 7. Por tanto, los investigadores pueden adoptar este método con la confianza de que cumplirá con los requisitos de precisión de la mayoría de las aplicaciones. Esta plataforma puede adaptarse a una variedad de necesidades, desde la automatización de la adición y eliminación de crioprotectores en varios pasos, hasta el cribado de respuestas a fármacos a distintos rangos de concentraciones y la entrega de modulación química precisa en modelos órgano-on-chip16. En particular, los tamaños de resolución impresa (alrededor de 100 μm de canal) son suficientes para muchos ensayos biológicos16, proporcionando un buen rango para escalas típicas de longitud de células o partículas. En resumen, al reducir significativamente el tiempo de fabricación, el coste y los requisitos de experiencia, esta plataforma microfluídica totalmente impresa en 3D permite a los investigadores prototipar e implementar soluciones microfluídicas personalizadas de forma eficiente. Aunque siguen siendo necesarios pasos manuales de postprocesado como el pulido superficial y el sellado con cinta adhesiva, el flujo de trabajo global sigue siendo accesible y ahorra tiempo en comparación con los métodos convencionales de microfabricación.