Artículo de método

Fabricación de microcanales de sección transversal circular con estenosis mediante impresión 3D DLP e inflación de membrana PDMS para modelos vasculares microfluídicos

DOI:

10.3791/69706

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6 de marzo de 2026

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1School of Biomedical Engineering, International University, 2Vietnam National University Ho Chi Minh City

En este artículo

Resumen

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Este artículo presenta un método de fabricación sencillo y de bajo coste para crear microcanales circulares utilizando procesamiento digital de luz (DLP) impresión 3D e inflación de membrana de polidimetilsiloxano (PDMS). El método produce canales suaves, controlables y biomiméticos adecuados para aplicaciones vasculares en chip u órgano sobre chip.

Resumen

$$\rightleftharpoonup{xx}$$ $$\longleftharp{xx}$$, $$\longrightharp{xx}$$,

Los modelos microfluídicos que imitan la compleja arquitectura de vasos biológicos requieren canales transversales circulares para simular con precisión las condiciones hemodinámicas, el esfuerzo cortante y el comportamiento celular en la vasculatura nativa. Las técnicas tradicionales de litografía blanda suelen producir canales rectangulares, lo que conduce a patrones de flujo no fisiológicos y a una mala imitación del sistema circulatorio humano. Presentamos un método híbrido accesible de fabricación que integra moldes maestros impresos en 3D con Digital Light Processing (DLP) con una técnica de inflación de membrana de polidimetilsiloxano (PDMS) para producir microcanales circulares de alta fidelidad. El objetivo principal de este protocolo es proporcionar una estrategia libre de sala limpia para crear modelos vasculares biomiméticos con geometrías estenosis sintonizables.

El protocolo propuesto consta de cuatro etapas esenciales: (1) Diseño Asistido por Ordenador (CAD) de moldes maestros que incorporan una compensación de altura del 10% para compensar la contracción del material, (2) impresión 3D DLP y post-procesamiento de moldes de resina, (3) fundición PDMS y unión asistida por plasma con osígeno a una membrana elástica fina, y (4) inflado neumático controlado seguido de una segunda fundición PDMS para sellar la estructura circular. Demostramos que este enfoque permite la sintonización precisa de diámetros de canal, que van desde 300 μm hasta 1000 μm, modulando cuidadosamente la presión interna de inflación. El rendimiento de los microcanales resultantes se evaluó mediante caracterización estructural, incluyendo análisis de circularidad de sección transversal, medición de rugosidad superficial mediante microscopía electrónica de barrido (SEM) y pruebas neumáticas de estallido para asegurar la estabilidad de enlace. Nuestros hallazgos indican que este método apoya la fabricación accesible y reproducible de microcanales circulares, ofreciendo una plataforma sólida para futuras investigaciones en fisiología vascular, modelado de trombosis y aplicaciones de cribado de fármacos.

Introducción

$$\rightleftharpoonup{xx}$$ $$\longleftharp{xx}$$, $$\longrightharp{xx}$$,

Los sistemas microfluídicos que imitan vasos sanguíneos biológicos son vitales para futuras investigaciones sobre fisiología vascular, mecanismos de enfermedades e interacciones farmacológicas invitro 1,2. Entre muchas estructuras existentes en el cuerpo, las geometrías de sección transversal circular son cruciales para replicar con precisión condiciones hemodinámicas como el esfuerzo cortante y los patrones de flujo encontrados en la vasculaturanativa 3. Los métodos convencionales de fabricación, como la litografía blanda o el moldeo sacrificial mediante alambres o agujas, suelen producir canales rectangulares o geometrías circulares incompletas, lo que conduce a distorsiones del flujo y a una baja relevancia fisiológica 4,5,6. Además, estos enfoques son lentos, propensos a desalineaciones durante el ensamblaje multicapa y ofrecen escalabilidad limitada al diseñar redes microcanales ensambladas vasculares complejas con más de dosramas 7. Sin embargo, los avances recientes en la fabricación aditiva, especialmente la impresión 3D de procesamiento digital de luz (DLP), han abierto nuevas oportunidades para la fabricación rápida y precisa de moldes de microcanales de estructuras complejas, incluidos los microcanalescirculares 8. Además, DLP permite imprimir geometrías de moldes personalizadas con una resolución excepcional, a pesar de no requerir instalaciones de sala limpia.

En este estudio, presentamos una novedosa estrategia de fabricación sin sala limpia que integra moldes impresos en 3D DLP, acompañada de la inflación de la membrana de polidimetilsiloxano (PDMS). En resumen, este protocolo híbrido consiste en: (1) el diseño y fabricación de un molde de medio canal para producir una capa semicircular de PDMS, y (2) la unión de esta capa a una membrana plástica fina, seguida de inflado neumático y fundición de la segunda capa para formar un microcanal circular completo. Este procedimiento experimental ofrece un enfoque sencillo, de bajo coste y libre de desalineamientos, que resulta más eficaz en comparación con otras técnicas de ensamblaje microfluídico multicapa. Además, la circularidad de los canales obtenidos puede controlarse con precisión ajustando la presión de inflado.

Además de estas ventajas, el protocolo propuesto también ofrece un tiempo de fabricación rápido (menos de 4 horas). Las construcciones circulares obtenidas son muy consistentes a lo largo de longitudes de canal con diámetros pequeños (por ejemplo, 300 μm). Además, los resultados experimentales de este trabajo (es decir, medición de rugosidad superficial, imagen óptica, medición de ángulos de contacto y pruebas de estallido de presión) han confirmado la integridad estructural y la compatibilidad fluídica, ofreciendo un futuro prometedor en la fabricación de redes vasculares microcanales complejas con asombrosa reproducibilidad y adaptabilidad. Por último, el método propuesto es especialmente adecuado para laboratorios con acceso limitado a la infraestructura de salas limpias y tiene un gran potencial para futuros avances en aplicaciones vascular-on-chip, modelado de trombosis y cribado de fármacos.

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Protocolo

$$\rightleftharpoonup{xx}$$ $$\longleftharp{xx}$$, $$\longrightharp{xx}$$,

1. Fabricación del molde maestro

  1. Diseño de moldes maestros
    NOTA: El diseño del molde maestro de microcanales se realizó usando Fusion 360, que puede descargarse desde la página web oficial.
    1. Diseña la base del molde.
      1. Abre Fusion 360 y crea un nuevo boceto en el plano Oxy.
      2. Haz un esbozo de un contorno rectangular de esquina basado en Origin (por ejemplo, 30 mm × 30 mm) como plataforma de molde.
      3. Usa la herramienta de filetear para filetear todas las esquinas con un radio de 3 mm.
      4. Usa la herramienta Desplazamiento para desplazar el contorno de la base hacia dentro 3 mm y crear un contorno de pared.
      5. Utiliza la herramienta Extrusión para extruir toda la superficie de la plataforma base hacia arriba 2 mm y crear una base. Extrúndete la plataforma de pared hacia arriba 4 mm.
      6. Utiliza la herramienta Chanflaje con la opción Dos Distancias en la sección Modificar para crear una pendiente.
      7. Selecciona los bordes interiores de la pared y ajusta la primera y segunda distancia de desplazamiento a 0,5 mm y 4 mm, respectivamente.
        NOTA: Este paso facilita el proceso posterior de desmoldeo de chips PDMS.
    2. Diseña el microcanal circular.
      1. Construir dos planos desplazados que estén a 5 mm y 15 mm respecto al plano de Oyz.
      2. En el plano desplazado de 5 mm, dibuja un círculo con un diámetro de 1 mm y el centro 2 mm desfasado respecto al plano Oxy.
        NOTA: El centro del círculo debe alinearse con la superficie superior de la base.
      3. Extruye el perfil circular durante 8 mm hacia el lado interior de la base para obtener el primer lado de la sección regular del microcanal.
      4. En el plano desplazado de 15 mm, dibuja un círculo con un diámetro de 0,5 mm (o el diámetro de estenosis deseado) con el centro desfasado 2 mm respecto al plano Oxy.
      5. Extrude el perfil de estenosis circular durante 0,25 mm hacia la sección regular para obtener la mitad de la estenosis del microcanal.
      6. Utiliza la herramienta Loft en la sección Create para conectar la sección regular y la sección de estenosis para obtener la mitad completa del microcanal circular estenosis-regular.
      7. Utiliza la herramienta Espejo con el plano desplazado de 15 mm como plano espejo para crear la otra mitad del microcanal circular.
      8. Selecciona todo el cuerpo circular del microcanal obtenido > haz clic derecho > selecciona la opción Mover/Copiar .
      9. Traslada el cuerpo del microcanal 0,05 mm hacia arriba (o el 10% del diámetro de la estenosis) a lo largo del eje Z.
        NOTA: Este paso proporciona la altura de compensación para la tolerancia de impresión y da como resultado un microcanal de forma circular mejorado.
      10. Crear cuatro microcanales circulares adicionales usando el mismo método para disminuir la estenosis de 0,4 mm a 0,1 mm.
      11. Utiliza la herramienta Patrón en la sección Crear para duplicar cuatro secciones regulares adicionales y 4 perfiles circulares adicionales de estenosis.
      12. Ajusta los perfiles de diámetro de estenosis en los bocetos y aplica la herramienta Loft para cada microcanal.
      13. Traslada los cuerpos de microcanal a la posición de altura de compensación del 10%.
    3. Exporta el diseño del molde maestro de microcanales como . Archivo STL.
  2. Impresión 3D DLP
    1. Configura los parámetros de mecanizado.
      1. Abre Chitubox Software, selecciona Abrir en la barra de herramientas y elige el molde maestro en . Archivo STL
      2. Coloca el molde horizontalmente como predeterminado en la plataforma de impresión por software.
        NOTA: Comprueba la distancia Z = 0, Ángulo = 0°.
        NOTA: Usa la opción Hacer una copia para colocar e imprimir varios moldes de una vez.
      3. Abre la opción Imprimir en la barra de herramientas y pon el grosor de capa en 25 μm.
      4. Selecciona la opción Cortar y espera a que el proceso de corte termine en el tiempo estimado de impresión. Luego selecciona Imprimir para continuar.
    2. Procesa el molde maestro en postprocesamiento.
      NOTA: Hay dos pasos de lavado con alcohol para eliminar todos los residuos de resina y conseguir una superficie de moho menos defectuosa: (1) lavado con etanol y (2) lavado con alcohol isopropílico.
      1. Desmolad el molde maestro de la base de la impresora 3D.
      2. Limpia la estructura impresa con una toalla de papel y luego lava con etanol al 70% en una taza durante 10 minutos.
      3. Lava finamente con etanol al 99% durante 15 minutos en la estación de lavado.
      4. Seca el moho a temperatura ambiente durante al menos 10 minutos.
        NOTA: Revisa si hay manchas blancas irregulares en la superficie interna del moho. Si aún queda residuo blanco alrededor de los microcanales, repite el paso de lavado fino una o dos veces más.
      5. Expone los moldes a la luz ultravioleta a una intensidad de 20 mW/cm2 durante 5 minutos para un curado completo de la superficie.
      6. Seca los moldes en el horno a 65 °C durante al menos 12 horas para evaporar cualquier residuo químico y estabilizar la superficie.

2. Fundición y ensamblaje de moldes PDMS

NOTA: La fabricación de microcanales basada en PDMS se compone de tres etapas principales: (1) fundición PDMS de los microcanales circulares de la primera mitad, (2) inflado de membrana y (3) fundición PDMS de los microcanales circulares de la segunda mitad.

  1. Preparación de PDMS
    1. Mezcla la base de PDMS y el agente curador (por ejemplo, SYLGARD 184) en una proporción de peso de 10:1.
    2. Desgasifica la mezcla en una cámara de vacío durante 10 minutos o hasta que se eliminen todas las burbujas.
  2. Fundición del primer chip PDMS semicircular
    1. Coloca el molde impreso en 3D sobre una superficie nivelada dentro de una placa de Petri.
    2. Vierte la mezcla de PDMS desgasificada sobre el molde hasta que esté completamente sumergida (4 mm de grosor por encima del canal semicircular).
    3. Curar el PDMS a 90 °C durante 40 minutos9.
    4. Retira cuidadosamente la capa de PDMS curada del molde y recorta los bordes si es necesario.
      NOTA: El chip PDMS ahora contiene microcanales cóncavos semicirculares.
  3. Unión de membrana
    1. Corta la membrana de plástico de 25 μm de grosor en un rectángulo de 5 mm x 25 mm y retira la capa superior de la membrana.
    2. Limpia la superficie del chip PDMS varias veces con cinta transparente.
    3. Haz una entrada cerca de la punta del microcanal usando un perforador de biopsia de 1 mm.
    4. Coloca el chip PDMS y la membrana mirando hacia adelante sobre la plataforma cubierta de papel de aluminio. Coloca suavemente la plataforma dentro del limpiador de plasma.
    5. Enciende la bomba de vacío durante 60 s y luego ajusta el nivel de plasma de oxígeno a 30 W con una presión de 0,3 Torr durante 75 s.
    6. Apaga el nivel de plasma y la bomba de vacío.
      NOTA: Desacopla cuidadosamente la bomba de vacío para evitar derrames causados por un cambio brusco de presión.
    7. Alinea inmediatamente el microcanal del chip PDMS y la cara tratada de la membrana.
      NOTA: Coloca cuidadosamente los dos componentes para asegurar una alineación correcta.
    8. Presiona suavemente el chip y la membrana del PDMS juntos.
      NOTA: Asegúrese de que el microcanal esté completamente sellado bajo la membrana. Usa pinzas o marcas para ayudar a alinear manualmente. No retrases más de 60 s tras la toma de plasma, o la eficiencia de unión podría disminuir
    9. Coloca el dispositivo adherido en un horno a 90 °C durante 20 minutos para estabilizar la superficie y mejorar la resistencia de la unión.
  4. Inflación de membrana
    1. Instala el sistema de registro de presión.
      NOTA: El sistema de registro de presión está compuesto por tres componentes: (1) la bomba eléctrica de jeringuilla, (2) un portátil y (3) el Arduino Mega 2560. La jeringuilla es un Luer-lock de 50 mL.
      1. Descarga el código de lectura del sensor disponible en el Archivo Suplementario 1 y súbelo a la placa Arduino.
        NOTA: Comprueba si el código está compilado correctamente.
      2. Abre el software Tera Term para registrar el registro de presión. Desde la configuración > puerto serie > velocidad > 115200.
      3. Desde Archivo, selecciona Registro para empezar a registrar la presión con el tiempo.
      4. Selecciona Nuevo/Sobrescribir para registrar un nuevo registro y marca la casilla de Marca de tiempo para escribir el registro de presión con marcas de tiempo.
      5. Selecciona Explorar para seleccionar la carpeta que guardará el registro de presión.
      6. Mantén pulsado el botón de encendido/apagado de la bomba de jeringuilla eléctrica para encenderla y pulsa << para empezar a ajustar el nivel de presión.
      7. Conecta una aguja de 1,1 mm de diámetro a la entrada del chip PDMS y utiliza tubos flexibles de silicona para conectarlos a la salida de la bomba de jeringuilla.
      8. Ajusta el nivel de presión a 30 mL/h y pulsa el << para iniciar el proceso de inflado.
    2. Realizar la inflación de membrana y el fundido PDMS de los microcanales circulares de la segunda mitad.
      1. Inicia la inflación y monitoriza el nivel de presión en el microcanal mediante el registro de términos Tera .
      2. Detener el proceso de inflado cuando la presión interna alcance el nivel deseado.
        NOTA: Se recomienda que el rango de presión de inflado sea de 0,0 a 17,5 kPa, ya que niveles de presión superiores a 20 kPa pueden causar la rotura de la membrana.
      3. Echar una capa de 2-3 mm de grosor de PDMS sobre la estructura de membrana inflada-PDMS.
      4. Aplica calefacción continua a 90 °C durante 40 minutos para estabilizar la estructura inflada.
      5. Selecciona Detener el registro en Tera Term para dejar de registrar el nivel de presión cuando la segunda capa PDMS esté completamente curada.
      6. Guarda el archivo del registro de presión para registros experimentales e investigaciones posteriores.

3. Caracterización de los chips microfluídicos vasculares PDMS obtenidos

  1. Caracterización de rugosidad superficial
    1. Realizar microscopía digital 3D de superficies de molde y canales
      1. Utilizar un sistema de microscopio digital 3D para caracterizar la topografía superficial de los chips PDMS fabricados y sus correspondientes moldes impresos en 3D DLP.
      2. Identifica y marca tres regiones específicas de análisis para cada muestra.
        NOTA: Sección estenosis del microcanal (A1), sección regular del canal (A2) y superficie externa plana del chip (control).
      3. Monta la muestra en el escenario del microscopio y ajusta el enfoque para capturar topografía 3D de alta resolución en cada ubicación.
      4. Adquirir datos de perfiles superficiales utilizando software integrado para generar mapas de rugosidad y extraer la rugosidad media de la superficie (Sa) y la variación de altura entre pico y valle (Sz).
      5. Exporta los datos topográficos y la visualización 3D para compararlos entre diferentes condiciones de impresión (por ejemplo, orientación y grosor de capa).
        NOTA: Preste atención a la pared inclinada dentro de la región de estenosis, ya que las características superficiales en esta zona pueden afectar significativamente el comportamiento del flujo aguas abajo y la distribución de esfuerzos cortantes.
    2. Realizar microscopía electrónica de barrido (SEM).
      1. Utiliza el SEM para analizar la morfología superficial detallada y la fidelidad microestructural de los microcanales basados en PDMS.
      2. Secciona cuidadosamente la región del microcanal usando una hoja afilada y monta la muestra sobre muñones de aluminio con cinta conductora.
      3. Sputter coat con oro o platino durante 60 s para reducir los artefactos de carga.
      4. Captura imágenes SEM a múltiples aumentos (por ejemplo, 200× y 400×), dirigiéndose a la región de estenosis.
      5. Compara la visibilidad de las líneas de capa, la suavidad de las paredes y las transiciones de contorno entre chips derivados del molde impresos vertical y horizontalmente.
        NOTA: Los artefactos escalonados en muestras impresas horizontalmente y las crestas direccionales en moldes impresos verticalmente son indicadores importantes de la calidad de fabricación y la fidelidad del flujo.
  2. Caracterización geométrica de microcanales semicirculares y completos
    1. Preparar muestras de sección transversal cortando limpiamente el chip PDMS perpendicular al eje microcanal usando una cuchilla de afeitar.
    2. Utiliza un microscopio de fluorescencia para capturar la vista transversal de los microcanales.
    3. Carga las imágenes en el software ImageJ y utiliza la herramienta de línea para medir manualmente H1, H2 y Wo.
      NOTA: H1: Altura del canal semicircular moldeado (inferior); H2: Altura de inflado de membrana (arriba). O: Ancho del canal en la base.
    4. Calcular proporciones geométricas (H 1 +H 2≈ Wo) para evaluar la circularidad y validar el diseño del molde frente al comportamiento de inflación.
      NOTA: Idealmente, H1 y H2 son iguales, y su suma debe aproximarse a Wo en un perfil completamente circular. Las desviaciones señalan insuficiencia de inflación o sobreextensión de membrana.
  3. Realizar pruebas de resistencia de unión neumática
    NOTA: Una prueba neumática de estallido está compuesta por cinco componentes: (1) una bomba eléctrica de jeringuilla, (2) un sensor de presión, (3) un microcontrolador Arduino Mega 2560, (4) un cable de comunicación serial y (5) un portátil.
    1. Conecta el sensor de presión a la entrada de microcanal del PDMS mediante un tubo flexible de silicona.
    2. Inicializa el Arduino subiendo un script de lectura de datos en serie.
    3. Lanza el software Tera Term para monitorizar la presión.
    4. Comienza a aplicar presión de forma incremental haciendo funcionar la bomba de jeringuilla (por ejemplo, 40 mL/h).
    5. Registrar datos de presión en tiempo real. Continúa hasta que se produzca delaminación, rotura o fuga visible.
    6. Define la presión de estallido como el valor final registrado antes del fallo estructural. Este valor representa la resistencia de unión entre la membrana y el chip PDMS moldeado.
  4. Mide el ángulo de contacto.
    1. Monta un sistema de medición de ángulo de contacto usando una cámara digital montada en un lateral, una fuente de luz LED en anillo y un portátil para capturar imágenes.
    2. Coloca un chip PDMS curado sobre una plataforma de cristal nivelada bajo la cámara.
    3. Dispensa una gota de 2 μL de agua desionizada sobre la superficie del PDMS usando una micropipeta.
    4. Captura el perfil de gotas inmediatamente usando la cámara. Exporta la imagen para su análisis.
    5. Abre la imagen en el software ImageJ, selecciona el plugin Análisis de Caídas - LB-ADSA en la sección Analizar .
    6. Ajusta el ajuste de curva para determinar el ángulo de contacto.

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Resultados

$$\rightleftharpoonup{xx}$$ $$\longleftharp{xx}$$, $$\longrightharp{xx}$$,

Este estudio presenta un protocolo sin sala limpia para fabricar microcanales PDMS circulares completos utilizando moldes DLP impresos en 3D e inflación de membrana. El diseño de moldes de microcanal semicirculares con diferentes diámetros de estenosis se ilustra en la Figura 1, mientras que el efecto de la orientación de impresión en la resolución del molde se describe en la Figura 2. Un flujo de trabajo completo de fabricación, desde la impresión en molde hast...

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Discusión

$$\rightleftharpoonup{xx}$$ $$\longleftharp{xx}$$, $$\longrightharp{xx}$$,

En este trabajo, desarrollamos un protocolo de fabricación sin sala limpia para microcanales circulares PDMS utilizando impresión 3D DLP e inflación de membrana. Un paso crítico dentro de este protocolo es la integración de una compensación de altura del 10% en el diseño del molde CAD para tener en cuenta la contracción isotrópica inherente de PDMS durante el curado térmico. Además, la selección de las orientaciones de impresión, específicamente la vertical, es vital para minimizar los a...

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Divulgaciones

$$\rightleftharpoonup{xx}$$ $$\longleftharp{xx}$$, $$\longrightharp{xx}$$,

Los autores no tienen nada que declarar.

Agradecimientos

$$\rightleftharpoonup{xx}$$ $$\longleftharp{xx}$$, $$\longrightharp{xx}$$,

Los autores desean agradecer a la Universidad Internacional, Universidad Nacional de Vietnam, Ciudad Ho Chi Minh, por el apoyo en el equipo y materiales de laboratorio.

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Materiales

Lista de materiales utilizados en este artículo
NombreEmpresaNúmero de catálogoComentarios
Impresora 3DElegoo Saturn 3N/AImpresión por molde basada en DLP
Resina para impresión 3DJAMG HE, CoreaN/AResina para impresión DLP general
Microcontrolador ArduinoArduino Mega 2560N/AUtilizado para monitorización de presión en pruebas de explosión
Microscopio digital 3DKeyence, EE. UU.VHX-7100Caracterización de rugosidad superficial
Sistema de cámara digital  Hechos a medidaN/AUtilizado para imágenes de ángulos de contacto
Bomba eléctrica de jeringuillaFresenius SE & Compañía KGaA, AlemaniaPILOTO A2 CE2RS232Utilizado para inflar durante el modelado de membranas
Microscopio de fluorescenciaNikon Eclipse Ti, EE. UU.N/AMedición geométrica de microcanales
Software Fusion 360Autodesk, EE. UU.https://www.autodesk.com/asean/products/fusion-360Software de diseño
Software ImageJInstitutos Nacionales de Salud, EE. UU.https://imagej.net/ij/Análisis de imágenes
Base y agente de curado del PDMSDowhitech, Coreahttps://www.dow.com/en-us/pdp.sylgard-184-silicone-elastomer-kit.01064291zUtilizado para la fundición de astillas
PolidimetilsiloxanoKit de elastómeros de silicona SYLGARD 1841330-20-7Utilizado para la fabricación de chips
Sensor de presiónNXPMPX5700APMide la presión interna durante la prueba de estallido
Resina RAPIDElegoo, China—Utilizado para la fabricación de moldes maestros
Microscopio electrónico de barrido (SEM)Jeol, JapónJSM T-100Imagen de morfología superficial
Membrana de silicona (25 y micro; m)——Utilizado para la inflación de membranas

Referencias

$$\rightleftharpoonup{xx}$$ $$\longleftharp{xx}$$, $$\longrightharp{xx}$$,
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