Processo de fabricação de microestruturas tridimensionais usando vaporização de um componente sacrificial
2 de novembro de 2013
A vaporização de um processo de componentes sacrificial (Vasc) é usado para o fabrico de estruturas microvasculares. Este procedimento utiliza fibras de poli (ácido láctico sacrificiais) para formar microcanais oco com posicionamento preciso geométrica 3D fornecido por placas de guia de microfabricação laser.
O objetivo geral deste procedimento é fabricar estruturas microvasculares tridimensionais. Isso é realizado primeiramente criando fibras sacrificáveis pela incorporação de estanho oxalato em fibras de ácido polilático. O segundo passo é fazer o padrão tridimensional das fibras utilizando placas de modelagem.
Em seguida, as fibras são moldadas em uma resina de inclusão. O passo final é remover as fibras da resina sob calor e vácuo. Em última análise, o sistema microvascular pode ser utilizado para diversas finalidades, incluindo troca térmica, transporte de massa e sistemas de autorregeneração.
Em geral, indivíduos novos neste método terão dificuldades devido ao alto grau de destreza manual e percepção visual necessário para trabalhar com as fibras. A demonstração visual deste método é essencial, pois o tratamento químico das fibras e o encaixe em placas de padrão são difíceis de aprender, já que exigem coordenação motora fina e equipamentos especializados. Inicie o processo de infusão do catalisador na fibra com um eixo personalizado e uma fonte de fibras de ácido polilático de diâmetro conhecido.
Aqui, 200 mícrons. Enrole a quantidade desejada das fibras ao redor dos três quartos inferiores do eixo. Reduza a sobreposição das fibras para proporcionar exposição máxima da área superficial em um frasco que possa ser vedado.
Misture 400 mililitros de água deionizada com 40 mililitros de disbárico. Um 30. Feche o frasco e agite até obter uma solução homogênea.
Em seguida, coloque um béquer de 1000 mililitros em banho-maria a 37 graus Celsius. Despeje 400 mililitros de etanol trifluorado no béquer. Adicione a solução dispersante aquosa ao béquer e agite até ficar uniforme.
Adicione um grama de verde malaquita ou outro corante à mistura e mexa até dissolução completa. Agora, fixe o eixo ao misturador digital e ajuste a altura para que o eixo fique a meia polegada do fundo. Configure o misturador para 400 RPM e inicie a mistura lentamente.
Adicione 1,3 gramas de catalisador de oxalato de estanho à mistura. Ajuste o pH da mistura usando hidróxido de sódio até que o pH esteja aproximadamente entre 6,8 e 7,2. Em seguida, fixe uma tampa ao béquer e aumente a rotação do eixo para 500 RPM.
Mantenha isso por 24 horas dentro das primeiras duas horas. Quebre manualmente qualquer aglomeração de oxalato de estanho que se desenvolver. Ao final de 24 horas, mantenha um forno pré-aquecido a 35 graus Celsius.
Retire o fusinho do misturador e coloque-o no forno. Deixe secar durante a noite. Após pelo menos oito horas de secagem, retire o fusinho do forno e desenrole as fibras do fusinho.
Remova o catalisador em excesso das fibras. A fabricação da unidade de troca gasosa microvascular começa com a obtenção de um par de placas de modelagem em latão cortadas a laser com o padrão microvascular desejado. Fixe as placas nos suportes com grampos.
Corte um comprimento de 25 cm de fibra catalisada por microcanal. Use uma placa cortada com o diâmetro da fibra para remover qualquer catalisador remanescente das fibras. Use a ponta de uma cola quente para afinar as bordas da fibra.
Faça isso extrudindo lentamente as pontas das fibras. Uma vez concluído, passe as fibras através dos orifícios correspondentes nos pares de placas de modelagem de latão. Em seguida, parafuse as placas em uma caixa de moldagem.
Certifique-se de que as fibras não estejam torcidas ao fixar as placas. Em seguida, passe as pontas das fibras pelos pinos de ajuste da placa de tensionamento personalizada e tensione as fibras de PLA até ficarem esticadas. Tenha cuidado para não tensionar em excesso e romper as fibras.
Remova partículas em excesso do padrão de fibra usando ar comprimido. Agora, misture a base de poli dimetil xin com seu agente de cura numa proporção de volume de 10 para 1 e coloque a mistura em um frasco dessecador. Desgaseifique a mistura por 10 minutos sob vácuo.
Despeje a mistura de PDMS na caixa de moldagem, mas não diretamente sobre as fibras. Use uma agulha de 26 gauge para remover quaisquer bolhas na caixa de moldagem ou entre as fibras. Após concluído, cure o conjunto a 85 graus Celsius por 30 minutos.
Quando a caixa for resfriada, solte as placas de latão da caixa de moldagem, tomando cuidado para não dobrar as placas nem puxar com muita força. Remova o primeiro estágio curado da caixa de moldagem. Use uma agulha hipodérmica com um calibre que seja pelo menos duas vezes o diâmetro externo das fibras para furar furos em uma tampa RTV, com a agulha no lugar, e passe o filamento pelo furo.
Em seguida, remova a agulha. O padrão de furos deve ser semelhante ao da placa de padronização de latão, mas mais amplamente espaçado. Depois, fixe as tampas nas extremidades a uma caixa de moldagem maior.
Despeje um segundo estágio de PDMS e remova todas as bolhas de gás remanescentes. Novamente, cure a 85 graus Celsius por 30 minutos. Após a segunda cura, corte as fibras de PLA em excesso da amostra.
Coloque-o em uma estufa a vácuo a 210 graus Celsius por 24 horas ou até que a maior parte das fibras de PLA tenha sido removida. Se alguma parte do PLA não puder ser removida, injete um mililitro de clorofórmio para dissolver o que restar nos microcanais. Isso conclui a fabricação da unidade.
Este procedimento fornece um método para fabricar estruturas microvasculares em resina, conforme observado na unidade de troca gasosa. Mostrado na parte superior. Na parte inferior esquerda, há um detalhe de um segmento da estrutura.
Corantes foram utilizados para maior clareza visual. À direita, está o padrão hexagonal de furos de 200 mícrons e 300 mícrons usado para criar os microcanais. Os microcanais são completamente ocos e podem ser separados por menos de 50 mícrons.
A estrutura da rede microvascular é limitada apenas pelas estruturas que podem ser formadas pelas fibras sacrificáveis. É possível que ocorram tanto vazamentos quanto obstruções dentro dos microcanais. No lado esquerdo desta unidade de troca gasosa há uma obstrução.
Estes podem frequentemente ser removidos com um solvente. No lado direito, há um exemplo de vazamento. Eles se formam quando as fibras sacrificáveis não são completamente limpas ou adequadamente tensionadas. Uma vez dominada, esta técnica pode ser realizada em 45 minutos para a criação de fibras e em 60 minutos para a fabricação de unidades microvasculares.
Após assistir a este vídeo, você deverá ter uma boa compreensão de como produzir fibras sacrificáveis para criar um padrão tridimensional e solucionar problemas desse extenso processo.
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Visão Geral
O processo de Vaporização de um Componente Sacrifício (VaSC) é utilizado para fabricar estruturas microvasculares tridimensionais. Este método inovador emprega fibras de ácido polilático sacrificiais para criar microcanais ocos, com posicionamento geométrico preciso obtido por meio de placas-guia micromecanizadas a laser.
Componentes Principais do Estudo
Área da Ciência
- Neurociência
- Biomateriais
- Microrfabricação
Antecedentes
- A necessidade de sistemas microvasculares avançados em diversas aplicações.
- Importância do posicionamento geométrico preciso na microfabricação.
- Utilização de materiais sacrificáveis na criação de estruturas complexas.
- Aplicações em troca térmica, transporte de massa e sistemas autorregeneráveis.
Objetivo do Estudo
- Desenvolver um método confiável para fabricar estruturas microvasculares.
- Aprimorar a funcionalidade de microcanais para diversas aplicações.
- Explorar o potencial do processo VaSC na engenharia biomédica.
Métodos Utilizados
- Criação de fibras sacrificáveis mediante a incorporação de oxalato de estanho ao ácido polilático.
- Modelagem tridimensional de fibras utilizando placas de modelagem.
- Conformação de fibras em uma resina de inclusão.
- Remoção das fibras da resina sob calor e vácuo.
Resultados Principais
- Fabricação bem-sucedida de microcanais ocos com geometria precisa.
- Demonstração da versatilidade do sistema microvascular.
- Aplicações potenciais em diversas áreas, incluindo engenharia biomédica.
- Validação do processo VaSC para pesquisas e desenvolvimentos futuros.
Conclusões
- O processo VaSC é eficaz para criar estruturas microvasculares.
- Microcanais podem ser utilizados para diversas aplicações.
- Este método abre novas possibilidades para pesquisas em microfabricação e biomateriais.
Perguntas Frequentes
Relevância Executiva para a Indústria
O processo de Vaporização de um Componente Sacrifical (VaSC) permite a fabricação escalonável de estruturas microvasculares tridimensionais com controle geométrico preciso. Essa capacidade atende a um desafio crítico na replicação de arquiteturas vasculares complexas para biomateriais avançados e engenharia de tecidos. O método suporta sistemas de transporte de massa de alta fidelidade, impactando diretamente as etapas iniciais de descoberta e as pesquisas translacionais.
Aplicações Estratégicas em P&D de Biotecnologia e Farmacêutica
Descoberta Inicial e Validação de Alvo
- Permite a construção de microambientes fisiologicamente relevantes para estudos baseados em hipóteses.
- Apóia a validação funcional de modelos de tecidos vascularizados para redução de riscos mecanicistas.
- Facilita a exploração de relações estrutura-função em matrizes projetadas.
Triagem e Desenvolvimento de Ensaios
- Fornece matrizes reprodutíveis de microcanais para ensaios padronizados de perfusão de compostos.
- Permite a avaliação quantitativa do transporte e troca de massa em sistemas sintéticos.
- Permite a preparação escalonável de plataformas prontas para ensaios destinadas a fluxos de trabalho de alto rendimento.
Pesquisa Translacional e Pré-clínica
- Alinha redes microvasculares projetadas com modelos de tecidos relevantes para doenças.
- Mantém a continuidade da validação em estágio de descoberta até a avaliação pré-clínica de biomateriais.
- Reduz o risco translacional ao permitir testes preditivos in vitro de construtos vascularizados.
Integração de Pipeline e Fluxo de Trabalho
O processo VaSC integra-se desde a descoberta inicial até o desenvolvimento de modelos pré-clínicos, apoiando tanto a testagem de hipóteses quanto a padronização de ensaios.
- Biologia da Descoberta: Permite testes controlados de hipóteses de vascularização em matrizes projetadas.
- Triagem: Fornece plataformas microcanalizadas reprodutíveis e quantitativas para avaliação de compostos.
- Análises: Oferece resultados mensuráveis para comparar transporte de massa e integridade dos canais.
- Pesquisa Translacional: Conecta o desenvolvimento de modelos in vitro com a validação pré-clínica de biomateriais.
- Reutilização Empresarial: Oferece uma capacidade modular de fabricação adaptável às diversas necessidades de P&D.
Impacto Operacional e Empresarial
- Valor Científico: Aumenta a confiança preditiva em modelos de tecidos engenheirados e sistemas vascularizados.
- Valor Operacional: Padroniza a fabricação de microestruturas complexas para pesquisas reprodutíveis.
- Valor Estratégico: Melhora a tomada de decisões de prosseguimento ou interrupção ao reduzir a ambiguidade no desempenho do modelo.
- Impacto no Portfólio: Permite a priorização ajustada ao risco de programas de biomateriais e engenharia de tecidos.
Considerações de Implementação
- Exige destreza manual e percepção visual especializadas para o manuseio de fibras.
- Requer acesso a placas de padronização micromecanizadas e dispositivos de tensionamento.
- Exige padronização entre equipes para a fabricação reprodutível de microcanais.
- Adaptável a diversos materiais de matriz e topologias de fibras, conforme suportado pelo processo.
- O potencial de vazamentos ou entupimentos exige etapas de solução de problemas e controle de qualidade.
