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Dispositivos microfluídicos tornaram-se essenciais para controlar concentrações e ambientes químicos em ensaios celulares, estudos de estresse osmótico e experimentos da administração de medicamentos em pesquisa biomédica, criobiologia e outras aplicaçõesdiagnósticas 1,2. Esses dispositivos permitem o controle preciso do fluxo e concentração do fluido na escala micrômica. Por exemplo, dispositivos microfluídicos têm sido usados para a adição e remoção de agentes crioprotetores durante a criopreservação de células, a fim de prevenir danososmóticos 3. De forma semelhante, esses dispositivos microfluídicos também são usados para estabelecer diluições em série de antibióticos para testar a suscetibilidade antimicrobiana contra organismosresistentes 4. Isso permite a identificação de combinações ideais de medicamentos para tratar infecções resistentes a antimicrobianos (RAM). Além disso, ele possibilita imagens e monitoramento de células vivas, reduz o consumo de reagentes e facilita a precisão nos gradientes de concentração, em contraste com técnicas macroscópicas, como a câmara Boyden, que fornecem gradientes mais grosseiros e estáticos sem monitoramento celular emtempo real 1,5. Essas capacidades permitem a imitação de ambientes químicos in vivo in vitro para estudos de alta resolução sobre comportamento celular, migração celular, ensaios de invasão celular, resposta a medicamentos e testes de toxicidade.
Apesar das vantagens dos dispositivos microfluídicos, as técnicas tradicionais de microfabricação para esses dispositivos (por exemplo, fotolitografia e moldagem de polidimetilsiloxano (PDMS)) são frequentemente demoradas, caras e exigem equipamentos e expertise especializados6. Portanto, criar um novo dispositivo por meio da litografia suave pode levar dias de trabalho, e mudanças iterativas no design também sãotrabalhosas 6. Recentemente, a impressão 3D tornou-se uma alternativa rápida de prototipagem para superar essas limitações. No entanto, a adoção precoce da microfluídica impressa em 3D foi limitada pelo custo das impressoras de alta resolução (frequentemente ≥ $10.000), e unidades baratas não fornecem resoluçãosuficiente 7. A melhoria na estereolitografia baseada em LCD de baixo custo avançou significativamente nesse campo, já que as impressoras de consumo (frequentemente ~$150-$500) agora oferecem resolução em microescala (~20-50 μm), suficiente para muitas aplicaçõesmicrofluídicas 5. Considerando esses avanços, o objetivo geral do nosso trabalho era estabelecer um fluxo de trabalho eficiente e custo-efetivo para dispositivos microfluídicos totalmente impressos em 3D que possam gerar gradientes de concentração controlados sem as barreiras típicas da complexidadede fabricação 8. Nosso objetivo era desenvolver um método rápido e confiável para produzir sistemas de modelos microfluídicos personalizados, utilizando uma impressora LCD 3D de nível consumidor e resina biocompatível, tornando-os acessíveis a uma ampla gama de laboratórios.
Aqui, apresentamos um dispositivo microfluídico impresso em 3D capaz de misturar soluções, gerar gradientes de concentração contínuos e programáveis, e formar combinações de soluções e gradientes de concentração programáveis. O dispositivo é fabricado por estereolitografia de mesa e montado completamente, utilizando um design de canal aberto que é completamente selado com um filme adesivo transparente e a obstrução do canal induzida por resina de filme adesivo, o que é um desafio amplamente relatado na estereolitografia microfluídica 9,10; No entanto, essa abordagem desenvolve um dispositivo microfluídico robusto e à prova de vazamentos, sem exigir equipamentos especializados de tratamento ou colagem de superfícies, e supera o problema comum de resina não curada obstruir os pequenos canais durante a impressão11. Além disso, ao usar resinas baratas e curáveis por UV, cada dispositivo pode ser produzido rapidamente por apenas alguns dólares em materiais. Outra vantagem é que seu projeto não é fixo; Ele pode ser facilmente modificado e reimpresso, diferente dos dispositivos comerciais que custam centenas de dólares cada e não podem serpersonalizados 12, 13, 14.
Para controlar a concentração da solução, o dispositivo impresso em 3D foi integrado a bombas de seringa duplas (uma para cada solução de entrada) controladas por um script Python de código aberto, conforme descrito anteriormente para aplicaçõesmicrofluídicas 15. Isso permite a regulação precisa das taxas de fluxo, degraus de gradiente e temporização de forma automatizada. 15 As taxas de fluxo em nosso sistema normalmente variam de alguns microlitros a 30 μl/min por entrada, dentro das quais uma mistura uniforme foi consistentemente alcançada, mantendo o esforço mínimo de cisalhamento. Usando esse sistema, geramos perfis lineares de concentração que abrangem desde condições aproximadamente iso-osmóticas (~300 mOsm/kg) até extremas hiperosmóticas (~9.000 mOsm/kg) e retornando a isotônicas, em intervalos de tempo definidos. Leituras contínuas do osmômetro confirmaram que os gradientes gerados eram lineares e precisos, e um ensaio colorimétrico simples verificou a mistura eficiente das soluções de entrada. Esses resultados validam que gradientes de concentração complexos e variáveis no tempo podem ser alcançados de forma reprodutiva com nossa plataforma totalmente impressa em 3D, destacando seu potencial para melhorar a taxa de transferência e padronização dos estudos de exposição osmótica por uma fração do custo usual.
Esta plataforma microfluídica impressa em 3D demonstra os avanços recentes rumo a soluções "lab-on-a-chip" que fornecem resolução suficiente para muitas aplicações microfluídicas baseadas em células 16,17. Além disso, especialistas preveem que a manufatura aditiva deve se tornar um método líder para a fabricação de microdispositivos à medida que os avanços na tecnologia e nos materiais de impressoraspersistirem 6. Uma vantagem fundamental da nossa abordagem é que a acessibilidade não vem em detrimento do desempenho. De acordo com estudos anteriores que demonstraram estratégias de fabricação microfluídica de baixocusto 18,19, essas impressoras acessíveis produzem recursos de dispositivo comparáveis a muitos sistemas industriais comerciais em termos de confiabilidade eprecisão7. Assim, os pesquisadores podem adotar esse método com confiança de que ele atenderá aos requisitos de precisão da maioria das aplicações. Essa plataforma pode ser adaptada a uma variedade de necessidades, desde a automatização da adição/remoção de crioprotetores em múltiplas etapas, até a triagem de respostas a fármacos em diferentes faixas de concentração e a entrega de modulação química precisa nos modelos organ-on-chip16. Particularmente, os tamanhos de resolução impressa (cerca de 100 μm de dimensões de canal) são suficientes para muitos ensaiosbiológicos 16, fornecendo uma boa faixa para escalas típicas de comprimento de células ou partículas. Em resumo, ao reduzir significativamente o tempo de fabricação, custos e requisitos de especialização, essa plataforma microfluídica totalmente impressa em 3D permite que os investigadores prototipem e implementem soluções microfluídicas personalizadas de forma eficiente. Embora passos manuais de pós-processamento, como polimento superficial e vedação com fita adesiva, ainda sejam necessários passos manuais, o fluxo de trabalho geral permanece acessível e economiza tempo em comparação com métodos convencionais de microfabricação.