Articolo metodologico

Fabbricazione di microcanali a sezione trasversale circolare con stenosi tramite stampa 3D DLP e gonfiaggio a membrana PDMS per modelli vascolari microfluidici

DOI:

10.3791/69706

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6 marzo 2026

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

In questo articolo

Sommario

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

Questo articolo presenta un metodo di fabbricazione semplice e a basso costo per creare microcanali circolari utilizzando la stampa 3D per elaborazione digitale della luce (DLP) e il gonfiaggio della membrana polidimetilsilossano (PDMS). Il metodo produce canali lisci, controllabili e biomimetici adatti per applicazioni vascolari su chip o organo su chip.

Abstract

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

I modelli microfluidici che imitano l'architettura complessa dei vasi biologici richiedono canali circolari a sezione trasversale per simulare accuratamente condizioni emodinamiche, stress di taglio e comportamento cellulare nella vascolatura nativa. Le tecniche tradizionali di litografia morbida tipicamente producono canali rettangolari, portando a schemi di flusso non fisiologici e a una scarsa imitazione del sistema circolatorio umano. Qui presentiamo un metodo ibrido accessibile che integra stampi master stampati in 3D tramite Digital Light Processing (DLP) con una tecnica di inflazione a membrana polidimetilsilossano (PDMS) per produrre microcanali circolari ad alta fedeltà. L'obiettivo principale di questo protocollo è fornire una strategia senza camera bianca per creare modelli vascolari biomimetici con geometrie di stenosi sintonizzabile.

Il protocollo proposto comprende quattro fasi essenziali: (1) Progettazione Assistita dal Computer (CAD) di stampi master che incorporano una compensazione dell'altezza del 10% per compensare il ritiro del materiale, (2) stampa 3D DLP e post-lavorazione degli stampi in resina, (3) colata PDMS e legame assistito con plasma di ossigeno a una sottile membrana elastica, e (4) gonfiaggio controllato della membrana pneumatica seguito di una seconda colata PDMS per sigillare la struttura circolare. Abbiamo dimostrato che questo approccio consente una regolazione precisa dei diametri dei canali, che variano da 300 μm a 1000 μm, modulando attentamente la pressione interna di gonfiaggio. Le prestazioni dei microcanali risultanti sono state valutate tramite caratterizzazione strutturale, inclusa l'analisi della circolarità della sezione trasversale, la misurazione della rugosità superficiale tramite microscopia elettronica a scansione (SEM) e il test pneumatico a raffica per garantire la stabilità del legame. I nostri risultati indicano che questo metodo supporta la fabbricazione accessibile e riproducibile di microcanali circolari, offrendo una solida piattaforma per future ricerche in fisiologia vascolare, modellazione della trombosi e applicazioni di screening farmacologico.

Introduzione

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

I sistemi microfluidici che imitano i vasi sanguigni biologici sono vitali per future ricerche sulla fisiologia vascolare, i meccanismi delle malattie e le interazioni farmacologiche invitro 1,2. Tra molte strutture esistenti nel corpo, le geometrie circolari della sezione trasversale sono cruciali per replicare accuratamente condizioni emodinamiche come lo stress di taglio e i modelli di flusso riscontrati nella vascolaturanativa 3. I metodi convenzionali di fabbricazione, come la litografia morbida o lo stampaggio sacrificale tramite fili o aghi, spesso producono canali rettangolari o geometrie circolari incomplete, portando a distorsioni del flusso e scarsa rilevanzafisiologica 4,5,6. Inoltre, questi approcci richiedono tempo, sono soggetti a disallineamenti durante l'assemblaggio multilayer e offrono scalabilità limitata nella progettazione di reti microcanali vascolari complesse assemblate con più di duerami 7. Tuttavia, i recenti progressi nella manifattura additiva, in particolare la stampa 3D di elaborazione digitale della luce (DLP), hanno aperto nuove opportunità per la rapida e precisa fabbricazione di stampi a microcanali di strutture complesse, inclusi i microcanalicircolari 8. Inoltre, il DLP consente la stampa di geometrie di stampi personalizzate con una risoluzione eccezionale, nonostante non richiedano strutture di sala bianca.

In questo studio, presentiamo una nuova strategia di fabbricazione senza camera bianca che integra stampi DLP stampati in 3D, accompagnata dall'inflazione della membrana polidimetilsossiano (PDMS). In breve, questo protocollo ibrido consiste in: (1) progettazione e fabbricazione di uno stampo a mezzo canale per produrre uno strato PDMS semi-circolare e (2) l'adesione di questo strato a una sottile membrana plastica, seguita da gonfiaggio pneumatico e colata del secondo strato per formare un microcanale circolare completo. Questa procedura sperimentale offre un approccio semplice, a basso costo e privo di disallineamento, più efficace rispetto ad altre tecniche nell'assemblaggio microfluidico multistrato. Inoltre, la circolarità dei canali ottenuti può essere controllata con precisione regolando la pressione di gonfiaggio.

Oltre a questi vantaggi, il protocollo proposto offre anche un tempo di fabbricazione rapido (meno di 4 ore). I costrutti circolari ottenuti sono altamente coerenti su lunghezze di canale con diametri piccoli (ad esempio, 300 μm). Inoltre, i risultati sperimentali di questo lavoro (cioè misurazione della rugosità superficiale, imaging ottico, misurazione dell'angolo di contatto e test di esplosione a pressione) hanno confermato l'integrità strutturale e la compatibilità fluidica, offrendo un futuro promettente nella realizzazione di complesse reti di microcanali vascolari con sorprendente riproducibilità e adattabilità. Infine, il metodo proposto è particolarmente adatto ai laboratori con accesso limitato all'infrastruttura delle camere bianche e presenta un grande potenziale per futuri progressi nelle applicazioni vascolare su chip, modellazione trombosi e screening farmacologico.

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Protocollo

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

1. Fabbricazione dello stampo master

  1. Progettazione degli stampi master
    NOTA: La progettazione dello stampo master microcanale è stata effettuata utilizzando Fusion 360, che può essere scaricata dal sito ufficiale.
    1. Progetta la base dello stampo.
      1. Apri Fusion 360 e crea un nuovo schizzo sul piano Oxy.
      2. Schizza un contorno rettangolare d'angolo basato su Origin (ad esempio, 30 mm × 30 mm) come piattaforma per lo stampo.
      3. Usa lo strumento Fillet per sfilare tutti gli angoli con un raggio di 3 mm.
      4. Usa lo strumento Offset per spostare il contorno della base di 3 mm verso l'interno e creare un contorno del muro.
      5. Usa lo strumento Estrudere per estrusare tutta la superficie della piattaforma di base verso l'alto di 2 mm per creare una base. Spordi la piattaforma muraria verso l'alto di 4 mm.
      6. Usa lo strumento Smusso con l'opzione Due Distanze nella sezione Modifica per creare una pendenza.
      7. Seleziona i bordi interni della parete e imposta rispettivamente la prima e la seconda distanza di spostamento a 0,5 mm e 4 mm.
        NOTA: Questo passaggio facilita il processo di smoldaggio dei chip PDMS in seguito.
    2. Progetta il microcanale circolare.
      1. Costruire due piani offset che distano 5 mm e 15 mm dal piano di Oyz.
      2. Sul piano offset di 5 mm, disegna un cerchio con un diametro di 1 mm con il centro sfascato di 2 mm rispetto al piano Oxy.
        NOTA: Il centro del cerchio dovrebbe allinearsi con la superficie superiore della base.
      3. Estrudere il profilo circolare per 8 mm verso il lato interno della base per ottenere il primo lato della sezione regolare del microcanale.
      4. Sul piano offset da 15 mm, disegna un cerchio con un diametro di 0,5 mm (o il diametro stenosi desiderato) con il centro sfascato di 2 mm rispetto al piano Oxy.
      5. Estrudere il profilo stenosi circolare per 0,25 mm verso la sezione regolare per ottenere metà della stenosi del microcanale.
      6. Usa lo strumento Loft nella sezione Create per collegare la sezione regolare e la sezione stenosi per ottenere metà del microcanale circolare stenosi-regolare.
      7. Usa lo strumento Mirror con il piano offset di 15 mm come piano specchio per creare l'altra metà del microcanale circolare.
      8. Seleziona l'intero corpo circolare del microcanale ottenuto > clicca con il tasto destro > seleziona l'opzione Muovi/Copia .
      9. Traslare il corpo del microcanale di 0,05 mm verso l'alto (ovvero il 10% del diametro della stenosi) lungo l'asse Z.
        NOTA: Questo passaggio fornisce un'altezza di compensazione per la tolleranza di stampa e porta a un microcanale di forma circolare migliorato.
      10. Creare quattro microcanali circolari aggiuntivi utilizzando lo stesso metodo per ridurre la stenosi da 0,4 mm a 0,1 mm.
      11. Usa lo strumento Pattern nella sezione Crea per duplicare quattro sezioni regolari aggiuntive e 4 profili di stenosi circolare aggiuntivi.
      12. Regola i profili del diametro della stenosi negli schizzi e applica lo strumento Loft per ogni microcanale.
      13. Traduci i corpi dei microcanali nella posizione dell'altezza di compensazione del 10%.
    3. Esporta il design dello stampo master microcanale come . Fascicolo STL.
  2. Stampa 3D DLP
    1. Imposta i parametri di lavorazione.
      1. Apri Chitubox Software, seleziona Apri nella barra degli strumenti e scegli lo stampo master in . Fascicolo STL
      2. Posiziona lo stampo orizzontalmente come impostazione predefinita sulla piattaforma di stampa software.
        NOTA: Controlla la distanza Z = 0, Angolo = 0°.
        NOTA: Usa l'opzione Fai una copia per posizionare e stampare più stampi in una volta sola.
      3. Apri l'opzione Stampa nella barra degli strumenti e imposta lo spessore del livello a 25 μm.
      4. Seleziona l'opzione Slice e attendi che il processo di slicing si completi al tempo di stampa stimato. Poi seleziona Stampa per procedere.
    2. Post-lavora lo stampo master.
      NOTA: Ci sono due fasi per lavare con alcol per rimuovere tutti i residui di resina e ottenere una superficie dello stampo meno difettosa: (1) lavaggio con etanolo e (2) lavaggio con alcol isopropilico.
      1. Smalla lo stampo master dalla base della stampante 3D.
      2. Pulisci il tessuto stampato con un tovagliolo di carta, poi lava con etanolo al 70% in un bicchiere per 10 minuti.
      3. Lavare fine con etanolo al 99% per 15 minuti alla stazione di lavaggio.
      4. Asciuga la muffa a temperatura ambiente per almeno 10 minuti.
        NOTA: Controlla la presenza di macchie bianche irregolari sulla superficie interna della muffa. Se ci sono ancora residui bianchi intorno ai microcanali, ripeti il passaggio di lavaggio fine una o due volte in più.
      5. Esponi gli stampi alla luce UV a un'intensità di 20 mW/cm2 per 5 minuti per un completo polimerizzazione superficiale.
      6. Asciuga le muffe in forno a 65 °C per almeno 12 ore per far evaporare eventuali residui chimici e stabilizzare la superficie.

2. Fusione PDMS e assemblaggio di stampi

NOTA: La produzione di microcanali basata su PDMS è composta da tre fasi principali: (1) colata PDMS dei microcanali circolari della prima metà, (2) gonfiaggio a membrana e (3) colata PDMS dei microcanali circolari della seconda metà.

  1. Preparazione al PDMS
    1. Mescola base PDMS e agente di polimerizzazione (ad esempio, SYLGARD 184) con un rapporto di peso di 10:1.
    2. Degasa la miscela in una camera a vuoto per 10 minuti o fino a quando tutte le bolle non vengono rimosse.
  2. Fusione del primo chip PDMS semicircolare
    1. Posiziona lo stampo stampato in 3D su una superficie piana all'interno di una piastra di Petri.
    2. Versare la miscela di PDMS degassata sullo stampo fino a quando non è completamente immersa (spessore di 4 mm sopra il canale semicircolare).
    3. Polimerizzare il PDMS a 90 °C per 40 minuti9.
    4. Rimuovere con cura lo strato di PDMS stagionato dallo stampo e rifilare i bordi se necessario.
      NOTA: Il chip PDMS ora contiene microcanali semicircolari concavi.
  3. Legame a membrana
    1. Taglia la membrana di plastica spessa 25 μm come un rettangolo di 5 mm x 25 mm e rimuovi lo strato superiore della membrana.
    2. Pulisci la superficie del chip PDMS più volte con nastro trasparente.
    3. Crea un'entrata vicino alla punta del microcanale usando un perforatore da 1 mm.
    4. Posiziona il chip PDMS e la membrana rivolti in avanti sulla piattaforma rivestita in alluminio. Metti delicatamente la piattaforma dentro il detergente al plasma.
    5. Accendi la pompa a vuoto per 60 secondi e poi imposta il livello di plasma di ossigeno a 30 W con una pressione di 0,3 Torr per 75 secondi.
    6. Spegni il livello del plasma e la pompa a vuoto.
      NOTA: Stacca con attenzione la pompa a vuoto per evitare fuoriuscite causate da un improvviso cambiamento di pressione.
    7. Allinea immediatamente il microcanale sul chip PDMS e la faccia trattata della membrana.
      NOTA: Posizionare con cura i due componenti per garantire un corretto allineamento.
    8. Premi delicatamente insieme chip e membrana PDMS.
      NOTA: Assicurati che il microcanale sia completamente sigillato sotto la membrana. Usa pinzette o segni per aiutare ad allineare manualmente. Non ritardare di oltre 60 secondi dopo il plasma, altrimenti l'efficienza di legame potrebbe diminuire
    9. Posiziona il dispositivo incollato in forno a 90 °C per 20 minuti per stabilizzare la superficie e aumentare la forza di adesione.
  4. Inflazione a membrana
    1. Installa il sistema di registrazione della pressione.
      NOTA: Il sistema di registrazione della pressione è composto da tre componenti: (1) la pompa elettrica per siringa, (2) un laptop e (3) l'Arduino Mega 2560. La siringa è una Luer-lock da 50 mL.
      1. Scarica il codice di lettura del sensore disponibile nel File Supplementare 1 e caricalo sulla scheda Arduino.
        NOTA: Controlla se il codice è stato compilato con successo.
      2. Apri il software Tera Term per registrare il registro della pressione. Dalla configurazione > porta seriale > velocità > 115200.
      3. Da File, scegli Log per iniziare a registrare la pressione nel tempo.
      4. Seleziona Nuovo/Sovrascrivi per registrare un nuovo log e seleziona la casella Timestamp per scrivere il log di pressione con i timemark.
      5. Seleziona Naviga per selezionare la cartella che salva il registro di pressione.
      6. Tieni premuto il pulsante On/Off della pompa elettrica per accenderla e premi << per iniziare a impostare il livello di pressione.
      7. Collega un ago di 1,1 mm di diametro all'ingresso del chip PDMS e usa tubi flessibili in silicone per collegarli all'uscita della pompa della siringa.
      8. Imposta il livello di pressione a 30 mL/h e premi il << per avviare il processo di gonfiaggio.
    2. Eseguire l'inflazione a membrana e il colaggio PDMS dei microcanali circolari della seconda metà.
      1. Avvia il gonfiaggio e monitora il livello di pressione nel microcanale tramite il registro Tera Term .
      2. Fermare il processo di gonfiaggio quando la pressione interna raggiunge il livello desiderato.
        NOTA: Si raccomanda che l'intervallo di pressione di gonfiaggio sia di 0,0 a 17,5 kPa, poiché livelli di pressione superiori a 20 kPa possono causare la rottura della membrana.
      3. Sfoga uno strato di PDMS spesso 2-3 mm sulla struttura a membrana-PDMS gonfiata.
      4. Applicare un riscaldamento continuo a 90 °C per 40 minuti per stabilizzare la struttura gonfiata.
      5. Seleziona Stop Logging su Tera Term per smettere di registrare il livello di pressione quando il secondo strato PDMS è completamente curato.
      6. Conserva il file del registro della pressione per i registri sperimentali e ulteriori indagini.

3. Caratterizzazione dei chip microfluidici vascolari PDMS ottenuti

  1. Caratterizzazione della rugosità superficiale
    1. Eseguire microscopia digitale 3D delle superfici di stampo e canale
      1. Utilizzare un sistema di microscopio digitale 3D per caratterizzare la topografia superficiale dei chip PDMS fabbricati e dei loro corrispondenti stampi DLP stampati in 3D.
      2. Identificare e segnare tre regioni specifiche di analisi per ciascun campione.
        NOTA: Sezione stenosica del microcanale (A1), sezione regolare del canale (A2) e superficie esterna piatta del chip (controllo).
      3. Monta il campione sul palco del microscopio e regola la messa a fuoco per catturare una topografia 3D ad alta risoluzione in ogni posizione.
      4. Acquisire dati sul profilo superficiale utilizzando software integrato per generare mappe di rugosità ed estrarre la rugosità media della superficie (Sa) e la variazione di altezza (Sz) tra picco e valle.
      5. Esporta i dati topografici e la visualizzazione 3D per confrontarli tra diverse condizioni di stampa (ad esempio, orientamento e spessore dello strato).
        NOTA: Prestare attenzione alla parete inclinata all'interno della regione della stenosi, poiché le caratteristiche superficiali in questa zona possono influenzare significativamente il comportamento del flusso a valle e la distribuzione delle tensioni di taglio.
    2. Eseguire microscopia elettronica a scansione (SEM).
      1. Utilizzare il SEM per analizzare la morfologia superficiale dettagliata e la fedeltà microstrutturale dei microcanali basati su PDMS.
      2. Taglia con cura la regione del microcanale con una lama affilata e monta il campione su tronchi di alluminio con nastro conduttivo.
      3. Sputter coat con oro o platino per 60 secondi per ridurre gli artefatti di carica.
      4. Acquisire immagini SEM a ingrandimenti multipli (ad esempio, 200× e 400×), puntando alla regione della stenosi.
      5. Confronta la visibilità delle linee degli strati, la liscia delle pareti e le transizioni di contorno tra chip derivati dallo stampo stampati verticalmente e orizzontalmente.
        NOTA: Artefatti a gradini nei campioni stampati orizzontalmente e scanalature direzionali negli stampi stampati verticalmente sono indicatori importanti della qualità della fabbricazione e della fedeltà del flusso.
  2. Caratterizzazione geometrica di microcanali semicircolari e interi
    1. Prepara i campioni di sezione trasversale tagliando nettamente il chip PDMS perpendicolarmente all'asse del microcanale usando una lametta.
    2. Utilizzare un microscopio a fluorescenza per catturare la vista trasversale dei microcanali.
    3. Carica le immagini nel software ImageJ e usa lo strumento linea per misurare manualmente H1, H2 e Wo.
      NOTA: H1: Altezza del canale semicircolare stampato (in fondo); H2: Altezza di gonfiaggio della membrana (in alto). Wo: Larghezza del canale alla base.
    4. Calcolare i rapporti geometrici (H1 +H 2≈ Wo) per valutare la circolarità e validare la progettazione dello stampo rispetto al comportamento di inflazione.
      NOTA: Idealmente, H1 e H2 sono uguali, e la loro somma dovrebbe approssimare Wo in un profilo completamente circolare. Le deviazioni segnalano insufficienza di inflazione o sovraestensione della membrana.
  3. Eseguire la prova di resistenza del legame pneumatico
    NOTA: Un test pneumatico di esplosione è composto da cinque componenti: (1) una pompa elettrica per siringa, (2) un sensore di pressione, (3) un microcontrollore Arduino Mega 2560, (4) un cavo di comunicazione seriale e (5) un portatile.
    1. Collega il sensore di pressione all'ingresso microcanale PDMS tramite un tubo flessibile in silicone.
    2. Inizializza l'Arduino caricando uno script di lettura dei dati seriali.
    3. Lancia il software Tera Term per il monitoraggio della pressione.
    4. Inizia ad applicare pressione in modo incrementale facendo funzionare la pompa della siringa (ad esempio, 40 mL/h).
    5. Registra i dati di pressione in tempo reale. Continuare fino a quando non si verifica delaminazione, rottura o perdita visibile.
    6. Definisci la pressione di rottura come il valore finale registrato prima del cedimento strutturale. Questo valore rappresenta la forza di legame tra la membrana e il chip PDMS stampato.
  4. Misurare l'angolo di contatto.
    1. Assembla un sistema di misurazione dell'angolo di contatto usando una fotocamera digitale montata lateralmente, una fonte di luce ad anello LED e un laptop per la cattura dell'immagine.
    2. Metti un chip PDMS polimerizzato su una piattaforma di vetro piana sotto la telecamera.
    3. Erogare una goccia di 2 μL di acqua deionizzata sulla superficie del PDMS utilizzando una micropipetta.
    4. Cattura immediatamente il profilo delle goccie usando la fotocamera. Esporta l'immagine per l'analisi.
    5. Apri l'immagine nel software ImageJ, seleziona il plugin Drop Analysis - LB-ADSA nella sezione Analizza .
    6. Regola il raccordo della curva per determinare l'angolo di contatto.

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Risultati

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Questo studio presenta un protocollo senza camera bianca per la fabbricazione di microcanali PDMS circolari completi utilizzando stampi DLP stampati in 3D e gonfiamento a membrana. La progettazione di stampi a microcanali semicircolari con diametri stenosici variabili è illustrata nella Figura 1, mentre l'effetto dell'orientamento della stampa sulla risoluzione dello stampo è illustrato nella Figura 2. Un flusso di lavoro completo di fabbricazione, dalla stampa ...

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Discussione

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In questo lavoro, abbiamo sviluppato un protocollo di fabbricazione senza camera bianca per microcanali circolari PDMS utilizzando la stampa 3D DLP e il gonfiaggio a membrana. Un passaggio fondamentale all'interno di questo protocollo è l'integrazione della compensazione dell'altezza del 10% nel design dello stampo CAD per tenere conto del ritiro isotropo intrinseco del PDMS durante la polimerizzazione termica. Inoltre, la selezione delle orientazioni di stampa, in particolare quella ver...

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Dichiarazioni

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

Gli autori non hanno nulla da dichiarare.

Ringraziamenti

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

Gli autori desiderano ringraziare l'International University, Vietnam National University, Ho Chi Minh City, per il supporto alle attrezzature di laboratorio e ai materiali.

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Materiali

Elenco dei materiali utilizzati in questo articolo
NomeAziendaNumero di catalogoCommenti
Stampante 3DElegoo Saturn 3N/AStampa a stampo basata su DLP
Stampa 3D in resinaJAMG HE, CoreaN/AResina per la stampa DLP generale
Microcontrollore ArduinoArduino Mega 2560N/AUtilizzato per il monitoraggio della pressione durante la prova di scoppio
Microscopio digitale 3DKeyence, USAVHX-7100Caratterizzazione della rugosità superficiale
Sistema di fotocamere digitali  PersonalizzatiN/AUtilizzato per l'imaging ad angolo di contatto
Pompa elettrica per siringaFresenius SE & Compagnia KGaA, GermaniaPILOT A2 CE2RS232Utilizzato per l'inflazione durante la modellatura della membrana
Microscopio a fluorescenzaNikon Eclipse Ti, USAN/AMisurazione geometrica del microcanale
Software Fusion 360Autodesk, USAhttps://www.autodesk.com/asean/products/fusion-360Software di progettazione
Software ImageJIstituti Nazionali di Salute, USAhttps://imagej.net/ij/Analisi delle immagini
Base e agente di polimerizzazione PDMSDowhitech, Coreahttps://www.dow.com/en-us/pdp.sylgard-184-silicone-elastomer-kit.01064291zUtilizzato per la fusione di trucioli
PolidimetilsossianoKit di elastomeri in silicone SYLGARD 1841330-20-7Utilizzato per la fabbricazione di chip
Sensore di pressioneNXPMPX5700APMisura la pressione interna durante il burst test
Resina RAPIDElegoo, Cina—Utilizzato per la fabbricazione di stampi master
Microscopio elettronico a scansione (SEM)Jeol, GiapponeJSM T-100Imaging morfologico superficiale
Membrana in silicone (25 & micro; m)——Utilizzato per l'inflazione a membrana

Riferimenti

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