Artigo de método

Fabricação de Microcanais de Seção Transversal Circular com Estenose via Impressão 3D DLP e Inflação de Membrana PDMS para Modelos Vasculares Microfluídicos

DOI:

10.3791/69706

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6 de março de 2026

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

Neste artigo

Resumo

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Este artigo apresenta um método simples e de baixo custo para criar microcanais circulares usando impressão 3D de processamento digital de luz (DLP) e inflação de membrana por polidimetilsiloxano (PDMS). O método produz canais suaves, controláveis e biomiméticos, adequados para aplicações vascular-on-chip ou organ-on-chip.

Resumo

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

Modelos microfluídicos que imitam a complexa arquitetura dos vasos biológicos requerem canais circulares de seção transversal para simular com precisão condições hemodinâmicas, tensão de cisalhamento e comportamento celular na vasculatura nativa. Técnicas tradicionais de litografia mole normalmente produzem canais retangulares, levando a padrões de fluxo não fisiológicos e a má imitação do sistema circulatório humano. Aqui, apresentamos um método híbrido acessível de fabricação que integra moldes mestres impressos em 3D com Digital Light Processing (DLP) com uma técnica de inflação de membrana de polidimetilsiloxano (PDMS) para produzir microcanais circulares de alta fidelidade. O objetivo principal desse protocolo é fornecer uma estratégia sem sala limpa para criar modelos vasculares biomiméticos com geometrias de estenose sintonizáveis.

O protocolo proposto compreende quatro etapas essenciais: (1) Projeto Assistido por Computador (CAD) de moldes mestres incorporando uma compensação de altura de 10% para considerar a retração do material, (2) impressão 3D DLP e pós-processamento de moldes de resina, (3) fundição PDMS e ligação assistida por plasma de oxigênio a uma membrana elástica fina, e (4) inflação controlada da membrana pneumática seguida de uma segunda fundição PDMS para selar a estrutura circular. Demonstramos que essa abordagem permite a sintonia precisa dos diâmetros dos canais, que variam de 300 μm a 1000 μm, modulando cuidadosamente a pressão interna de inflação. O desempenho dos microcanais resultantes foi avaliado por meio de caracterização estrutural, incluindo análise de circularidade de seção transversal, medição da rugosidade superficial via microscopia eletrônica de varredura (SEM) e testes pneumáticos de explosão para garantir a estabilidade da ligação. Nossas descobertas indicam que esse método apoia a fabricação acessível e reprodutível de microcanais circulares, oferecendo uma plataforma robusta para pesquisas futuras em fisiologia vascular, modelagem de trombose e aplicações de triagem de medicamentos.

Introdução

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Sistemas microfluídicos que imitam vasos sanguíneos biológicos são vitais para futuras pesquisas sobre fisiologia vascular, mecanismos de doenças e interações medicamentosas invitro 1,2. Entre muitas estruturas existentes no corpo, as geometrias da seção transversal circular são cruciais para replicar com precisão condições hemodinâmicas, como tensão de cisalhamento e padrões de fluxo encontrados na vasculaturanativa 3. Métodos convencionais de fabricação, como litografia suave ou moldagem sacrificial usando fios ou agulhas, frequentemente produzem canais retangulares ou geometrias circulares incompletas, levando à distorção do fluxo e à baixa relevância fisiológica 4,5,6. Além disso, essas abordagens são demoradas, propensas a desalinhamento durante a montagem em múltiplas camadas e oferecem escalabilidade limitada ao projetar redes complexas de microcanais montadas vascularmente com mais de doisramos 7. No entanto, avanços recentes na manufatura aditiva, especialmente a impressão 3D de processamento digital de luz (DLP), abriram novas oportunidades para a fabricação rápida e precisa de moldes de microcanais de estruturas complexas, incluindo microcanaiscirculares 8. Além disso, o DLP permite a impressão de geometrias de moldes personalizadas com resolução excepcional, apesar de não exigir instalações de sala limpa.

Neste estudo, apresentamos uma nova estratégia de fabricação sem sala limpa que integra moldes DLP impressos em 3D, acompanhada pela inflação da membrana de polidimetilsiloxano (PDMS). Resumidamente, esse protocolo híbrido consiste em: (1) projeto e fabricação de um molde de meio canal para produzir uma camada semicircular PDMS, e (2) ligação dessa camada a uma membrana plástica fina, seguida por inflação pneumática e fundição da segunda camada para formar um microcanal circular completo. Esse procedimento experimental oferece uma abordagem simples, de baixo custo e sem desalinhamento, que é mais eficaz em comparação com outras técnicas de montagem microfluídica multicamada. Além disso, a circularidade dos canais obtidos pode ser controlada com precisão ajustando a pressão de inflação.

Além dessas vantagens, o protocolo proposto também oferece um tempo de fabricação rápido (menos de 4 horas). As construções circulares obtidas são altamente consistentes ao longo de comprimentos de canal com diâmetros pequenos (por exemplo, 300 μm). Além disso, resultados experimentais nesse trabalho (ou seja, medição de rugosidade superficial, imagem óptica, medição de ângulo de contato e teste de explosão de pressão) confirmaram a integridade estrutural e a compatibilidade fluídica, oferecendo um futuro promissor na fabricação de redes complexas de microcanais vasculares com reprodutibilidade e adaptabilidade impressionantes. Por fim, o método proposto é especialmente adequado para laboratórios com acesso limitado à infraestrutura de sala limpa e possui grande potencial para avanços futuros em vascular-on-chip, modelagem de trombose e aplicações de triagem de drogas.

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Protocolo

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

1. Fabricação do molde mestre

  1. Design de moldes mestres
    NOTA: O projeto do molde mestre em microcanal foi realizado usando Fusion 360, que pode ser baixado no site oficial.
    1. Projete a base do molde.
      1. Abra o Fusion 360 e crie um novo esboço no plano Oxy.
      2. Desenhe um contorno retangular de canto baseado em Origin (por exemplo, 30 mm × 30 mm) como plataforma de molde.
      3. Use a ferramenta Fillet para filetar todos os cantos com raio de 3 mm.
      4. Use a ferramenta Offset para deslocar o contorno da base 3 mm para dentro e criar um contorno de parede.
      5. Use a ferramenta Extrude para extrudir toda a superfície da plataforma base para cima 2 mm e criar uma base. Projete a plataforma da parede para cima 4 mm.
      6. Use a ferramenta Chanfrar com a opção Duas Distâncias na seção Modificar para criar uma inclinação.
      7. Selecione as bordas internas da parede e ajuste as distâncias de deslocamento da primeira e segunda para 0,5 mm e 4 mm, respectivamente.
        NOTA: Esta etapa facilita o processo de desmoldagem do chip PDMS posteriormente.
    2. Projete o microcanal circular.
      1. Construa dois planos deslocados que estejam a 5 mm e 15 mm em relação ao plano Oyz.
      2. No plano de deslocamento de 5 mm, desenhe um círculo com diâmetro de 1 mm com o centro 2 mm deslocado em relação ao plano Oxy.
        NOTA: O centro do círculo deve se alinhar com a superfície superior da base.
      3. Extruma o perfil circular por 8 mm em direção ao lado interno da base para obter o primeiro lado da seção regular do microcanal.
      4. No plano de deslocamento de 15 mm, desenhe um círculo com diâmetro de 0,5 mm (ou diâmetro desejado de estenose) com o centro deslocado 2 mm em relação ao plano Oxy.
      5. Extruma o perfil de estenose circular por 0,25 mm em direção à seção regular para obter metade da estenose do microcanal.
      6. Use a ferramenta Loft na seção Create para conectar a seção regular e a seção de estenose para obter metade completa do microcanal circular estenose-regular.
      7. Use a ferramenta Espelho com o plano de deslocamento de 15 mm como plano do espelho para criar a outra metade do microcanal circular.
      8. Selecione todo o corpo circular do microcanal obtido > clique com o botão direito > selecione a opção Mover/Copiar .
      9. Translação do corpo do microcanal por 0,05 mm para cima (ou 10% do diâmetro da estenose) ao longo do eixo Z.
        NOTA: Este passo fornece altura de compensação para a tolerância de impressão e resulta em um microcanal de formato circular aprimorado.
      10. Crie quatro microcanais circulares adicionais usando o mesmo método para diminuir a estenose de 0,4 mm para 0,1 mm.
      11. Use a ferramenta Padrão na seção Criar para duplicar quatro seções regulares adicionais e 4 perfis circulares de estenose adicionais.
      12. Ajuste os perfis do diâmetro da estenose nos esboços e aplique a ferramenta Loft para cada microcanal.
      13. Traduza os corpos de microcanais para a posição de altura de compensação de 10%.
    3. Exporte o design do molde mestre de microcanal como . Arquivo STL.
  2. Impressão 3D DLP
    1. Configure os parâmetros de usinagem.
      1. Abra o Chitubox Software, selecione Abrir na barra de ferramentas e escolha o molde mestre em . Arquivo STL
      2. Coloque o molde horizontalmente como padrão na plataforma de impressão do software.
        NOTA: Verifique distância Z = 0, Ângulo = 0°.
        NOTA: Use a opção Fazer uma cópia para colocar e imprimir vários moldes de uma vez só.
      3. Abra a opção Imprimir na barra de ferramentas e defina a Espessura da Camada para 25 μm.
      4. Selecione a opção Fatia e aguarde o processo de fatiamento ser concluído no tempo estimado de impressão. Depois, selecione Imprimir para prosseguir.
    2. Pós-processamento do molde mestre.
      NOTA: Existem duas etapas de lavagem com álcool para remover todo o resíduo de resina e obter uma superfície de molde menos defeituosa: (1) lavagem com etanol e (2) lavagem com álcool isopropílico.
      1. Desmolhe o molde mestre da base da impressora 3D.
      2. Limpe a estrutura impressa com um papel toalha e depois lave com etanol 70% em um copo por 10 minutos.
      3. Lave finamente com etanol 99% por 15 minutos na estação de lavagem.
      4. Seque o mofo em temperatura ambiente por pelo menos 10 minutos.
        NOTA: Verifique se há manchas brancas irregulares na superfície interna do mofo. Se ainda houver resíduos brancos ao redor dos microcanais, repita a etapa de lavagem fina mais uma ou duas vezes.
      5. Expõe os moldes à luz UV com intensidade de 20 mW/cm2 por 5 minutos para cura completa da superfície.
      6. Seque os moldes no forno a 65 °C por pelo menos 12 horas para evaporar qualquer resíduo químico e estabilizar a superfície.

2. Fundição e montagem de moldes PDMS

NOTA: A fabricação de microcanais baseada em PDMS é composta por três etapas principais: (1) fundição por PDMS dos microcanais circulares da primeira metade, (2) inflação de membrana e (3) fundição por PDMS dos microcanais circulares da segunda metade.

  1. Preparação para PDMS
    1. Misture a base do PDMS e o agente de cura (por exemplo, SYLGARD 184) em uma proporção de peso de 10:1.
    2. Desgasifice a mistura em uma câmara a vácuo por 10 minutos ou até que todas as bolhas sejam removidas.
  2. Fundindo o primeiro chip PDMS semicircular
    1. Coloque o molde impresso em 3D em uma superfície nivelada dentro de uma placa de Petri.
    2. Despeje a mistura de PDMS desgaseificada sobre o molde até que fique totalmente submersa (4 mm de espessura acima do canal semicircular).
    3. Cure o PDMS a 90 °C por 40 min9.
    4. Remova cuidadosamente a camada de PDMS curada do molde e corte as bordas, se necessário.
      NOTA: O chip PDMS agora contém microcanais côncavos semicirculares.
  3. Ligação de membrana
    1. Corte a membrana plástica de 25 μm de espessura como um retângulo de 5 mm x 25 mm e remova a camada superior da membrana.
    2. Limpe a superfície do chip PDMS várias vezes com fita transparente.
    3. Faça uma entrada próxima à ponta do microcanal usando um perfurador de biópsia de 1 mm.
    4. Coloque o chip PDMS e a membrana voltados para frente sobre a plataforma coberta com papel alumínio. Coloque a plataforma suavemente dentro do limpador de plasma.
    5. Ligue a bomba de vácuo por 60 s e então ajuste o nível de plasma de oxigênio para 30 W com um nível de pressão de 0,3 Torr por 75 s.
    6. Desligue o nível de plasma e a bomba de vácuo.
      NOTA: Desconecte cuidadosamente a bomba de vácuo para evitar vazamentos causados por uma mudança repentina de pressão.
    7. Alinhe imediatamente o microcanal do chip PDMS com a face tratada da membrana.
      NOTA: Posicione cuidadosamente os dois componentes para garantir o alinhamento correto.
    8. Pressione suavemente o chip e a membrana do PDMS juntos.
      NOTA: Certifique-se de que o microcanal esteja totalmente selado sob a membrana. Use pinças ou marcas para ajudar a alinhar manualmente. Não atrase mais de 60 s após o plasma, ou a eficiência de ligação pode cair
    9. Coloque o dispositivo de ligação em um forno a 90 °C por 20 minutos para estabilizar a superfície e aumentar a força de aderência.
  4. Inflação de membrana
    1. Configure o sistema de registro de pressão.
      NOTA: O sistema de registro de pressão é composto por três componentes: (1) a bomba elétrica de seringa, (2) um laptop e (3) o Arduino Mega 2560. A seringa é uma Luer-lock de 50 mL.
      1. Baixe o código de leitura do sensor disponível no Arquivo Suplementar 1 e faça o upload na placa Arduino.
        NOTA: Verifique se o código foi compilado com sucesso.
      2. Abra o Software de Tera Term para registrar o registro de pressão. Da configuração > porta serial > velocidade > 115200.
      3. Do Arquivo, escolha Log para começar a registrar a pressão ao longo do tempo.
      4. Selecione Novo/Sobrescrever para registrar um novo log e marque a caixa Timestamp para escrever o log de pressão com marcas de tempo.
      5. Selecione Navegar para selecionar a pasta que vai salvar o registro de pressão.
      6. Segure o botão On/Off da bomba de seringa elétrica para ligá-la e pressione << para começar a ajustar o nível de pressão.
      7. Conecte uma agulha de 1,1 mm de diâmetro à entrada do chip PDMS e use tubos flexíveis de silicone para conectar à saída da bomba de seringa.
      8. Ajuste o nível de pressão em 30 mL/h e pressione o << para iniciar o processo de inflação.
    2. Realize a inflação de membrana e a fundição PDMS dos microcanais circulares da segunda metade.
      1. Inicie a inflação e monitore o nível de pressão no microcanal via o registro de Tera Term .
      2. Pare o processo de inflação quando a pressão interna atingir o nível desejado.
        NOTA: Recomenda-se que a faixa de pressão de inflação seja de 0,0 a 17,5 kPa, pois níveis de pressão acima de 20 kPa podem causar ruptura da membrana.
      3. Coloque uma camada de 2-3 mm de PDMS de espessura sobre a estrutura de membrana-PDMS inflada.
      4. Aplique aquecimento contínuo a 90 °C por 40 minutos para estabilizar a estrutura inflada.
      5. Selecione Parar de Registrar no Tera Term para parar de registrar o nível de pressão quando a segunda camada PDMS estiver completamente curada.
      6. Guarde o arquivo do log de pressão para registros experimentais e investigações adicionais.

3. Caracterização dos chips microfluídicos vasculares PDMS obtidos

  1. Caracterização da rugosidade superficial
    1. Realizar microscopia digital 3D de superfícies de molde e canal
      1. Use um sistema de microscópio digital 3D para caracterizar a topografia superficial dos chips PDMS fabricados e seus respectivos moldes DLP impressos em 3D.
      2. Identifique e marque três regiões específicas de análise para cada amostra.
        NOTA: Seção de estenose do microcanal (A1), seção do canal regular (A2) e superfície externa plana do chip (controle).
      3. Monte a amostra no palco do microscópio e ajuste o foco para capturar topografia 3D de alta resolução em cada local.
      4. Adquira dados de perfil de superfície usando software embutido para gerar mapas de rugosidade e extrair a rugosidade média da superfície (Sa) e a variação de altura (Sz) entre pico e vale.
      5. Exporte os dados topográficos e a visualização 3D para comparação entre diferentes condições de impressão (por exemplo, orientação e espessura da camada).
        NOTA: Preste atenção à parede inclinada dentro da região de estenose, pois as características superficiais nessa zona podem afetar significativamente o comportamento do fluxo a jusante e a distribuição de tensão de cisalhamento.
    2. Realize microscopia eletrônica de varredura (SEM).
      1. Use o SEM para analisar a morfologia detalhada da superfície e a fidelidade microestrutural dos microcanais baseados em PDMS.
      2. Corte cuidadosamente a região do microcanal usando uma lâmina afiada e monte a amostra em pedaços de alumínio com fita condutora.
      3. Sputter coat com ouro ou platina por 60 s para reduzir artefatos de carga.
      4. Capture imagens SEM em múltiplas ampliações (por exemplo, 200× e 400×), mirando a região de estenose.
      5. Compare a visibilidade das linhas das camadas, a suavidade da parede e as transições de contorno entre chips derivados de moldes impressos vertical e horizontalmente.
        NOTA: Artefatos em degraus em amostras impressas horizontalmente e saliências direcionais em moldes impressos verticalmente são indicadores importantes da qualidade da fabricação e da fidelidade do fluxo.
  2. Caracterização geométrica de microcanais semicirculares e completos
    1. Prepare amostras de seção transversal cortando limpamente o chip PDMS perpendicularmente ao eixo do microcanal usando uma lâmina de barbear.
    2. Use um microscópio de fluorescência para capturar a visão transversal dos microcanais.
    3. Carregue as imagens no software ImageJ e use a ferramenta de linha para medir manualmente H1, H2 e Wo.
      NOTA: H1: Altura do canal semicircular moldado (inferior); H2: Altura de inflação da membrana (topo). Wo: Largura do canal na base.
    4. Calcule razões geométricas (H1 + H2≈ Wo) para avaliar a circularidade e validar o design do molde em função do comportamento de inflação.
      NOTA: Idealmente, H1 e H2 são iguais, e sua soma deve aproximar Wo em um perfil totalmente circular. Desvios sinalizam insuficiência de inflação ou sobreextensão da membrana.
  3. Realize o teste de resistência de ligação pneumática
    NOTA: Um teste pneumático de explosão é composto por cinco componentes: (1) uma bomba elétrica de seringa, (2) um sensor de pressão, (3) um microcontrolador Arduino Mega 2560, (4) um cabo de comunicação serial e (5) um laptop.
    1. Conecte o sensor de pressão à entrada de microcanal do PDMS por meio de um tubo flexível de silicone.
    2. Inicialize o Arduino enviando um script serial de leitura de dados.
    3. Inicie o software Tera Term para monitoramento de pressão.
    4. Comece a aplicar pressão de forma incremental usando a bomba de seringa (por exemplo, 40 mL/h).
    5. Registre dados de pressão em tempo real. Continue até que ocorra delaminação, ruptura ou vazamento visível.
    6. Defina a pressão de ruptura como o valor final registrado de pressão antes da falha estrutural. Esse valor representa a força de ligação entre a membrana e o chip PDMS moldado.
  4. Meça o ângulo de contato.
    1. Monte um sistema de medição de ângulo de contato usando uma câmera digital montada na lateral, uma fonte de luz LED em anel e um laptop para captura de imagem.
    2. Coloque um chip PDMS curado em uma plataforma de vidro nivelada sob a câmera.
    3. Dispense uma gota de 2 μL de água desionizada sobre a superfície do PDMS usando uma micropipeta.
    4. Capture imediatamente o perfil da gota usando a câmera. Exporte a imagem para análise.
    5. Abra a imagem no software ImageJ, selecione o plugin Drop Analysis - LB-ADSA na seção Analyze .
    6. Ajuste o encaixe da curva para determinar o ângulo de contato.

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Resultados

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

Este estudo apresenta um protocolo sem sala limpa para fabricar microcanais PDMS circulares completos usando moldes DLP impressos em 3D e inflação de membrana. O design de moldes de microcanal semicirculares com diâmetros variados de estenose é ilustrado na Figura 1, enquanto o efeito da orientação da impressão na resolução do molde é delineado na Figura 2. Um fluxo de trabalho completo de fabricação, desde a impressão em molde até a inflação e a fundição de seg...

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Discussão

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

Neste trabalho, desenvolvemos um protocolo de fabricação sem sala limpa para microcanais circulares PDMS usando impressão 3D DLP e inflação de membrana. Uma etapa crítica dentro desse protocolo é a integração de uma compensação de altura de 10% no projeto do molde CAD para considerar o encolhimento isotrópico inerente do PDMS durante a cura térmica. Além disso, a seleção das orientações de impressão, especificamente a vertical, é vital para minimizar os artefatos de "degraus em degraus" ...

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Divulgações

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

Os autores não têm nada a declarar.

Agradecimentos

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

Os autores gostariam de agradecer à International University, Vietnam National University, Ho Chi Minh City, pelo suporte de equipamentos laboratoriais e materiais.

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Materiais

Lista de materiais utilizados neste artigo
NomeEmpresaNúmero de catálogoComentários
Impressora 3DElegoo Saturn 3N/AImpressão por molde à base de DLP
Resina para impressão 3DJAMG HE, CoreiaN/AResina para impressão geral com DLP
Microcontrolador ArduinoArduino Mega 2560N/AUsado para monitoramento de pressão em teste de explosão
Microscópio digital 3DKeyence, EUAVHX-7100Caracterização da rugosidade superficial
Sistema de câmeras digitais  PersonalizadoN/AUsado para imagem por ângulo de contato
Bomba elétrica de seringaFresenius SE & Co. KGaA, AlemanhaPILOTO A2 CE2RS232Usado para inflação durante a modelagem de membranas
Microscópio de fluorescênciaNikon Eclipse Ti, EUAN/AMedição geométrica de microcanais
Software Fusion 360Autodesk, EUAhttps://www.autodesk.com/asean/products/fusion-360Software de projeto
Software ImageJInstitutos Nacionais de Saúde, EUAhttps://imagej.net/ij/Análise de imagens
Base e agente de cura do PDMSDowhitech, Coreiahttps://www.dow.com/en-us/pdp.sylgard-184-silicone-elastomer-kit.01064291zUsado para fundição de chips
PolidimetilsiloxanoSYLGARD 184 Silicone Elastomer Kit1330-20-7Uso para fabricação de chips
Sensor de pressãoNXPMPX5700APMede a pressão interna durante o teste de explosão
Resina RAPIDElegoo, China—Usado para fabricação de moldes mestres
Microscópio eletrônico de varredura (SEM)Jeol, JapãoJSM T-100Imagem de morfologia superficial
Membrana de silicone (25 & micro; m)——Usado para inflação de membrana

Referências

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