Microfresagem de Controle Numérico Computacional de um Dispositivo Acrílico Microfluídico com uma Restrição Escalonada para Imunoensaios Magnéticos Baseados em Nanoppartículas

Nos últimos anos, a microfluídica tem desempenhado um papel importante nas técnicas de imunoensaio¹. A tecnologia de miniaturização tem muitas vantagens notáveis em comparação com os imunoensaios tradicionais, como consumo reduzido de amostras e reagentes, tempos de incubação mais curtos, troca eficiente de soluções e maior integração e automação².

Além disso, sistemas microfluídicos em imunoensaios, em associação com nanopartículas magnéticas como imunosuporte, reduzem consideravelmente os tempos de incubação, alcançando alta sensibilidade de detecção devido ao aumento da relação superfície-volume³. O movimento browniano das partículas melhora a cinética de reação durante a formação do complexo antígeno-anticorpo ^4,5. Além disso, as propriedades magnéticas das nanopartículas proporcionam a versatilidade para serem integradas em diferentes configurações de dispositivos microfluídicos, tornando-as um candidato ideal para sinalização e captura de moléculas em sistemas de biossensoriamento miniaturizados on-chip⁵. No entanto, as forças magnéticas são significativamente mais fracas do que as forças de arrasto na escala nanométrica devido à alta relação superfície-volume⁶. Portanto, a captura de nanopartículas para etapas cruciais de imunoensaio, como lavagem e detecção, pode ser um desafio, e um ímã convencional é insuficiente⁴.

Uma maneira eficiente de manipular as nanopartículas é o uso de uma armadilha magnética microfluídica formada por micropartículas de ferro, que são embaladas em uma estrutura microfluídica³. Portanto, quando um ímã externo se aproxima, uma interação complexa é criada dentro do meio poroso magnetizado entre as forças magnéticas e de fluxo. A força magnética que atua sobre as nanopartículas é forte o suficiente para capturá-las e resistir ao arrasto do fluxo ^3,4,7. Essa abordagem requer técnicas de microfabricação que atinjam resoluções da ordem de alguns micrômetros para gerar estruturas micrométricas que retenham as micropartículas.

As técnicas atuais de microfabricação permitem a fabricação de estruturas de alta resolução de alguns mícrons a centenas de nanômetros⁸. No entanto, muitas dessas técnicas exigem equipamentos especializados, caros ou complicados. Uma das principais dificuldades é a exigência de uma sala limpa para fabricação de moldes, que continua dispendiosa e ^{demorada 8,9}. Recentemente, os engenheiros microfluídicos superaram essa desvantagem desenvolvendo uma variedade de métodos alternativos de fabricação, com várias vantagens, como custos reduzidos, tempos de resposta mais rápidos, materiais e ferramentas mais baratos e maior funcionalidade⁸. Desta forma, o desenvolvimento de novas técnicas de microfabricação trouxe métodos de baixo custo, não limpos, que alcançam resoluções tão baixas quanto 10 μm⁸. A padronização pode ser usada diretamente em um substrato sem gerar um padrão de moldagem caro, evitando assim um processo demorado. Os métodos de fabricação direta incluem fresamento CNC, ablação a laser e litografia direta⁸. Todos esses métodos são adequados para a produção de canais de alta relação de aspecto em uma ampla gama de materiais, independentemente de sua dureza⁹, possibilitando novas e vantajosas geometrias, comportamentos físicos e qualidades em dispositivos microfluídicos⁸.

A microfresagem CNC cria estruturas em microescala utilizando ferramentas de corte que removem material a granel de um substrato e é um método de fabricação eficaz para dispositivos microfluídicos^10,11. A técnica de microfresagem pode ser útil em aplicações microfluídicas para criar microcanais e recursos diretamente na superfície de trabalho, oferecendo uma vantagem fundamental: uma peça de trabalho pode ser fabricada em um curto espaço de tempo (menos de 30 min), reduzindo significativamente o tempo de resposta desde o projeto até o protótipo¹². Além disso, a ampla disponibilidade de acessórios de corte de diferentes materiais, tamanhos e formas torna as fresadoras CNC uma ferramenta adequada que permitiu a fabricação de diferentes características em muitos tipos de materiais descartáveis de baixo custo¹³.

Dentre todos os materiais comumente utilizados na micromoagem, os termoplásticos continuam sendo uma escolha líder devido às suas muitas propriedades favoráveis e compatibilidade com aplicações biológicas^10,14. Os termoplásticos são um substrato atraente para sistemas microfluídicos devido às suas vantagens significativas para o desenvolvimento de sistemas analíticos descartáveis de baixo custo⁹. Além disso, esses materiais são altamente passíveis de processos de fabricação de alto volume, tornando-os adequados para comercialização e produção em massa. Por essas razões, termoplásticos como o PMMA têm sido considerados materiais confiáveis e robustos desde os primórdios da microfluídica¹⁰. Diferentes protocolos têm sido descritos para fabricar canais fechados em termoplásticos, como a ligação por solvente¹⁵, a ligação por calor¹⁶ e a ligação ultravioleta (UV)/ozônio para tratamento superficial¹⁷.

Em muitos casos, a resolução de posicionamento alcançada com microfresadoras convencionais não é suficiente para algumas aplicações microfluídicas que exigem estruturas menores que 10 μm. A microfresagem de alta qualidade tem resolução suficiente. Infelizmente, devido aos altos preços, seu uso é limitado a um punhado de usuários¹². Anteriormente, nosso grupo de pesquisa relatou a fabricação e manipulação de uma ferramenta de baixo custo que permite usinagem de estruturas inferiores a 10 μm, superando a resolução de fresadoras convencionais¹². O acessório é uma plataforma fabricada por impressão 3D com eletrônica simples, contendo três atuadores piezoelétricos. A superfície contém juntas em forma de dobradiça que permitem que ela seja levantada quando os elementos piezoelétricos agem simultaneamente. O deslocamento do eixo Z pode ser controlado com uma resolução de 500 nm e uma precisão de ±1,5 μm¹².

Este trabalho apresenta as etapas do processo de fabricação de um dispositivo acrílico (PMMA) através de uma técnica de microfresagem. O projeto do chip consiste em um canal principal de 200 μm de largura e 200 μm de altura e um canal lateral com as mesmas dimensões para purgar o fluxo dos reagentes. Na região central, o canal é interrompido por uma restrição física de apenas 5 μm de altura, fabricada com a plataforma piezoelétrica impressa em 3D feita por esse grupo¹², para capturar micropartículas magnéticas que compõem uma armadilha magnética para nanopartículas através da colocação de um ímã externo. Mostramos o funcionamento do dispositivo microfluídico através da realização de um imunoensaio para detectar um anticorpo comercial usando lisozima como antígeno modelo conjugado a nanopartículas magnéticas de 100 nm. Este dispositivo combina diferentes características que o tornam único⁴: o uso de nanopartículas magnéticas como suporte imunológico reduz o tempo total de teste de horas para minutos; a utilização de uma enzima fluorogénica para detecção permite limites de detecção comparáveis aos dos ensaios imunoenzimáticos padrão (ELISAs); e o uso de um termoplástico como material de fabricação o torna compatível com a produção em massa, o que não foi o caso das armadilhas magnéticas³ das nanopartículas microfluídicas anteriores, e o torna um excelente candidato para o desenvolvimento do POCT.