Prototipagem rápida para alta

Scientific Reports volume 13, Número do artigo: 1232 (2023) Citar este artigo

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A litografia macia permitiu a prototipagem rápida de características microfluídicas precisas, padronizando um elastômero deformável, como o polidimetilsiloxano (PDMS), com um molde fotolitograficamente padronizado. Em aplicações microfluídicas onde a flexibilidade do PDMS é uma desvantagem, uma variedade de materiais mais rígidos foi proposta. Em comparação com as alternativas, os dispositivos fabricados em epóxi e vidro têm desempenho mecânico superior, resolução de recursos e compatibilidade com solventes. Aqui nós fornecemos um método passo a passo detalhado para a fabricação de dispositivos microfluídicos rígidos a partir de epóxi e vidro modelados por litografia macia. O protocolo de ligação foi otimizado para produzir dispositivos que suportam pressões superiores a 500 psi. Usando este método, demonstramos o uso de microcanais espirais rígidos de alta proporção para focalização de células de alto rendimento.

As técnicas de prototipagem rápida aceleram o desenvolvimento em estágio inicial de tecnologias microfluídicas, reduzindo o tempo de iteração e os custos iniciais. Talvez a técnica de prototipagem rápida mais amplamente utilizada para pesquisa microfluídica seja a litografia macia, que normalmente envolve a padronização de uma peça de elastômero de polidimetilsiloxano (PDMS) a partir de um molde de filme fotorresistente micropadronizado em um wafer de silício1. A parte PDMS relativamente macia e resistente é retirada do molde de silício rígido. As principais vantagens da litografia macia, em comparação com métodos alternativos de prototipagem rápida, como a impressão 3D, decorrem da excelente resolução de recursos oferecida pela fotolitografia de filme fino em pastilhas de silício, bem como a capacidade de produzir rapidamente vários dispositivos elastoméricos a partir de um único molde de pastilha. .

No entanto, a deformabilidade do PDMS é desfavorável para aplicações microfluídicas que envolvem pressões moderadas e onde a geometria do canal é importante. Por exemplo, este é o caso de praticamente todos os estudos de fenômenos microfluídicos inerciais, que geralmente envolvem fluxos de pressão relativamente alta (P > 30 psi) em microcanais relativamente longos (> 1 cm). Os dispositivos PDMS começam a se deformar a partir de 15 psi e podem romper a pressões de cerca de 40 a 60 psi2. Portanto, o uso de PDMS pode comprometer os resultados da pesquisa, onde a deformabilidade pode ser uma fonte substancial de variabilidade experimental, bem como o desenvolvimento translacional, uma vez que os processos de fabricação em escala maior usam termoplásticos que são muito mais rígidos que o PDMS. Nesses casos, seria prudente primeiro validar projetos microfluídicos em um material rígido antes de arcar com os custos substanciais de ferramentas para moldagem por injeção ou gravação.

Essas considerações motivaram o desenvolvimento de novas técnicas para prototipagem de dispositivos rígidos por vários grupos, sistematicamente revisados ​​em 20113. Esses esforços demonstraram a fabricação de dispositivos rígidos a partir de um padrão definido fotolitograficamente por moldagem por transferência usando uma réplica intermediária de PDMS. Entre os materiais avaliados, a fórmula termofixa descrita pela primeira vez em 2007 exibiu a maior rigidez e melhor desempenho de colagem (pelo menos 150 psi)4. Mais tarde, outro termofixo transparente, a resina epóxi EpoxAcast 690, foi utilizado para medir o foco de partículas em taxas de fluxo muito altas em pressões operacionais próximas a 10.000 psi5,6. Este mesmo material também demonstrou ter excelente inércia química e impermeabilidade a gases7. Também foi demonstrado que um chip epóxi tinha a capacidade de capturar células tumorais circulantes do sangue total com base em seu tamanho com uma eficiência de cerca de 80%8. Com base nesses estudos, os dispositivos de vidro epóxi podem ser considerados como tendo características iguais ou superiores a todos os outros materiais de prototipagem rápida estudados no que diz respeito à fidelidade de recursos, rigidez e resistência de união. Ao todo, em comparação com métodos alternativos de prototipagem rápida, como impressão 3D ou filmes laminados padronizados, os dispositivos fotolitograficamente padronizados têm a mais alta resolução de recursos e suavidade da parede9. Da mesma forma, os epóxis disponíveis comercialmente são mais acessíveis aos pesquisadores do que os materiais personalizados10.