I metodi di produzione convenzionali come la litografia morbida e i processi di goffratura a caldo possono essere utilizzati per la bioingegneria dei chip microfluidici, anche se con limitazioni, tra cui la difficoltà nella preparazione di strutture multistrato, processi di fabbricazione che richiedono costi e manodopera e una bassa produttività.
Gli scienziati dei materiali hanno introdotto l'elaborazione della luce digitale come approccio di microfabbricazione economicamente vantaggioso per i chip microfluidici di stampa 3D, sebbene la risoluzione di fabbricazione di questi microcanali sia limitata a una scala inferiore a 100 micron.
In un nuovo rapporto pubblicato su Microsystems and Nanoengineering , Zhuming Luo e un team scientifico di ingegneria biomedica e ingegneria chimica in Cina hanno sviluppato un innovativo metodo di elaborazione della luce digitale.
Hanno proposto un modello matematico modificato per prevedere l'irradiazione UV per la fotopolimerizzazione della resina e hanno guidato la fabbricazione di microcanali con maggiore risoluzione. Il metodo avanzato di microfabbricazione può facilitare importanti sviluppi nella formazione di microcanali precisa e scalabile come passo successivo significativo per applicazioni diffuse nelle strategie basate sulla microfluidica in biomedicina.
I chip microfluidici offrono un potente strumento per miniaturizzare le applicazioni nella coltura cellulare 3D per applicazioni di screening e test di farmaci e test organ-on-a-chip. I metodi convenzionali per sviluppare chip microfluidici includono la litografia morbida e la fabbricazione capillare a caldo con un processo ingegneristico complicato, bassa produttività e costi elevati.
La biostampa 3D ha attirato una crescente attenzione verso la progettazione innovativa e la produzione di strutture personalizzate su microscala. Gli scienziati dei materiali hanno utilizzato l'elaborazione della luce digitale per la fotopolimerizzazione in vasca strato per strato per microfabbricare con risoluzioni fino a decine di micron con rapida velocità di elaborazione e facilità di funzionamento.
In questo lavoro, Luo e colleghi hanno sviluppato un nuovo metodo di elaborazione della luce digitale per la fabbricazione ad alta risoluzione e su larga scala di dispositivi microfluidici mediante dosaggio e zonatura della polimerizzazione in vasca. Il team ha messo a punto i parametri di stampa e altri parametri per personalizzare con precisione la fotopolimerizzazione degli strati di resina vicini ed evitare il blocco dei canali dovuto all'eccessiva esposizione ai raggi UV.
Rispetto ai metodi convenzionali, il processo ha consentito lo sviluppo in un unico lotto di un massimo di 16 chip microfluidici. Il metodo attuale può facilitare importanti progressi nello sviluppo di microcanali preciso e scalabile come un significativo passo avanti dei dispositivi basati sulla microfluidica in biomedicina.
Il team ha regolato il dosaggio dell’irradiazione UV applicando l’UV gradualmente per polimerizzare la resina strato per strato utilizzando un modello matematico. Dopo l'irradiazione UV per un tempo di esposizione specifico, gli scienziati hanno polimerizzato una profondità specifica della soluzione di resina. Quindi, utilizzando il modello matematico, hanno determinato un metodo completo per calcolare la soglia di polimerizzazione della resina. Il percorso di stampa incorporato nell'opera ha diviso con precisione il microcanale nello strato inferiore, nello strato del canale e nello strato del tetto.
Sulla base dei risultati, i ricercatori hanno proposto una versione modificata della strategia di stampa del processo di luce digitale (DLP) per fabbricare microcanali sostanzialmente piccoli attraverso la fotopolimerizzazione della vasca regolata dal dosaggio e dalla zona (abbreviata DZC-VPP). Questo processo ha diviso i microcanali in diversi strati. La capacità di regolare le zone per ogni fase di proiezione ha consentito la regolazione precisa della polimerizzazione locale della resina, gli scienziati hanno stampato con successo i canali con una risoluzione significativamente più elevata.
Il team ha studiato la qualità di stampa del nuovo approccio confrontandolo con il metodo convenzionale. Mentre il metodo convenzionale portava a una scarsa fedeltà dei canali a causa dell'accumulo di un'eccessiva esposizione ai raggi UV, il nuovo metodo al contrario offriva microcanali con una fedeltà di stampa significativamente migliorata per consentire lo sviluppo di superfici interne più lisce all'interno dei microcanali con un impatto significativo sulla manipolazione dei liquidi. Il metodo DZC-VPP è inoltre altamente scalabile ed economico.
Stabilità meccanica dei materiali sviluppati
Luo e colleghi hanno poi studiato la stabilità meccanica dei dispositivi microfluidici progettati con il nuovo metodo DZC-VPP e lo hanno confrontato nuovamente con il processo convenzionale. Sebbene la stabilità meccanica sia fondamentale affinché i chip microfluidici possano tollerare un'elevata pressione del liquido, i due materiali hanno dimostrato curve di sollecitazione-deformazione simili.
Il chip fabbricato con DZC-VPP ha mostrato uno stress da frattura e una deformazione significativamente più elevati rispetto al chip DLP, indicando che la nuova strategia ha migliorato sia la risoluzione di stampa che la stabilità meccanica dei chip microfluidici ingegnerizzati.
Per realizzare la generazione microfluidica di goccioline, gli scienziati hanno utilizzato acqua pura come fase acquosa e un'emulsione olio-glicole per creare goccioline acquose monodisperse. Il team ha incapsulato le cellule con microgel nei chip fabbricati utilizzando il sistema di alginato. Per prevenire la citotossicità nello strumento, i ricercatori hanno testato la biocompatibilità dei chip utilizzando microgel carichi di cellule.
Sia le cellule HeLa che le cellule mesenchimali di ratto utilizzate nello studio hanno mantenuto la vitalità cellulare dopo l'incapsulamento per proliferare gradualmente in cluster cellulari, indicando la natura biofriendly del dispositivo microfluidico progettato da DZC-VPP. Il metodo è anche più adatto per altre applicazioni legate alle cellule, compreso lo sviluppo di strumenti organ-on-a-chip.
Rispetto al tradizionale processo di stampa digitale a luce, il nuovo metodo DC-VPP può regolare la profondità di penetrazione UV per la fotopolimerizzazione della resina. I risultati hanno evidenziato l'affidabilità del nuovo processo di stampa ad alta risoluzione per fabbricare chip microfluidici stampati in 3D.
In questo modo, Zhuming Luo e il gruppo di ricerca hanno sviluppato un nuovo metodo di fotopolimerizzazione in vasca regolata dal dosaggio e dalla zonazione (abbreviato DZC-VPP) per stampare in 3D microcanali con risoluzione e stabilità meccanica migliorate. Il team è riuscito a raggiungere questo obiettivo proponendo un modello matematico per prevedere l'irradiazione UV accumulata per la polimerizzazione della resina come guida per progettare e stampare i microcanali.
Utilizzando questo approccio, il team ha stampato un microcanale con la litografia morbida convenzionale o la goffratura a caldo per generare goccioline monodisperse ad alto rendimento e microgel carichi di cellule. Questo metodo di microfabbricazione altamente efficiente rappresenta un passo fondamentale per la fabbricazione su larga scala e ad alta risoluzione di dispositivi microfluidici per applicazioni diffuse.
Ulteriori informazioni: Zhiming Luo et al, Stampa 3D con elaborazione della luce digitale per chip microfluidici con risoluzione migliorata tramite fotopolimerizzazione in vasca controllata da dosaggio e zona, Microsistemi e nanoingegneria (2023). DOI:10.1038/s41378-023-00542-y
Fei Shao et al, Incapsulamento microfluidico di singole cellule mediante microgel di alginato utilizzando una strategia gelificata con trigger, Frontiere nella bioingegneria e nella biotecnologia (2020). DOI:10.3389/fbioe.2020.583065
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