Prevendo o comportamento de circuitos microfluídicos feitos de elementos discretos

Scientific Reports volume 5, Número do artigo: 15609 (2015) Citar este artigo

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Detalhes das métricas

Dispositivos microfluídicos podem ser usados ​​para executar uma variedade de protocolos de química sintética e analítica de fluxo contínuo com um grande grau de precisão. A crescente disponibilidade de manufatura aditiva permitiu o projeto de dispositivos microfluídicos com novas funcionalidades e complexidade. No entanto, esses dispositivos são propensos a variações de fabricação maiores do que os típicos feitos com microusinagem ou litografia macia. Neste relatório, demonstramos um fluxo de trabalho de projeto para fabricação que aborda a variação de desempenho no elemento microfluídico e no nível do circuito, no contexto da fabricação em massa e manufatura aditiva. Nossa abordagem depende de elementos microfluídicos discretos que são caracterizados por sua resistência hidráulica terminal e tolerância associada. A análise de rede é empregada para construir regras simples de design analítico para circuitos microfluídicos modelo. A análise de Monte Carlo é empregada tanto no elemento individual quanto no nível do circuito para estabelecer métricas de desempenho esperadas para várias configurações de circuito específicas. Um protocolo baseado em osmometria é usado para sondar experimentalmente o comportamento de mistura em circuitos, a fim de validar essas abordagens. O fluxo de trabalho geral é aplicado a dois circuitos de aplicação com uso imediato na bancada: circuitos de mistura em série e paralelo que são modularmente programáveis, virtualmente previsíveis, altamente precisos e operáveis ​​manualmente.

A manufatura aditiva está rapidamente se tornando uma alternativa viável à microusinagem e à litografia macia para a fabricação de dispositivos micro e milifluídicos1,2,3,4,5. Métodos como estereolitografia (SLA) ou processos baseados em extrusão (por exemplo, modelagem por deposição fundida ou FDM) permitem que dispositivos inteiros com geometrias de canal não planares sejam fabricados rapidamente e com menos recursos em relação aos métodos tradicionais6. No entanto, a fabricação aditiva é geralmente menos precisa do que a microusinagem, levando à possibilidade de erros de desempenho em sistemas microfluídicos projetados para controlar com precisão o transporte e a mistura de fluidos. O impacto da variabilidade de fabricação nas funções do circuito microfluídico não foi explorado quantitativamente na literatura; erros na concentração de fluxos em redes microfluídicas complexas são geralmente imprevisíveis e devem ser tratados caso a caso, ad hoc. A manufatura aditiva possibilita esse tipo de análise quantitativa, introduzindo uma tecnologia de fabricação padronizada, bem como codificando projetos de sistemas microfluídicos como arquivos digitais interpretados por máquina.

Anteriormente, introduzimos uma plataforma de elementos microfluídicos discretos auto-alinhados fabricados usando SLA que são reversivelmente conectáveis ​​e descritos por suas características de fluxo terminal, como elementos discretos em sistemas eletrônicos7. Este sistema se presta à construção de dispositivos microfluídicos reconfiguráveis, modulares, tridimensionais complexos e hierarquicamente projetados a partir de uma biblioteca de componentes padronizados adequados para fabricação em massa. Neste trabalho, desenvolvemos ainda mais esse sistema demonstrando uma estratégia de implementação virtual e um procedimento de sondagem experimental que trata da previsão de variações no desempenho. Esta estratégia tem três partes: (A) definição de uma biblioteca de componentes de elementos passivos qualificados por sua variação esperada devido à fabricação, (B) análise de rede para derivar a operabilidade de mistura de alguns circuitos microfluídicos simples com aplicação útil na bancada e ( C) previsão da variação do desempenho da rede usando métodos de análise estatística.

Em (A), desenvolvemos uma biblioteca de elementos que é intuitivamente compatível com a análise de circuito linear e as técnicas de análise estatística que a acompanham; os valores de resistência hidráulica de cada elemento foram selecionados tendo em mente a conveniência dos projetistas. A geometria do canal foi então deduzida para produzir esses valores bem definidos de resistência hidráulica. Em (B), as topologias de circuitos microfluídicos para paralelo invariante de fonte e mistura em série foram concebidas e caracterizadas por regras matemáticas simples como um sistema modelo para análise de rede. A análise de rede é um método poderoso para obter informações sobre a operação de circuitos microfluídicos monolíticos (consulte 8,9,10,11,12,13 para um conjunto diversificado de exemplos), mas em geral não tem sido usado como uma ferramenta central para o projeto. Em (C), foi desenvolvida uma implementação virtual completa de cada circuito microfluídico, incluindo a variação de fabricação esperada nos componentes, a fim de simular os cenários realistas para o desempenho da rede. Isso foi conseguido aplicando o entendimento mecanístico da estereolitografia ao cálculo estatístico das tolerâncias de resistência hidráulica no nível do módulo em (A) e aplicando ainda mais o entendimento das tolerâncias no nível do módulo à análise de rede realizada em (B). Por fim, as realizações experimentais desses circuitos de mistura foram montadas e testadas usando soluções osmóticas para validar esses modelos.